繪構(gòu)件受力圖時應(yīng)注意的問題

周艷芳

（長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治046011）

繪構(gòu)件受力圖時應(yīng)注意的問題

周艷芳

（長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治046011）

在工程機(jī)械中對構(gòu)件進(jìn)行正確的受力分析、作出其正確的受力圖，是解決靜力學(xué)平衡問題的基礎(chǔ)，也是對構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計計算的基礎(chǔ)。對在分析構(gòu)件受力和繪構(gòu)件受力圖時應(yīng)注意的一些問題及一些常犯的錯誤作了總結(jié)，便于初學(xué)者地學(xué)習(xí)和掌握對構(gòu)件的受力分析。

受力分析；受力圖；約束力

受力分析就是對要研究的構(gòu)件的受力情況進(jìn)行分析，分析該構(gòu)件受到哪些主動力和周圍環(huán)境中哪些約束的作用，每個力的作用位置和方向如何[1]。正確的受力分析是畫構(gòu)件受力圖的前提，受力分析清楚后，把所研究的構(gòu)件從周圍環(huán)境中分離出來，也就是保持構(gòu)件的形狀和位置狀態(tài)不變畫出構(gòu)件的分離體圖，然后在分離體圖上的正確受力點畫上該構(gòu)件所受的全部主動力和約束力（注意每畫一個力都要標(biāo)上該力的符號名稱），這樣所作出的表示構(gòu)件受力情況的圖形就是構(gòu)件的受力圖[1]。對構(gòu)件進(jìn)行正確的受力分析并作出其正確的受力圖是求解靜力學(xué)平衡問題和對構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計計算的基礎(chǔ)，所以一定要思路清晰、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真。

1 對單個構(gòu)件進(jìn)行受力分析時要點

1.1 分清施力體和受力體

作構(gòu)件受力圖時要在構(gòu)件的分離體圖上畫出該構(gòu)件作為受力體所受的外界物體給它的力，切不可把該構(gòu)件施加給其他物體的力畫到該構(gòu)件的受力圖上。比如，在圖1的錯誤受力圖中，大球所受的兩處約束力N1和N2指向錯誤，它們應(yīng)分別是墻壁和小球?qū)Υ笄虻墓饣婕s束力，應(yīng)指向大球，而不能把大球?qū)Ρ诤托∏虻牧Ξ嫷酱笄虻氖芰D上；同理，小球所受的力N3、N4、N2′也應(yīng)該是指向小球的。

圖1 單個物體受力分析實例一

1.2 熟記柔體約束和光滑面約束的約束力性質(zhì)

畫約束力時要在解除約束的地方按約束的約束力性質(zhì)畫出相應(yīng)的約束力，必須熟記：

（1）柔體約束力總是沿柔體中心線方向背離物體，柔體約束只能對受力體產(chǎn)生拉力作用；

（2）光滑面約束的約束力總是沿接觸面或接觸點的公法線方向指向物體，即光滑面約束的約束力只能壓或支撐物體而不可能拉物體。

比如，在圖2桿的錯誤受力圖中，柔體約束力的方向錯誤、兩處光滑面約束力的方向也錯誤。因為繩子不能壓物體，而平面和物體接觸點的公法線應(yīng)過這一點垂直于該平面，所以，繩子對桿的拉力T應(yīng)該是沿繩子方向背離桿的，水平面對桿的約束力N1應(yīng)該過接觸點垂直于水平面指向桿。豎直墻壁對桿的約束力N2應(yīng)該過接觸點垂直于豎直墻壁水平向左指向桿。

圖2 單個物體受力分析實例二

在圖3的錯誤受力圖中，球在A點所受的約束力NA方向錯誤，因為球面上A點的法線應(yīng)過A點和球心的連線方向，而棱角上A點的法線有無數(shù)條，所以接觸點的公共法線方向即接觸點和球心的連線方向，因此，棱角對球的光滑面約束力NA應(yīng)過接觸點A且沿接觸點和球心的連線方向指向球。

圖3 單個物體受力分析實例三

1.3 掌握鉸鏈約束力的表示方法

（1）活動鉸鏈的約束力過鉸鏈中心且垂直于活動鉸鏈的支持面，指向視具體情況而定；

（2）中間鉸鏈和固定鉸鏈的約束力可根據(jù)構(gòu)件具體受力情況而定：當(dāng)鉸鏈約束連接的是二力構(gòu)件時可根據(jù)二力平衡定理來確定鉸鏈約束力的具體方向；當(dāng)鉸鏈約束連接的是三力構(gòu)件時可根據(jù)三力平衡匯交定理來確定鉸鏈約束力的具體方向；由于中間鉸鏈和固定鉸鏈都限制了被連接構(gòu)件的平面移動而不限制其轉(zhuǎn)動，所以當(dāng)這兩種鉸鏈連接的構(gòu)件受力比較復(fù)雜時，這兩種鉸鏈的約束力可用過鉸鏈中心的兩正交分力表示，且兩正交分力的方向可自行假設(shè)。

