绘构件受力图时应注意的问题

周艳芳

（长治职业技术学院，山西长治046011）

绘构件受力图时应注意的问题

周艳芳

（长治职业技术学院，山西长治046011）

在工程机械中对构件进行正确的受力分析、作出其正确的受力图，是解决静力学平衡问题的基础，也是对构件进行设计计算的基础。对在分析构件受力和绘构件受力图时应注意的一些问题及一些常犯的错误作了总结，便于初学者地学习和掌握对构件的受力分析。

受力分析；受力图；约束力

受力分析就是对要研究的构件的受力情况进行分析，分析该构件受到哪些主动力和周围环境中哪些约束的作用，每个力的作用位置和方向如何[1]。正确的受力分析是画构件受力图的前提，受力分析清楚后，把所研究的构件从周围环境中分离出来，也就是保持构件的形状和位置状态不变画出构件的分离体图，然后在分离体图上的正确受力点画上该构件所受的全部主动力和约束力（注意每画一个力都要标上该力的符号名称），这样所作出的表示构件受力情况的图形就是构件的受力图[1]。对构件进行正确的受力分析并作出其正确的受力图是求解静力学平衡问题和对构件进行设计计算的基础，所以一定要思路清晰、严谨认真。

1 对单个构件进行受力分析时要点

1.1 分清施力体和受力体

作构件受力图时要在构件的分离体图上画出该构件作为受力体所受的外界物体给它的力，切不可把该构件施加给其他物体的力画到该构件的受力图上。比如，在图1的错误受力图中，大球所受的两处约束力N1和N2指向错误，它们应分别是墙壁和小球对大球的光滑面约束力，应指向大球，而不能把大球对墙壁和小球的力画到大球的受力图上；同理，小球所受的力N3、N4、N2′也应该是指向小球的。

图1 单个物体受力分析实例一

1.2 熟记柔体约束和光滑面约束的约束力性质

画约束力时要在解除约束的地方按约束的约束力性质画出相应的约束力，必须熟记：

（1）柔体约束力总是沿柔体中心线方向背离物体，柔体约束只能对受力体产生拉力作用；

（2）光滑面约束的约束力总是沿接触面或接触点的公法线方向指向物体，即光滑面约束的约束力只能压或支撑物体而不可能拉物体。

比如，在图2杆的错误受力图中，柔体约束力的方向错误、两处光滑面约束力的方向也错误。因为绳子不能压物体，而平面和物体接触点的公法线应过这一点垂直于该平面，所以，绳子对杆的拉力T应该是沿绳子方向背离杆的，水平面对杆的约束力N1应该过接触点垂直于水平面指向杆。竖直墙壁对杆的约束力N2应该过接触点垂直于竖直墙壁水平向左指向杆。

图2 单个物体受力分析实例二

在图3的错误受力图中，球在A点所受的约束力NA方向错误，因为球面上A点的法线应过A点和球心的连线方向，而棱角上A点的法线有无数条，所以接触点的公共法线方向即接触点和球心的连线方向，因此，棱角对球的光滑面约束力NA应过接触点A且沿接触点和球心的连线方向指向球。

图3 单个物体受力分析实例三

1.3 掌握铰链约束力的表示方法

（1）活动铰链的约束力过铰链中心且垂直于活动铰链的支持面，指向视具体情况而定；

（2）中间铰链和固定铰链的约束力可根据构件具体受力情况而定：当铰链约束连接的是二力构件时可根据二力平衡定理来确定铰链约束力的具体方向；当铰链约束连接的是三力构件时可根据三力平衡汇交定理来确定铰链约束力的具体方向；由于中间铰链和固定铰链都限制了被连接构件的平面移动而不限制其转动，所以当这两种铰链连接的构件受力比较复杂时，这两种铰链的约束力可用过铰链中心的两正交分力表示，且两正交分力的方向可自行假设。

比如，在图4杆的错误受力图中，活动铰链B对杆的约束力方向没有垂直于活动铰链的支持面，固定铰链A的约束力方向也不能随意画为垂直于杆的方向。因为三个力形成平面平衡力系，主动力使杆绕A点顺时针转动，所以B铰链的约束力应使杆绕A点逆时针转动，因此，杆所受的活动铰链B的约束力FB应过铰链中心且垂直于活动铰链的支持面（即垂直于竖直面）水平向左指向杆。固定铰链A对杆的约束力可以用两个正交分力FAx、FAy表示，也可以利用三力平衡汇交定理确定FA的具体指向，在应用三力平衡汇交定理时，先由主动力和B处约束力的方向确定汇交点的位置，然后再连接A点和汇交点作出A点约束力的作用线，最后再用力矩平衡确定A处约束力的指向。图中主动力对B点产生逆时针力矩，所以A点的约束力应对B点产生顺时针力矩，因此，A处的约束力沿A点和汇交点的连线且指向汇交点的方向作用在A点。

