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(fā)林2（1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司；2.鄭州市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,鄭州　　450000）

機(jī)械工程中自動(dòng)化技術(shù)的有效應(yīng)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，給生產(chǎn)水平帶來了更高的標(biāo)準(zhǔn)，為滿足現(xiàn)代化發(fā)展的要求，縮短勞動(dòng)時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，自動(dòng)化技術(shù)在我國機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用更應(yīng)廣泛而有效。當(dāng)前我國機(jī)械工程中的自動(dòng)化技術(shù)存在模式單一、人才缺乏、效率低下等問題，但集成自動(dòng)化、柔性自動(dòng)化和智能自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械工程的普遍應(yīng)用加之科技對(duì)其的不斷改善可逐漸消除以上問題。

機(jī)械工程；自動(dòng)化；應(yīng)用

自動(dòng)化技術(shù)相比較于人工勞動(dòng)最顯著的特征，是能夠在更短的時(shí)間達(dá)到更高的要求。因此，為縮短勞動(dòng)時(shí)間，獲取更多的勞動(dòng)利益，自動(dòng)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等的各個(gè)行業(yè)。在機(jī)械工程中，自動(dòng)化技術(shù)也已得到廣泛的應(yīng)用，通過自動(dòng)化提高了機(jī)械效率，給生產(chǎn)者帶來了較好的收益。

1　目前我國機(jī)械工程中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)械工程自動(dòng)化技術(shù)以發(fā)展速度作為標(biāo)準(zhǔn)，可分為初級(jí)發(fā)展、中級(jí)發(fā)展和高級(jí)發(fā)展三個(gè)階段。我國作為發(fā)展中國家，于其他發(fā)展中國家而言，機(jī)械工程的自動(dòng)化技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家的自動(dòng)化水平，但相比較于自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展水平較高的發(fā)達(dá)國家，我國機(jī)械工程中自動(dòng)化技術(shù)仍處于底層，發(fā)展空間大，因此可判斷我國處在自動(dòng)化發(fā)展三個(gè)階段中的初級(jí)發(fā)展階段。其主要現(xiàn)狀表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1生產(chǎn)粗放，模式單一

在機(jī)械工程中，由于自動(dòng)化技術(shù)尚未得到廣泛的應(yīng)用，使工程普遍存在生產(chǎn)粗放的問題，大多企業(yè)追求短期經(jīng)濟(jì)效益的提高，忽視長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)所帶來的資源配置和優(yōu)勝劣汰，競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，忽視自動(dòng)化技術(shù)，直接影響便使粗放型生產(chǎn)的企業(yè)面臨衰敗的局面。

除此之外，生產(chǎn)模式還存在單一片面的問題，部分機(jī)械工程企業(yè)采取單一的生產(chǎn)模式，缺乏可進(jìn)行交替的生產(chǎn)方式，直接導(dǎo)致機(jī)械工程在運(yùn)行的過程中生產(chǎn)鏈容易出現(xiàn)斷裂的問題，使機(jī)械制造的生產(chǎn)率過于低下。

1.2缺乏人才，管理欠缺

人才是機(jī)械工程發(fā)展的關(guān)鍵，人才作為能力和素質(zhì)都較高的勞動(dòng)者，對(duì)于工程中自動(dòng)化技術(shù)的研究尤其重要。我國目前機(jī)械工程自動(dòng)化技術(shù)的使用中普遍存在人才斷層現(xiàn)象，由于人才管理晉升機(jī)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而尚不能獨(dú)挑大梁，因此在人才接力上出現(xiàn)青黃不接的局面。直接導(dǎo)致自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展停滯，缺乏足夠的人才去研究技術(shù)自動(dòng)化。管理階層同樣出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，素質(zhì)良莠不齊，缺乏自動(dòng)化技術(shù)的管理策略。部分管理者理論知識(shí)高于實(shí)踐能力，有的管理者具備實(shí)踐能力卻缺乏將其轉(zhuǎn)換為理論知識(shí)的能力，導(dǎo)致我國自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用無法與機(jī)械工程緊密結(jié)合。

1.3工藝粗糙，效率低下

我國對(duì)機(jī)械工程中自動(dòng)化技術(shù)的投資相對(duì)較少，缺乏創(chuàng)新因素，專業(yè)技術(shù)較為落后。這使得機(jī)械工程中自動(dòng)化技術(shù)的工藝較為粗糙，缺乏精密的技術(shù)設(shè)計(jì)，自動(dòng)化的運(yùn)用挑戰(zhàn)頗大。

