機械工程中自動化技術的有效應用分析

馬金山（湖北省十堰市中鐵十一局二公司,湖北　十堰　442000）

劉　娜1,楊發林2（1.河南省交通科學技術研究院有限公司；2.鄭州市市政工程勘測設計研究院,鄭州　　450000）

機械工程中自動化技術的有效應用分析

馬金山
（湖北省十堰市中鐵十一局二公司,湖北十堰442000）

我國市場經濟的迅速發展，給生產水平帶來了更高的標準，為滿足現代化發展的要求，縮短勞動時間，提高勞動生產率，自動化技術在我國機械制造業中的應用更應廣泛而有效。當前我國機械工程中的自動化技術存在模式單一、人才缺乏、效率低下等問題，但集成自動化、柔性自動化和智能自動化技術在機械工程的普遍應用加之科技對其的不斷改善可逐漸消除以上問題。

機械工程；自動化；應用

自動化技術相比較于人工勞動最顯著的特征，是能夠在更短的時間達到更高的要求。因此，為縮短勞動時間，獲取更多的勞動利益，自動化技術已廣泛應用于如農業、工業、交通運輸業等的各個行業。在機械工程中，自動化技術也已得到廣泛的應用，通過自動化提高了機械效率，給生產者帶來了較好的收益。

1　目前我國機械工程中自動化技術的應用現狀

機械工程自動化技術以發展速度作為標準，可分為初級發展、中級發展和高級發展三個階段。我國作為發展中國家，于其他發展中國家而言，機械工程的自動化技術已遠遠超過其他國家的自動化水平，但相比較于自動化技術發展水平較高的發達國家，我國機械工程中自動化技術仍處于底層，發展空間大，因此可判斷我國處在自動化發展三個階段中的初級發展階段。其主要現狀表現在以下幾個方面：

1.1生產粗放，模式單一

在機械工程中，由于自動化技術尚未得到廣泛的應用，使工程普遍存在生產粗放的問題，大多企業追求短期經濟效益的提高，忽視長足的發展。隨著市場經濟所帶來的資源配置和優勝劣汰，競爭越來越激烈，忽視自動化技術，直接影響便使粗放型生產的企業面臨衰敗的局面。

除此之外，生產模式還存在單一片面的問題，部分機械工程企業采取單一的生產模式，缺乏可進行交替的生產方式，直接導致機械工程在運行的過程中生產鏈容易出現斷裂的問題，使機械制造的生產率過于低下。

1.2缺乏人才，管理欠缺

人才是機械工程發展的關鍵，人才作為能力和素質都較高的勞動者，對于工程中自動化技術的研究尤其重要。我國目前機械工程自動化技術的使用中普遍存在人才斷層現象，由于人才管理晉升機制不夠完善，舊人才因未得到足夠重視而大量流失，新人才因缺乏理論與實踐經驗而尚不能獨挑大梁，因此在人才接力上出現青黃不接的局面。直接導致自動化技術發展停滯，缺乏足夠的人才去研究技術自動化。管理階層同樣出現交叉現象，素質良莠不齊，缺乏自動化技術的管理策略。部分管理者理論知識高于實踐能力，有的管理者具備實踐能力卻缺乏將其轉換為理論知識的能力，導致我國自動化技術應用無法與機械工程緊密結合。

