【分　 类】 化工与理学
【关 键 词】 多维材料选择方法；绿色机电产品；曲轴；最佳材料
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正文：
摘要：在论述多维材料选择方法基本思想的基础上，以小型活塞式压缩机曲轴为载体，利用多维材料选择方法对其材料进行选择，来说明该方法应用于绿色机电产品材料选择中的可行性和实用性；结果表明，多维材料选择方法应用于小型活塞式压缩机曲轴的实例，对其它绿色产品及其零部件的材料选择方法和理论起到一定的借鉴和参考价值。
关键词： 多维材料选择方法；绿色机电产品；曲轴；最佳材料
中图分类号：TH140.8   文献标识码：B
The Application of Multi-dimensional Material Selection Method in Green Electromechanical Product
Abstract: On the basis of the basic ideas of multi-dimensional material selection method was discussed, the crankshaft of small-sized piston compressor as a carrier, its material is selected using the multi-dimensional material selection method to illustrate the feasibility and practicability of this method applied in green electromechanical product. The result shows that the example which the multi-dimensional material selection method used in the crankshaft of small-sized piston compressor has some reference value to material selection of other green electromechanical product or its parts.
Keywords: Multi-dimensional Material Selection Method; Green Electromechanical Product; Crankshaft; Most Suitable Material
引言：
产品设计时有时会有多种材料同时满足要求。如何从多种材料中合理地选出一种最佳材料，也就是如何将这几种材料排出优先次序。文献^[1]中介绍了一种多维材料选择方法。所谓多维材料选择方法，就是将材料的使用性能、工艺性能、经济性能和环境性能这四个不相容的问题放在同一空间中去考虑，构成一个多维寻优问题。多维材料选择方法有效地弥补了传统选材方法的不足和缺陷,完善和简化了模糊综合评价^[2]的材料选择方法；弥补了三维材料选择方法^[3]中把产品的使用性能和工艺性能并举考虑的不足（没有突出材料选择时首先要考虑产品及其零部件的使用性能的原则^[4]），比较充分地考虑了材料的环境性能,通过建立合适的待选材料备择集，选择一种最佳材料。多维材料选择方法的基本思想是：选择材料时，所选择的材料首先考虑产品或零部件的使用性能要求^[5]，其次考虑材料的加工制造的工艺性能，然后考虑材料的环境性能，最后考虑经济性能；把材料的使用性能、工艺性能、环境性能和经济性能放在同一空间中考虑，从备选材料中选择一种最佳材料；选择的依据是材料的使用性能、工艺性能、环境性能和经济性能所包含的各项指标^[6]。
下面以小型活塞式压缩机曲轴的材料选择为例说明多维材料选择方法在绿色机电产品中的实际应用。
1 小型活塞式压缩机曲轴的多维材料选择方法
小型活塞式压缩机曲轴是压缩机中重要的运动零部件之一，其材料的选用得当，直接影响到整台机器的使用寿命，另外对其材料的合理选择，还可作为其它产品或零部件材料选择的参考。
小型活塞式压缩机曲轴的材料选择可分为六步进行，现介绍如下。
1.1 选择满足曲轴基本功能的材料备择集M1
根据小型活塞式压缩机曲轴的基本功能，从各种工程材料中初选出符合该条件的材料备择集M1，即M1中的所有材料都必须满足小型活塞式压缩机曲轴的使用性能。

 
图1 曲轴示意图
1.主轴颈；2.曲臂；3.曲柄销
（Fig.1Sketch Map of Crankshaft）
（1. Main Journal, 2.Crank, 3.Crank Pin）
考虑的四个主要因素：
（1）曲轴的一般结构型式
曲轴一般具有三个部分：主轴颈、曲臂和曲柄销（或连杆轴颈），如图1所示。曲轴在承受载荷时，各截面突变处、油孔口处均能造成应力集中，这些部位的实际应力往往比名义应力大好几倍。当承受交变弯曲和扭转载荷时，这些部位可能出现疲劳裂纹，甚至导致曲轴破坏。因此在选择曲轴材料时，应力集中问题应予以足够重视。
（2）曲轴的强度要求
由于曲轴的各个危险截面处，尤其是有高度应力集中的轴颈与曲柄间过渡圆角处应力集中明显，因此曲轴要有足够的强度，以便承受交变弯扭组合载荷的能力。
（3）刚度要求
为了保证曲轴轴颈处的轴承可靠地工作，轴颈偏转角不应超过许用值，曲轴也要有足够的刚度。
（4）耐磨性要求
小型活塞式压缩机曲轴转速较高（一般为1000～3000r/min左右^[7]），主轴颈和曲柄销部位是易磨损部位，为了延长大修周期和提高压缩机寿命，曲轴应具有较高的耐磨性。
综合考虑上面四个因素，材料备择集M1中的元素可选择大多数中碳钢（特别为优质碳素钢）、合金钢和球墨铸铁等材料。
1.2选择满足曲轴工艺性能的材料备择集M2
根据曲轴的形状、制造工艺和工艺流程，考虑材料的工艺性。目前，曲轴一般采取锻造或铸造方法制造，再经过切削加工制成成品零件，因此从材料备择集M1中选出满足此工艺性能的材料，得到材料备择集M2。
考虑的四个主要因素：
（1）为了改善材料组织、消除应力和提高材料的机械性能，曲轴毛坯应进行正火处理。
（2）若曲轴为锻钢制成，则锻件中不得有裂纹、白点、明显的气孔、夹层和皱叠等。
（3）当曲轴轴颈处采用滑动轴承时，轴颈表面要有较低的粗糙度和较高的硬度。
（4）中碳钢锻造曲轴制造经验已经很成熟。目前，压缩机曲轴常采用40钢和45钢等碳素钢制造；40碳素钢和45碳素钢在合理的热处理及表面处理（表面淬火、滚压或喷丸等）后，可满足小型压缩机曲轴的使用性能要求，少数场合也应用40Cr等合金钢^[8]。另外，近年来铸造技术不断发展，再加上铸造曲轴可以节省大量原材料和减少加工工序，并且能得到更合理的结构；再者，铸铁具有较高的强度和耐磨性，特别是在球墨铸铁QT600-3中加入少量稀土元素能进一步提高材料的机械性能，因此铸造曲轴也得到了大量应用。
从上面的分析可知，M2中的元素可选为：40钢、45钢、40Cr合金钢、QT600-3球墨铸铁和XQT600-3稀土镁球墨铸铁等材料。
1.3判断曲轴材料的环境性和经济性的重要程度
根据目前市场的需求，再结合绿色产品已经被人们普遍崇尚和追求，小型活塞式压缩机曲轴也应该按照绿色产品的要求来设计和制造^[9]，对其材料的选择过程中，应该考虑材料的环境性比经济性重要。
1.4选择满足曲轴环境性能的材料备择集M3
对M2中的五种材料（第一种材料：QT600-3球墨铸铁，第二种材料：XQT600-3稀土镁球墨铸铁，第三种材料：45钢，第四种材料：40钢，第五种材料： 40Cr合金钢）进行环境性能评价，得到材料备择集M3，即M3中的所有材料都应符合环境性能要求。
具体分析如下：

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