支架的強度設計

宋寧霞

1.概述

一般閥門都是由執行機構來驅動的，那么將閥門和執行機構連接起來的支架顯得尤為重要。在設計支架時，不僅要考慮連接問題，更重要的是支架的強度設計。

2.支架的強度設計

2.1設計理論依據

馮米斯應力即第四強度理論應力，通常用來描述聯合作用的復雜應力狀態，它是一種等效應力，融合了彎曲應力、拉伸應力和綜合剪切應力等應力，其中綜合剪切應力與直接剪切應力和扭轉剪切應力相關。

2.2設計公式

支架的設計應該考慮到氣缸與閥門所有可能的安裝方向。本文以Z方向為重力加速度方向為例，分析支架的受力情況。如圖1所示，氣缸對支架產生了懸臂載荷，同時還施加了驅動閥門的操作扭矩。為了簡化計算，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建立的坐標系下，支架所受的力及力矩計算公式如下：

Z軸受力 （4）

b點對X-X 軸的彎矩 （6）

b點對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

典型的支架結構如圖2所示，實際的支架形狀可能與之存在差別，但是這不會影響到計算公式及結果的準確性。

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.典型支架結構

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一個T形截面來計算的，所以支架的截面積和慣性矩應加倍。

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

彎曲應力 （19）

拉伸應力 （20）

扭轉剪切應力 （23）

馮米斯應力 （25）

允許的拉伸應力 （26）

式中 ---材料屈服強度極限

安全系數 margin of safety= >1.3 （27）

一般來說，當安全系數大于1.3時，我們認為支架的設計滿足強度要求。

3.結語

在進行閥門與氣缸連接支架的設計時，應充分理解所使用公式的適用條件和要求，按照實際情況進行計算校核。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計扭矩。但如果認為使用該扭矩過于保守，則可使用閥門的最大操作扭矩作為設計扭矩。設計時應根據實際需求來制定安全系數，平衡好支架強度與成本之間的關系。

參考文獻：

[1] David Bayreuther美卓內部標準EDS-24

[2]劉鴻文《材料力學I》