1.3工藝粗糙，效率低下

我國對機械工程中自動化技術的投資相對較少，缺乏創新因素，專業技術較為落后。這使得機械工程中自動化技術的工藝較為粗糙，缺乏精密的技術設計，自動化的運用挑戰頗大。

由于自動化技術工藝粗糙，使得機械工程效率低下。原本短時間內可完成的工程操作，由于技術原因，并不能在較短的時間內順利結束，若工程需反復操作，則用時越長，效率越低。

2　機械工程中自動化技術的有效應用

自動化技術在機械工程中的應用主要包括集成自動化技術、柔性自動化技術和智能自動化技術三種，根據筆者經驗，現主要分析這三種技術在機械工程中的運用：

2.1集成自動化技術的運用

集成自動化是指根據當前經濟的發展和科學的改進，而做出的結構和標準的優化，以使機械制造更為精密，縮小誤差。它的前提條件是要將機械制造系統的信息高度共享，根據各個信息的比較分析，尋得最為精密的生產技術，在機械工程中廣泛應用，以達到提高總體機械效率的目的，避免在工程中出現的可防范的各種技術問題。該技術已在機械工程中得到了廣泛的應用，集成自動化技術優勢明顯，可以說是通過資源共享來達到提高生產效率的效果。該技術普遍應用于系統設計，并且隨著科學技術的發展，可達到充分發揮集成目的的作用。

2.2柔性自動化技術的運用

柔性自動化技術是指通過計算機應用，將數據輸入到生產設備中，從而進行自動的技術生產。簡言之，就是數控與生產的結合。其應用范圍涵蓋加工制造、產品設計等，是一種以計算機為核心的信息與管理系統。在機械工程中，通過柔性自動化技術，生產者將生產過程通過計算機輸入到生產設備中，生產設備可通過輸入的信息，按照要求進行自動操作，依次完成復雜的生產過程。柔性自動化技術的顯著特征就是足夠精確，一定程度上可減少人力參與，節省人力資源，從而擴大生產利益。但柔性自動化技術對操作人員要求更為嚴格，若不甚操作有誤導致輸入信息與原信息存在差異，機械在自動生產的過程中則會按錯誤信息進行生產，造成更大的損失。因此，操作人員的高度集中也尤其重要。

2.3智能自動化技術的運用

智能自動化是三類技術中最為高端的自動化技術，它巧妙的結合了集成自動化技術和柔性自動化技術二者的優勢，將集成自動化技術中的信息收集與柔性自動化技術中的計算機參與結合起來，使計算機進行自動的信息采集，同時分析采集得來的數據，形成了系統自動化，達到了人工智能的效果。智能自動化的主要優勢將之前人力的信息采集和數據分析轉變為計算機智能的信息采集和數據分析，大大提高了信息的精確性，縮短了數據分析過程的時間。當面臨突發事件時，智能自動化技術就能憑借自身的適應能力準確做出判斷并解決問題。該技術成功避免了集成自動化技術和柔性自動化技術的弊端，因此，是最為廣泛適用的自動化技術。

3　結束語

自動化技術在機械工程中的有效應用是科技發展的客觀要求，自動化技術能夠有效的提高機械效率，減少人力資源的浪費，擴大生產收益，因此，是當今社會廣泛應用且前景光明的生產技術。

[1]徐景龍.分析電氣的自動化在電氣工程中的融合運用[J].黑龍江科技信息,2012(33):19.

[2]謝杰.機械工程自動化技術存在的問題及解決對策分析[J].科技創新與應用,2015(01):74.

[3]丁振明.自動化技術在既有結構安全監控量測工程中的應用[J].公路交通科技(應用技術版),2009(07):153-155.

水泥路面拉桿與混凝土界面脫粘及裂紋擴展壽命研究

劉娜1,楊發林2
（1.河南省交通科學技術研究院有限公司；2.鄭州市市政工程勘測設計研究院,鄭州450000）

對水泥路面拉桿界面不同位置處初始裂紋的裂尖應力場進行計算，得到臨界裂紋位置并提出了混凝土材料性能要求，采用Paris公式對臨界位置裂紋擴展壽命進行預估。

水泥路面；拉桿；裂紋；擴展壽命

我國水泥路面設計方法中針對拉桿設計主要考慮溫度收縮作用下拉桿本身的抗拉強度及拉桿與混凝土間的粘結力，并未考慮拉桿實際受荷特性及傳荷性能；本文采用三維有限元方法，結合地基模型并考慮拉桿處混凝土初始松動裂紋，對行車荷載作用下不同位置處裂紋裂尖應力應變場進行計算分析，得到臨界開裂裂紋位置，進而建立不同裂紋長度與應力強度因子間的關系，采用Paris公式對臨界開裂位置處裂紋擴展壽命進行預估，為混凝土路面拉桿的拔出脫粘壽命提供判斷依據。

