剛架結(jié)構(gòu)的安全分析

劉雪瑩 侯曉霞

【摘要】隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，機(jī)械行業(yè)的規(guī)模也越來(lái)越大。鉆床是機(jī)械行業(yè)中必不可少的機(jī)加工設(shè)備，又是典型的剛架結(jié)構(gòu)，它的安全性直接關(guān)系到生產(chǎn)的產(chǎn)量和工人師傅的安全，所以對(duì)于剛架結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題的校核顯得尤為重要。本文建立了剛架的力學(xué)模型并繪制了內(nèi)力圖，為進(jìn)一步進(jìn)行剛架的強(qiáng)度和剛度的安全性校核奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】剛架結(jié)構(gòu)；安全分析；內(nèi)力圖

鉆床指主要用鉆頭在工件上加工孔的機(jī)床，鉆床的特點(diǎn)是工件固定不動(dòng)，刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，操作可以是手動(dòng)也可以是機(jī)動(dòng)。

在鉆床上配有工藝裝備時(shí)，還可以進(jìn)行鏜孔，在鉆床上配萬(wàn)能工作臺(tái)還能進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔。鉆床是具有廣泛用途的通用性機(jī)床，可對(duì)零件進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪平面和攻螺紋等加工。在機(jī)械領(lǐng)域中鉆床是應(yīng)用非常廣闊的機(jī)床產(chǎn)品之一，它可以說(shuō)是無(wú)孔不入，在很多機(jī)械制造工廠和修配廠到處都是鉆床的身影。鉆床廣泛應(yīng)用于各種零件的加工，在機(jī)電、模具、輕工行業(yè)占有重要地位。隨著機(jī)械制造行業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，鉆床為滿足模具上的水孔、射銷孔等孔系的深孔加工，已進(jìn)行了改革和創(chuàng)新。不過(guò)從近幾年來(lái)的報(bào)道來(lái)看，鉆床雖然進(jìn)行了改革和創(chuàng)新，功能也日漸趨于智能化，但對(duì)于鉆床的安全性問(wèn)題仍沒(méi)有解決。

鉆床是集機(jī)、電于一體的機(jī)械設(shè)備，其危險(xiǎn)因素多，傷害程度大，造成事故最主要的原因之一就是鉆床的不安全性。有很多工廠的工人反映鉆床往往達(dá)不到預(yù)期的壽命就已出現(xiàn)了各種各樣的故障和損傷，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的產(chǎn)量和工人師傅的安全。工廠要進(jìn)行生產(chǎn)就必須維修機(jī)器，維修機(jī)器就要浪費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，這給工廠帶來(lái)了不小的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1-3]。鉆床是典型的剛架結(jié)構(gòu)，剛架的安全校核直接關(guān)系到鉆床的安全性，所以研究剛架結(jié)構(gòu)的安全性是十分有意義的。

因此建立力學(xué)模型以及繪制內(nèi)力圖，為剛架結(jié)構(gòu)的安全校核奠定基礎(chǔ)具有十分重要的理論研究?jī)r(jià)值。

1.剛架的力學(xué)模型

剛架由橫梁、立柱與剛節(jié)點(diǎn)組成。剛節(jié)點(diǎn)能承受力與力矩，且受力后夾角保持不變。

根據(jù)實(shí)際生活可以建立近似剛架的力學(xué)模型如圖1所示。如圖所示，在力的作用下橫梁產(chǎn)生彎曲變形，立柱產(chǎn)生彎曲和拉壓的組合變形。所以剛架的變形主要由拉壓和彎曲組成，內(nèi)力主要包括軸力、剪力和彎矩。

