支架的强度设计

宋宁霞

1.概述

一般阀门都是由执行机构来驱动的，那么将阀门和执行机构连接起来的支架显得尤为重要。在设计支架时，不仅要考虑连接问题，更重要的是支架的强度设计。

2.支架的强度设计

2.1设计理论依据

冯米斯应力即第四强度理论应力，通常用来描述联合作用的复杂应力状态，它是一种等效应力，融合了弯曲应力、拉伸应力和综合剪切应力等应力，其中综合剪切应力与直接剪切应力和扭转剪切应力相关。

2.2设计公式

支架的设计应该考虑到气缸与阀门所有可能的安装方向。本文以Z方向为重力加速度方向为例，分析支架的受力情况。如图1所示，气缸对支架产生了悬臂载荷，同时还施加了驱动阀门的操作扭矩。为了简化计算，支架的重量算入在气缸的重量里并且作用在气缸的重心。

图1建立的坐标系下，支架所受的力及力矩计算公式如下：

Z轴受力 （4）

b点对X-X 轴的弯矩 （6）

b点对Y-Y 轴的弯矩 （9）

Z-Z轴的扭矩 （11）

式中Wt--- 气缸与支架的总重量，gx=0，gy=0

典型的支架结构如图2所示，实际的支架形状可能与之存在差别，但是这不会影响到计算公式及结果的准确性。

a-a 截面T形面积 （13）

T形截面的形心 （15）

图1.支架载荷分布图图2.典型支架结构

X轴惯性矩 （16）

Y轴惯性矩 （17）

以上截面积和惯性矩都是针对一个T形截面来计算的，所以支架的截面积和惯性矩应加倍。

支架的弯矩计算是把支架的两个T形截面看作是固定端悬臂梁。由于gx=0，gy=0，则直接剪切应力τx=0，τy=0，所以综合剪切应力τT等于扭转剪切应力τt 。

弯曲应力 （19）

拉伸应力 （20）

扭转剪切应力 （23）

冯米斯应力 （25）

允许的拉伸应力 （26）

式中 ---材料屈服强度极限

安全系数 margin of safety= >1.3 （27）

一般来说，当安全系数大于1.3时，我们认为支架的设计满足强度要求。

3.结语

在进行阀门与气缸连接支架的设计时，应充分理解所使用公式的适用条件和要求，按照实际情况进行计算校核。一般我们推荐使用阀杆所能承受的扭矩或气缸输出的最大扭矩两者之中较小的扭矩作为支架的设计扭矩。但如果认为使用该扭矩过于保守，则可使用阀门的最大操作扭矩作为设计扭矩。设计时应根据实际需求来制定安全系数，平衡好支架强度与成本之间的关系。

参考文献：

[1] David Bayreuther美卓内部标准EDS-24

[2]刘鸿文《材料力学I》