比如，在圖4桿的錯誤受力圖中，活動鉸鏈B對桿的約束力方向沒有垂直于活動鉸鏈的支持面，固定鉸鏈A的約束力方向也不能隨意畫為垂直于桿的方向。因為三個力形成平面平衡力系，主動力使桿繞A點順時針轉(zhuǎn)動，所以B鉸鏈的約束力應(yīng)使桿繞A點逆時針轉(zhuǎn)動，因此，桿所受的活動鉸鏈B的約束力FB應(yīng)過鉸鏈中心且垂直于活動鉸鏈的支持面（即垂直于豎直面）水平向左指向桿。固定鉸鏈A對桿的約束力可以用兩個正交分力FAx、FAy表示，也可以利用三力平衡匯交定理確定FA的具體指向，在應(yīng)用三力平衡匯交定理時，先由主動力和B處約束力的方向確定匯交點的位置，然后再連接A點和匯交點作出A點約束力的作用線，最后再用力矩平衡確定A處約束力的指向。圖中主動力對B點產(chǎn)生逆時針力矩，所以A點的約束力應(yīng)對B點產(chǎn)生順時針力矩，因此，A處的約束力沿A點和匯交點的連線且指向匯交點的方向作用在A點。

圖4 單個物體受力分析實例四

又如，在圖5的錯誤受力圖中，AC、BC桿作為一個整體在A、B兩處分別受固定鉸鏈的約束力，但固定鉸鏈的約束力方向不應(yīng)該是豎直方向。因為A、B兩鉸鏈所連接的AC桿和BC桿都是受拉的二力桿，所以A、B兩鉸鏈的約束力FA和FB應(yīng)分別沿兩個桿的方向背離A、B兩點形成拉力。

圖5 吊架受力分析實例

1.4 正確表示固定端約束力

固定端約束力一般由三部分組成，即限制構(gòu)件平面移動的兩正交約束力和限制構(gòu)件轉(zhuǎn)動的一約束力偶，但由于約束力是由主動力引起的，所以也可根據(jù)構(gòu)件的具體受載情況而確定固定端的約束力。比如在圖6中，當(dāng)主動力既有水平分力又有豎直分力時，固定端A處的約束力就既有水平約束力又有豎直約束力，而且還有約束力偶；當(dāng)主動力只有豎直方向而沒有水平方向時，約束力也沒有水平方向，而是只有豎直方向的約束力和約束力偶；當(dāng)主動力只是力偶時，約束力也只有力偶，因為力偶只能用力偶來平衡。

圖6 懸臂梁受力分析實例

2 對物體系統(tǒng)進(jìn)行受力分析時要點

2.1 分清系統(tǒng)內(nèi)力和外力

系統(tǒng)內(nèi)力是系統(tǒng)內(nèi)部各物體之間的相互作用力，而外力是系統(tǒng)所受的外界物體給它的力。在畫物體系統(tǒng)的受力圖時，應(yīng)把系統(tǒng)內(nèi)部物體看成一個固接在一起的整體，只畫它們所受的外力而不能畫出它們內(nèi)部構(gòu)件之間的相互作用力[2]。比如，在圖7的錯誤受力圖中，球和曲桿作為整體應(yīng)只在A、B兩處受到外界的約束力，至于球和桿之間的相互作用力應(yīng)屬于系統(tǒng)內(nèi)力，所以不應(yīng)畫出。

圖7 物系受力分析實例一

2.2 查找系統(tǒng)中的二力構(gòu)件

在分析物系的受力時，要首先查找其中的二力構(gòu)件，由于二力構(gòu)件所受二力必定沿著兩個受力點的連線方向形成一對平衡力，或者使構(gòu)件受壓，或者使構(gòu)件受拉。所以查找二力構(gòu)件有助于分析系統(tǒng)受力。比如，在圖8中BC半拱應(yīng)為二力構(gòu)件，而且在主動力作用下BC半拱應(yīng)該是受壓的，其所受二力FB和FC應(yīng)沿B、C兩個受力點的連線方向形成一對壓力，因此無論整體還是單個BC半拱，它們所受的約束力FB的方向都是B、C兩點的連線方向而不能為其他方向。