1　三維有限元模型建立

計算中將地基簡化為Winkler模型，地基模量取200MPa/m，水泥混凝土路面板取為彈性薄板，幾何尺寸為“長×寬×厚=5m×3.5m×0.26m”，接縫寬度為1cm，拉桿長度為45cm，直徑為14mm，計算參數如表1所示。

表1　各結構計算參數

荷載采用規范荷載作用方式BZZ-100，根據研究當輪胎處于標準胎壓0.7Mpa時接地輪胎截面趨向于矩形[2]，縱縫處路面板荷載作用方如圖1所示。

建立三維模型后在拉桿鋼筋靠近接縫處植入“楔形”裂紋，接縫處松動量最大，逐漸向兩側遞減，裂紋植入位置如圖2所示。建模過程中為了精確刻畫裂尖處應力應變場，在裂尖處在同一截面設置了72個楔形單元四分之一結點塌縮奇異單元，為提高計算精度，取圍線積分次數為3次，劃分網格后得到裂紋尖端細化網格如圖3所示。

2　確定臨界裂紋擴展位置

為對四處裂尖進行應力場分析，分別植入初始裂紋長度為2cm，裂紋寬度為0.3mm，計算得到的四處裂尖位置不同圍線積分處張開型應力強度因子KI及滑開型應力強度因子見表2，匯總各位置處Contour-3處的應力強度因子見圖4。

表2　四處裂尖位置不同圍線積分處應力強度因子(kPa*m1/2)

分結果可知：張開型應力強度因子在位置①～③處均為負值，裂紋尖端為壓應力場，裂紋閉合，位置④處應力強度因子為正值，裂紋呈張開趨勢；滑開型裂紋尖端為剪應力場，在位置②處滑開型應力強度因子達到最大，拉桿鋼筋處混凝土以滑開型（Ⅱ）開裂為主，這與拉桿本身的設置目的相同。根據斷裂力學可判斷單一型開裂臨界裂紋位置分別為：位置④處為張開型開裂臨界位置，位置②處為滑開型開裂臨界位置，由此得到的對于拉桿周圍混凝土所需滿足的韌度值為255.7kPa*m1/2，混凝土需達到此韌度值才能滿足使初始裂紋不進一步擴展的條件。

3　　裂紋擴展壽命預估

表3 　②處不同裂紋長度應力強度因子（kPa*m1/2）

根據得到的滑開型應力強度因子KII與裂紋長度的關系式（3）：KⅡ=1.34×104a2-178.25a+254.17式（3）

式中：KⅡ為Ⅱ型應力強度因子，kPa*m1/2；a為裂紋長度，m。結合式（2）并采用數據處理軟件計算裂紋擴展壽命：

根據計算結果可知，存在初始裂紋的情況下，水泥混凝土板在經歷有限次輪載作用后出現拔出性破壞。

4　結論及建議

本文采用Paris公式對拉桿周圍混凝土內裂紋擴展壽命進行預估，得到結論如下：

（1）荷載作用底部靠近路面表面處裂紋裂尖應力場為臨界裂紋存在位置，其裂尖應力強度因子以滑開型（Ⅱ）為主，拉桿處混凝土受力方向沿著拉桿界面；

（2）存在初始裂紋的情況下，水泥混凝土板拉桿滑開型應力強度因子KII與裂紋長度的關系：KⅡ=1.34×104a2-178.25a+254.17，計算得到的拉桿脫粘壽命為313萬次。

同時，實際拉桿在工作狀態下不僅受到行車荷載的作用，還需考慮溫度、濕度及螺紋對拉桿拔出脫粘的影響。

[1]程靳,趙樹山.斷裂力學[M].北京:科學出版社,2006.

[2]胡小弟,孫立軍.重型貨車輪胎接地壓力分布實測[J].同濟大學學報（自然科學版）,2005,33(11):1443-1448.

馬金山（1985-），男，吉林吉林人，本科，研究方向：工程機械、機電。