由于自動(dòng)化技術(shù)工藝粗糙，使得機(jī)械工程效率低下。原本短時(shí)間內(nèi)可完成的工程操作，由于技術(shù)原因，并不能在較短的時(shí)間內(nèi)順利結(jié)束，若工程需反復(fù)操作，則用時(shí)越長(zhǎng)，效率越低。

2　機(jī)械工程中自動(dòng)化技術(shù)的有效應(yīng)用

自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用主要包括集成自動(dòng)化技術(shù)、柔性自動(dòng)化技術(shù)和智能自動(dòng)化技術(shù)三種，根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)主要分析這三種技術(shù)在機(jī)械工程中的運(yùn)用：

2.1集成自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用

集成自動(dòng)化是指根據(jù)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)的改進(jìn)，而做出的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化，以使機(jī)械制造更為精密，縮小誤差。它的前提條件是要將機(jī)械制造系統(tǒng)的信息高度共享，根據(jù)各個(gè)信息的比較分析，尋得最為精密的生產(chǎn)技術(shù)，在機(jī)械工程中廣泛應(yīng)用，以達(dá)到提高總體機(jī)械效率的目的，避免在工程中出現(xiàn)的可防范的各種技術(shù)問題。該技術(shù)已在機(jī)械工程中得到了廣泛的應(yīng)用，集成自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，可以說是通過資源共享來達(dá)到提高生產(chǎn)效率的效果。該技術(shù)普遍應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可達(dá)到充分發(fā)揮集成目的的作用。

2.2柔性自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用

柔性自動(dòng)化技術(shù)是指通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用，將數(shù)據(jù)輸入到生產(chǎn)設(shè)備中，從而進(jìn)行自動(dòng)的技術(shù)生產(chǎn)。簡(jiǎn)言之，就是數(shù)控與生產(chǎn)的結(jié)合。其應(yīng)用范圍涵蓋加工制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等，是一種以計(jì)算機(jī)為核心的信息與管理系統(tǒng)。在機(jī)械工程中，通過柔性自動(dòng)化技術(shù)，生產(chǎn)者將生產(chǎn)過程通過計(jì)算機(jī)輸入到生產(chǎn)設(shè)備中，生產(chǎn)設(shè)備可通過輸入的信息，按照要求進(jìn)行自動(dòng)操作，依次完成復(fù)雜的生產(chǎn)過程。柔性自動(dòng)化技術(shù)的顯著特征就是足夠精確，一定程度上可減少人力參與，節(jié)省人力資源，從而擴(kuò)大生產(chǎn)利益。但柔性自動(dòng)化技術(shù)對(duì)操作人員要求更為嚴(yán)格，若不甚操作有誤導(dǎo)致輸入信息與原信息存在差異，機(jī)械在自動(dòng)生產(chǎn)的過程中則會(huì)按錯(cuò)誤信息進(jìn)行生產(chǎn)，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(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用

智能自動(dòng)化是三類技術(shù)中最為高端的自動(dòng)化技術(shù)，它巧妙的結(jié)合了集成自動(dòng)化技術(shù)和柔性自動(dòng)化技術(shù)二者的優(yōu)勢(shì)，將集成自動(dòng)化技術(shù)中的信息收集與柔性自動(dòng)化技術(shù)中的計(jì)算機(jī)參與結(jié)合起來，使計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)的信息采集，同時(shí)分析采集得來的數(shù)據(jù)，形成了系統(tǒng)自動(dòng)化，達(dá)到了人工智能的效果。智能自動(dòng)化的主要優(yōu)勢(shì)將之前人力的信息采集和數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)智能的信息采集和數(shù)據(jù)分析，大大提高了信息的精確性，縮短了數(shù)據(jù)分析過程的時(shí)間。當(dāng)面臨突發(fā)事件時(shí)，智能自動(dòng)化技術(shù)就能憑借自身的適應(yīng)能力準(zhǔn)確做出判斷并解決問題。該技術(shù)成功避免了集成自動(dòng)化技術(shù)和柔性自動(dòng)化技術(shù)的弊端，因此，是最為廣泛適用的自動(dòng)化技術(shù)。

3　結(jié)束語

自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械工程中的有效應(yīng)用是科技發(fā)展的客觀要求，自動(dòng)化技術(shù)能夠有效的提高機(jī)械效率，減少人力資源的浪費(fèi)，擴(kuò)大生產(chǎn)收益，因此，是當(dāng)今社會(huì)廣泛應(yīng)用且前景光明的生產(chǎn)技術(shù)。

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

[2]謝杰.機(jī)械工程自動(dòng)化技術(shù)存在的問題及解決對(duì)策分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(01):74.

[3]丁振明.自動(dòng)化技術(shù)在既有結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控量測(cè)工程中的應(yīng)用[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2009(07):153-155.

