剛架結構的安全分析

劉雪瑩 侯曉霞

【摘要】隨著中國經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，機械行業的規模也越來越大。鉆床是機械行業中必不可少的機加工設備，又是典型的剛架結構，它的安全性直接關系到生產的產量和工人師傅的安全，所以對于剛架結構安全性問題的校核顯得尤為重要。本文建立了剛架的力學模型并繪制了內力圖，為進一步進行剛架的強度和剛度的安全性校核奠定了基礎。

【關鍵詞】剛架結構；安全分析；內力圖

鉆床指主要用鉆頭在工件上加工孔的機床，鉆床的特點是工件固定不動，刀具做旋轉運動，操作可以是手動也可以是機動。

在鉆床上配有工藝裝備時，還可以進行鏜孔，在鉆床上配萬能工作臺還能進行鉆孔、擴孔、鉸孔。鉆床是具有廣泛用途的通用性機床，可對零件進行鉆孔、擴孔、鉸孔、锪平面和攻螺紋等加工。在機械領域中鉆床是應用非常廣闊的機床產品之一，它可以說是無孔不入，在很多機械制造工廠和修配廠到處都是鉆床的身影。鉆床廣泛應用于各種零件的加工，在機電、模具、輕工行業占有重要地位。隨著機械制造行業規模的不斷擴大，鉆床為滿足模具上的水孔、射銷孔等孔系的深孔加工，已進行了改革和創新。不過從近幾年來的報道來看，鉆床雖然進行了改革和創新，功能也日漸趨于智能化，但對于鉆床的安全性問題仍沒有解決。

鉆床是集機、電于一體的機械設備，其危險因素多，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不到預期的壽命就已出現了各種各樣的故障和損傷，嚴重影響了生產的產量和工人師傅的安全。工廠要進行生產就必須維修機器，維修機器就要浪費大量的人力物力財力，這給工廠帶來了不小的經濟負擔[1-3]。鉆床是典型的剛架結構，剛架的安全校核直接關系到鉆床的安全性，所以研究剛架結構的安全性是十分有意義的。

因此建立力學模型以及繪制內力圖，為剛架結構的安全校核奠定基礎具有十分重要的理論研究價值。

1.剛架的力學模型

剛架由橫梁、立柱與剛節點組成。剛節點能承受力與力矩，且受力后夾角保持不變。

根據實際生活可以建立近似剛架的力學模型如圖1所示。如圖所示，在力的作用下橫梁產生彎曲變形，立柱產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，內力主要包括軸力、剪力和彎矩。

圖1 剛架結構及受力圖

2.剛架內力圖

在計算軸力、剪力和彎矩時，需要注意正負號規定。軸力FN規定為拉為正而壓為負，軸力的正負與觀察者的位置無關。剪力FS習慣上規定為順時針轉動為正，逆時針為負，與軸力一樣，剪力的正負也與觀察者的位置無關。彎矩M規定為下凸為正，反之為負，與剪力和軸力不同的是彎矩的正負與觀察者的位置有關。所以軸力和剪力的正負號規定仍適用于立柱，要注意的是剛架立柱橫截面上的軸力和剪力畫在里側和外側均可，只需標出正負號。由于彎矩的正負與觀察者的位置有關所以立柱的彎矩不再規定為下凸為正，而是要求標在受壓的一側即可。

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

如圖1所示，根據受力情況，剛架分為AC和BC兩段。AC段將坐標原點取在A點，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段將坐標原點取在C點，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，只要確定兩端點的彎矩值即可。AB段，A點的彎矩為0，B點彎矩的大小為Fa，連接AB，然后注意控制截面處產生的突變，將AB段首尾相連，打上陰影線；BC段，C點的彎矩大小為Fa，B點的彎矩大小為0.5Fa，連接BC，同樣注意控制截面處產生的突變，將BC段首尾相連，打上陰影。

在繪制彎矩圖時需要特別注意彎矩應畫在受壓的一側。剛架彎矩圖如圖2所示。根據彎矩圖確定最危險截面，可以進一步對剛架進行強度和剛度的安全性校核。

圖2 剛架彎矩圖

在機械制造行業中，鉆床是必不可少的機加工產品之一，它在使用過程中存在著各種各樣的問題有待解決。隨著我國機械事業不斷的蓬勃發展，鉆床作為機加工設備重要組成部分，它的地位也越來越重要，鉆床的健康程度關乎到生產的質量及工人師傅的安全。

鉆床在給人們提供方便快捷的生產方式的同時也存在著巨大的安全隱患，在使用的過程中一定要嚴格按照說明書來使用鉆床，在正常維修的情況下延長鉆床的使用壽命。由于鉆床是典型的剛架結構，提高剛架的安全性就等于提高鉆床的安全性。因此對于如何提高剛架結構的安全性已然成為國內外學者研究的課題。建立力學模型并繪制內力圖為進一步校核剛架結構的安全性奠定了基礎，具有十分重要的理論研究價值。

參考文獻

[1]張江華.機械制造工藝[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]車建明.機械工程基礎[M].天津：天津大學出版社，2013

[3]吳拓.現代機床夾具設計[M].北京：化學工業出版社，2011.

[4]劉慶譚.材料力學[M].北京：機械工業出版社，2003.

[5]劉鴻文.材料力學I[M].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介：劉雪瑩（1992—），女，山東德州人，大學本科，現就讀于德州學院機電工程學院機械設計制造及其自動化專業。