图4 单个物体受力分析实例四

又如，在图5的错误受力图中，AC、BC杆作为一个整体在A、B两处分别受固定铰链的约束力，但固定铰链的约束力方向不应该是竖直方向。因为A、B两铰链所连接的AC杆和BC杆都是受拉的二力杆，所以A、B两铰链的约束力FA和FB应分别沿两个杆的方向背离A、B两点形成拉力。

图5 吊架受力分析实例

1.4 正确表示固定端约束力

固定端约束力一般由三部分组成，即限制构件平面移动的两正交约束力和限制构件转动的一约束力偶，但由于约束力是由主动力引起的，所以也可根据构件的具体受载情况而确定固定端的约束力。比如在图6中，当主动力既有水平分力又有竖直分力时，固定端A处的约束力就既有水平约束力又有竖直约束力，而且还有约束力偶；当主动力只有竖直方向而没有水平方向时，约束力也没有水平方向，而是只有竖直方向的约束力和约束力偶；当主动力只是力偶时，约束力也只有力偶，因为力偶只能用力偶来平衡。

图6 悬臂梁受力分析实例

2 对物体系统进行受力分析时要点

2.1 分清系统内力和外力

系统内力是系统内部各物体之间的相互作用力，而外力是系统所受的外界物体给它的力。在画物体系统的受力图时，应把系统内部物体看成一个固接在一起的整体，只画它们所受的外力而不能画出它们内部构件之间的相互作用力[2]。比如，在图7的错误受力图中，球和曲杆作为整体应只在A、B两处受到外界的约束力，至于球和杆之间的相互作用力应属于系统内力，所以不应画出。

图7 物系受力分析实例一

2.2 查找系统中的二力构件

在分析物系的受力时，要首先查找其中的二力构件，由于二力构件所受二力必定沿着两个受力点的连线方向形成一对平衡力，或者使构件受压，或者使构件受拉。所以查找二力构件有助于分析系统受力。比如，在图8中BC半拱应为二力构件，而且在主动力作用下BC半拱应该是受压的，其所受二力FB和FC应沿B、C两个受力点的连线方向形成一对压力，因此无论整体还是单个BC半拱，它们所受的约束力FB的方向都是B、C两点的连线方向而不能为其他方向。

图8 物系受力分析实例二

2.3 正确表示系统内构件之间的相互作用力

在系统内两相连构件之间，当作用力的方向一旦确定，反作用力的方向也就随即确定，它们应等值、反向、共线，且用相同的符号表示，用右上角加一撇区别[2]。比如，在图8中右半拱BC在C点受的左半拱AC对它的力FC的方向确定了，则它对AC半拱的反作用力FC′的方向也就确定了，它们等值、反向、共线，应用相同的符号表示，用右上角加一撇区别。

2.4 系统和单个物体在同一点的受力要一致

在同一物系中，无论是单个构件还是若干个构件的组合，它们在同一点所受的外力应该是一致的。比如，在图8中半拱AC在A铰链处的受力FA和整体在A铰链处的受力FA应该保持一致；半拱BC在C铰链处的受力FC和整体在C铰链处的受力FC也应该保持一致。

3 结束语

综上所述，对构件进行受力分析时要做到：

（1）搞清研究对象，分清施力体和受力体，明确研究对象受到那些主动力和周围那些约束的约束力作用；

（2）掌握各种约束的约束力特点，在研究对象的分离体图上解除约束的地方代之以相应的约束力；

（3）熟练应用二力平衡定理、三力平衡汇交定理、相互作用力定理等力的基本性质来判断约束力的方向；

（4）养成实事求是、严谨认真的习惯，不要凭空想象画出不存在的力，也不要粗心大意漏掉该画的力。

[1]刘英卫．工程力学[M]．北京：北京理工大学出版社，2010．

[2]史艺农．工程力学[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2006．

图3 下料口密封控制系统流程图

表2 7#转炉氮月消耗氮气量

3 结论

在原氮气密封的基础上增加双层翻板的组合方式密封，同时用PLC优化控制下料过程。在保证密封安全有效的前提下提高煤气回收，同时降低氮气、压缩空气的消耗量。目前该方案正在冶炼车间实施中，如达到预期的效果将在柳钢转炉系统推广使用。

参考文献：

[1]王彦杰，杨之俊，高卫刚，等.邯钢100t转炉提高煤气回收效率研究与实践[J].中国冶金，2009，19（6）：36-39.

[2]赵显久，冯黎明，程申涛，等.宝钢股份炼钢厂300t转炉工序能耗分析[J].上海金属，2011，33（5）：57-59.

[3]王爱华，蔡九菊，郦秀萍，等.转炉煤气回收的影响因素及改善措施[C]//中国金属学会.2005中国钢铁年会论文集.北京：冶金工业出版社，2005:580-584.

[4]毕小保.转炉基础自动化散装料系统的限位改造[J].冶金动力，2002（1）：49-50.

[5]李伟明，张志纲，肖晓.转炉炼钢煤气回收利用自动控制系统的研究与应用[J].工业仪表与自动化装置，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

周艳芳（1978-），女，山西沁水人，讲师，硕士学位，研究方向为机械设计及自动化。