水泥路面拉桿與混凝土界面脫粘及裂紋擴(kuò)展壽命研究

劉娜1,楊發(fā)林2
（1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司；2.鄭州市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,鄭州450000）

對(duì)水泥路面拉桿界面不同位置處初始裂紋的裂尖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)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(duì)臨界位置裂紋擴(kuò)展壽命進(jìn)行預(yù)估。

水泥路面；拉桿；裂紋；擴(kuò)展壽命

我國水泥路面設(shè)計(jì)方法中針對(duì)拉桿設(shè)計(jì)主要考慮溫度收縮作用下拉桿本身的抗拉強(qiáng)度及拉桿與混凝土間的粘結(jié)力，并未考慮拉桿實(shí)際受荷特性及傳荷性能；本文采用三維有限元方法，結(jié)合地基模型并考慮拉桿處混凝土初始松動(dòng)裂紋，對(duì)行車荷載作用下不同位置處裂紋裂尖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，得到臨界開裂裂紋位置，進(jìn)而建立不同裂紋長(zhǎng)度與應(yīng)力強(qiáng)度因子間的關(guān)系，采用Paris公式對(duì)臨界開裂位置處裂紋擴(kuò)展壽命進(jìn)行預(yù)估，為混凝土路面拉桿的拔出脫粘壽命提供判斷依據(jù)。

1　三維有限元模型建立

計(jì)算中將地基簡(jiǎn)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(zhǎng)×寬×厚=5m×3.5m×0.26m”，接縫寬度為1cm，拉桿長(zhǎng)度為45cm，直徑為14mm，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1　各結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

荷載采用規(guī)范荷載作用方式BZZ-100，根據(jù)研究當(dāng)輪胎處于標(biāo)準(zhǔn)胎壓0.7Mpa時(shí)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(dòng)量最大，逐漸向兩側(cè)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(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，在裂尖處在同一截面設(shè)置了72個(gè)楔形單元四分之一結(jié)點(diǎn)塌縮奇異單元，為提高計(jì)算精度，取圍線積分次數(shù)為3次，劃分網(wǎng)格后得到裂紋尖端細(xì)化網(wǎng)格如圖3所示。

2　確定臨界裂紋擴(kuò)展位置

為對(duì)四處裂尖進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析，分別植入初始裂紋長(zhǎng)度為2cm，裂紋寬度為0.3mm，計(jì)算得到的四處裂尖位置不同圍線積分處張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子KI及滑開型應(yīng)力強(qiáng)度因子見表2，匯總各位置處Contour-3處的應(yīng)力強(qiáng)度因子見圖4。

表2　四處裂尖位置不同圍線積分處應(yīng)力強(qiáng)度因子(kPa*m1/2)

分結(jié)果可知：張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子在位置①～③處均為負(fù)值，裂紋尖端為壓應(yīng)力場(chǎng)，裂紋閉合，位置④處應(yīng)力強(qiáng)度因子為正值，裂紋呈張開趨勢(shì)；滑開型裂紋尖端為剪應(yīng)力場(chǎng)，在位置②處滑開型應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)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(shè)置目的相同。根據(jù)斷裂力學(xué)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(duì)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(dá)到此韌度值才能滿足使初始裂紋不進(jìn)一步擴(kuò)展的條件。

3　　裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)估

表3 ?、谔幉煌鸭y長(zhǎng)度應(yīng)力強(qiáng)度因子（kPa*m1/2）

根據(jù)得到的滑開型應(yīng)力強(qiáng)度因子KII與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系式（3）：KⅡ=1.34×104a2-178.25a+254.17式（3）

式中：KⅡ?yàn)棰蛐蛻?yīng)力強(qiáng)度因子，kPa*m1/2；a為裂紋長(zhǎng)度，m。結(jié)合式（2）并采用數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，存在初始裂紋的情況下，水泥混凝土板在經(jīng)歷有限次輪載作用后出現(xiàn)拔出性破壞。

4　結(jié)論及建議

本文采用Paris公式對(duì)拉桿周圍混凝土內(nèi)裂紋擴(kuò)展壽命進(jìn)行預(yù)估，得到結(jié)論如下：

（1）荷載作用底部靠近路面表面處裂紋裂尖應(yīng)力場(chǎng)為臨界裂紋存在位置，其裂尖應(yīng)力強(qiáng)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(yīng)力強(qiáng)度因子KII與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系：KⅡ=1.34×104a2-178.25a+254.17，計(jì)算得到的拉桿脫粘壽命為313萬次。

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

[1]程靳,趙樹山.斷裂力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[2]胡小弟,孫立軍.重型貨車輪胎接地壓力分布實(shí)測(cè)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(jī)械、機(jī)電。