宋寧霞

1.概述

一般閥門(mén)都是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，那么將閥門(mén)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來(lái)的支架顯得尤為重要。在設(shè)計(jì)支架時(shí)，不僅要考慮連接問(wèn)題，更重要的是支架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

2.支架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)理論依據(jù)

馮米斯應(yīng)力即第四強(qiáng)度理論應(yīng)力，通常用來(lái)描述聯(lián)合作用的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，它是一種等效應(yīng)力，融合了彎曲應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和綜合剪切應(yīng)力等應(yīng)力，其中綜合剪切應(yīng)力與直接剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力相關(guān)。

2.2設(shè)計(jì)公式

支架的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到氣缸與閥門(mén)所有可能的安裝方向。本文以Z方向?yàn)橹亓铀俣确较驗(yàn)槔?，分析支架的受力情況。如圖1所示，氣缸對(duì)支架產(chǎn)生了懸臂載荷，同時(shí)還施加了驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的操作扭矩。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，支架的重量算入在氣缸的重量里并且作用在氣缸的重心。

圖1建立的坐標(biāo)系下，支架所受的力及力矩計(jì)算公式如下：

Z軸受力 （4）

b點(diǎn)對(duì)X-X 軸的彎矩 （6）

b點(diǎn)對(duì)Y-Y 軸的彎矩 （9）

Z-Z軸的扭矩 （11）

式中Wt--- 氣缸與支架的總重量，gx=0，gy=0

典型的支架結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)際的支架形狀可能與之存在差別，但是這不會(huì)影響到計(jì)算公式及結(jié)果的準(zhǔn)確性。

a-a 截面T形面積 （13）

T形截面的形心 （15）

圖1.支架載荷分布圖圖2.典型支架結(jié)構(gòu)

X軸慣性矩 （16）

Y軸慣性矩 （17）

以上截面積和慣性矩都是針對(duì)一個(gè)T形截面來(lái)計(jì)算的，所以支架的截面積和慣性矩應(yīng)加倍。

支架的彎矩計(jì)算是把支架的兩個(gè)T形截面看作是固定端懸臂梁。由于gx=0，gy=0，則直接剪切應(yīng)力τx=0，τy=0，所以綜合剪切應(yīng)力τT等于扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力τt 。

彎曲應(yīng)力 （19）

拉伸應(yīng)力 （20）

扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力 （23）

馮米斯應(yīng)力 （25）

允許的拉伸應(yīng)力 （26）

式中 ---材料屈服強(qiáng)度極限

安全系數(shù) margin of safety= >1.3 （27）

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)安全系數(shù)大于1.3時(shí)，我們認(rèn)為支架的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

3.結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行閥門(mén)與氣缸連接支架的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分理解所使用公式的適用條件和要求，按照實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算校核。一般我們推薦使用閥桿所能承受的扭矩或氣缸輸出的最大扭矩兩者之中較小的扭矩作為支架的設(shè)計(jì)扭矩。但如果認(rèn)為使用該扭矩過(guò)于保守，則可使用閥門(mén)的最大操作扭矩作為設(shè)計(jì)扭矩。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求來(lái)制定安全系數(shù)，平衡好支架強(qiáng)度與成本之間的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1] David Bayreuther美卓?jī)?nèi)部標(biāo)準(zhǔn)EDS-24

[2]劉鴻文《材料力學(xué)I》