圖8 物系受力分析實例二

2.3 正確表示系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)件之間的相互作用力

在系統(tǒng)內(nèi)兩相連構(gòu)件之間，當(dāng)作用力的方向一旦確定，反作用力的方向也就隨即確定，它們應(yīng)等值、反向、共線，且用相同的符號表示，用右上角加一撇區(qū)別[2]。比如，在圖8中右半拱BC在C點受的左半拱AC對它的力FC的方向確定了，則它對AC半拱的反作用力FC′的方向也就確定了，它們等值、反向、共線，應(yīng)用相同的符號表示，用右上角加一撇區(qū)別。

2.4 系統(tǒng)和單個物體在同一點的受力要一致

在同一物系中，無論是單個構(gòu)件還是若干個構(gòu)件的組合，它們在同一點所受的外力應(yīng)該是一致的。比如，在圖8中半拱AC在A鉸鏈處的受力FA和整體在A鉸鏈處的受力FA應(yīng)該保持一致；半拱BC在C鉸鏈處的受力FC和整體在C鉸鏈處的受力FC也應(yīng)該保持一致。

3 結(jié)束語

綜上所述，對構(gòu)件進(jìn)行受力分析時要做到：

（1）搞清研究對象，分清施力體和受力體，明確研究對象受到那些主動力和周圍那些約束的約束力作用；

（2）掌握各種約束的約束力特點，在研究對象的分離體圖上解除約束的地方代之以相應(yīng)的約束力；

（3）熟練應(yīng)用二力平衡定理、三力平衡匯交定理、相互作用力定理等力的基本性質(zhì)來判斷約束力的方向；

（4）養(yǎng)成實事求是、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的習(xí)慣，不要憑空想象畫出不存在的力，也不要粗心大意漏掉該畫的力。

[1]劉英衛(wèi)．工程力學(xué)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2010．

[2]史藝農(nóng)．工程力學(xué)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006．

圖3 下料口密封控制系統(tǒng)流程圖

表2 7#轉(zhuǎn)爐氮月消耗氮?dú)饬?/p>

3 結(jié)論

在原氮?dú)饷芊獾幕A(chǔ)上增加雙層翻板的組合方式密封，同時用PLC優(yōu)化控制下料過程。在保證密封安全有效的前提下提高煤氣回收，同時降低氮?dú)?、壓縮空氣的消耗量。目前該方案正在冶煉車間實施中，如達(dá)到預(yù)期的效果將在柳鋼轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王彥杰，楊之俊，高衛(wèi)剛，等.邯鋼100t轉(zhuǎn)爐提高煤氣回收效率研究與實踐[J].中國冶金，2009，19（6）：36-39.

[2]趙顯久，馮黎明，程申濤，等.寶鋼股份煉鋼廠300t轉(zhuǎn)爐工序能耗分析[J].上海金屬，2011，33（5）：57-59.

[3]王愛華，蔡九菊，酈秀萍，等.轉(zhuǎn)爐煤氣回收的影響因素及改善措施[C]//中國金屬學(xué)會.2005中國鋼鐵年會論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2005:580-584.

[4]畢小保.轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動化散裝料系統(tǒng)的限位改造[J].冶金動力，2002（1）：49-50.

[5]李偉明，張志綱，肖曉.轉(zhuǎn)爐煉鋼煤氣回收利用自動控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2012（3）：58-60.

Abstract：The improvement method of feed opening seal on feed system of converter in Liuzhou iron&steel was introduced.For the original feed opening sealing way of feeding system was deficiency，using nitrogen gas and double flap valve combination sealing with PLC interlock controlled the blanking process，its advantage was:good sealing，reducing the waste of nitrogen，reducing cost，improving the gas recovery.

Key words：nitrogen seal；flap valve；PLC；gas recovery

Problems Should be Paid Attention to When Drawing Component

ZHOU Yan-fang
（Changzhi Vocational and Technical College，Changzhi Shanxi 046011，China）

The correct analysis of the stress of the components and making the correct force diagrams of the components are the bases of solving the problem of static equilibrium in mechanical engineering，they are also the bases of design and calculation of the components.In this paper，some problems which should be paid attention to in the analysis of the stress of the component and making the force diagram of the component as well as some mistakes often made by the common people are summarized，it is easy for beginners to learn more effective and master the analysis of the components.

force analysis；force diagram；binding force

The Optimal Design on Feed Opening Seal Feed System of Converter

HUANG Guang-yong1，XIE Guo-jin1，HUANG Jiu-jun2
（1.School of Mechanical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545006，China；2.Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Company Limited，Liuzhou Guangxi 45002，China）

TB12

A

1672-545X（2016）11-0042-04

2016-08-21

周艷芳（1978-），女，山西沁水人，講師，碩士學(xué)位，研究方向為機(jī)械設(shè)計及自動化。