圖1 剛架結(jié)構(gòu)及受力圖

2.剛架內(nèi)力圖

在計(jì)算軸力、剪力和彎矩時(shí)，需要注意正負(fù)號(hào)規(guī)定。軸力FN規(guī)定為拉為正而壓為負(fù)，軸力的正負(fù)與觀察者的位置無(wú)關(guān)。剪力FS習(xí)慣上規(guī)定為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，逆時(shí)針為負(fù)，與軸力一樣，剪力的正負(fù)也與觀察者的位置無(wú)關(guān)。彎矩M規(guī)定為下凸為正，反之為負(fù)，與剪力和軸力不同的是彎矩的正負(fù)與觀察者的位置有關(guān)。所以軸力和剪力的正負(fù)號(hào)規(guī)定仍適用于立柱，要注意的是剛架立柱橫截面上的軸力和剪力畫在里側(cè)和外側(cè)均可，只需標(biāo)出正負(fù)號(hào)。由于彎矩的正負(fù)與觀察者的位置有關(guān)所以立柱的彎矩不再規(guī)定為下凸為正，而是要求標(biāo)在受壓的一側(cè)即可。

剛架以彎曲變形為主，因此，內(nèi)力圖的重點(diǎn)是彎矩圖[4，5]。首先需要分段列彎矩方程，將橫梁和立柱分為兩大段，再根據(jù)具體受力情況，利用控制截面法對(duì)橫梁和立柱繼續(xù)分段。

如圖1所示，根據(jù)受力情況，剛架分為AC和BC兩段。AC段將坐標(biāo)原點(diǎn)取在A點(diǎn)，利用截面法求得AB段的彎矩方程為M（x）=FX，x的取值范圍為（0≤x≤a）；BC段將坐標(biāo)原點(diǎn)取在C點(diǎn)，同理，利用截面法可求得BC段的彎矩方程為M（x）=F（a-x），x的取值范圍為（0≤x≤1.5a）。然后各段根據(jù)彎矩方程做彎矩圖，由彎矩方程可知，AB段和BC段的彎矩圖均為斜直線，只要確定兩端點(diǎn)的彎矩值即可。AB段，A點(diǎn)的彎矩為0，B點(diǎn)彎矩的大小為Fa，連接AB，然后注意控制截面處產(chǎn)生的突變，將AB段首尾相連，打上陰影線；BC段，C點(diǎn)的彎矩大小為Fa，B點(diǎn)的彎矩大小為0.5Fa，連接BC，同樣注意控制截面處產(chǎn)生的突變，將BC段首尾相連，打上陰影。

在繪制彎矩圖時(shí)需要特別注意彎矩應(yīng)畫在受壓的一側(cè)。剛架彎矩圖如圖2所示。根據(jù)彎矩圖確定最危險(xiǎn)截面，可以進(jìn)一步對(duì)剛架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的安全性校核。

圖2 剛架彎矩圖

在機(jī)械制造行業(yè)中，鉆床是必不可少的機(jī)加工產(chǎn)品之一，它在使用過(guò)程中存在著各種各樣的問(wèn)題有待解決。隨著我國(guó)機(jī)械事業(yè)不斷的蓬勃發(fā)展，鉆床作為機(jī)加工設(shè)備重要組成部分，它的地位也越來(lái)越重要，鉆床的健康程度關(guān)乎到生產(chǎn)的質(zhì)量及工人師傅的安全。

鉆床在給人們提供方便快捷的生產(chǎn)方式的同時(shí)也存在著巨大的安全隱患，在使用的過(guò)程中一定要嚴(yán)格按照說(shuō)明書來(lái)使用鉆床，在正常維修的情況下延長(zhǎng)鉆床的使用壽命。由于鉆床是典型的剛架結(jié)構(gòu)，提高剛架的安全性就等于提高鉆床的安全性。因此對(duì)于如何提高剛架結(jié)構(gòu)的安全性已然成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的課題。建立力學(xué)模型并繪制內(nèi)力圖為進(jìn)一步校核剛架結(jié)構(gòu)的安全性奠定了基礎(chǔ)，具有十分重要的理論研究?jī)r(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]張江華.機(jī)械制造工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]車建明.機(jī)械工程基礎(chǔ)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2013

[3]吳拓.現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[4]劉慶譚.材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[5]劉鴻文.材料力學(xué)I[M].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：劉雪瑩（1992—），女，山東德州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。