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摘 要：结构设计是我们设计人员必然遇到的问题，本文作者在给一家日本企业研制专用设备的过程中遇到了一些问题，经研究，设备所需切断力（P）与摩擦力（F）的关系应满足F>P。但实际恰恰相反。所以，最终以改变结构设计的途径，解决了问题，取得了较好的效果。
关键词：专用设备；摩擦力；剪切力；切向力；结构设计
The Cognition of Tangential Force and Practices of Countermeasure the Force
Li Tie
(Tianjin Flying Star Science and Technology Developing Co. Ltd)
Abstract: Structural design is a problem that our designers have to face. The author of this book encountered some problems during the process of researching and development special equipment for a Japanese Enterprise. After researching, he found that the relationship between the shear force (P) and the frictional force (F) should satisfy F>P for the equipment. However, the actual result is completely contrary. To solve the problem, he had to change the structural design to get a better result.
Key Word: special equipment, frictional force (F), shear force (P), tangential force, structural design
0. 引言
日本HYTEM（星海泰）公司，是一家生产自动化养鸡设备的公司，在中国建厂于天津市北辰区，在与我企业的合作过程中，建立了良好的信任关系，在生产鸡舍网片的过程中，他们需要一些专用设备，其中之一是网孔切口机。他们原有的设备只能加工单一品种单网片切口，由于品种增加和提高工作效率的需要，委托我们研制同时切五片，且可调的（满足多品种加工需要）网孔切口机。
1. 原设备结构及原理：
1.1原设备结构：
原设备（见图1）由这样几部分构成：1、机架，2、床身，3、动力源部件，4、导轨柱（两根），5、凸轮，6、可调动力臂，7、切刀动块，8、下刀口定块，9、废料通道，10、电控箱及脚踏开关。
1.2 工作原理：
当通电后，电机、减速机转动，动力输出轴带动凸轮旋转。由于凸轮是椭圆形的，因而推动动力臂作10㎜的往复运动，而动力臂与切刀动块栓锁为一体，所以切刀同样作往复运动。下刀口与定块栓锁为一体，下刀口定块与床身亦栓锁为一体，固定不动，从而上切刀与刀口作动剪切往复运动，将网孔需切断的部分切断，完成所需操作。（见图1）
2. 研制中遇到的问题：
由于日本公司生产的需要，时间要求很紧，于是我们在设计中，对原设备的主要机器结构没作大变动，只是结合多片加工的特点及我企业的优势作了部分制件的重新设计。
当试装运行时问题发生了。首先我们装上一片网，切断能够完成。两片时就感觉不对，再多干脆就不能切了。螺栓连接的下刀口与下刀口定块之间、定块与床身之间、可调动力臂与联接块之间（见图2）螺栓锁紧部位均发生了不同程度的滑动位移。
经分析，动力没有问题，这就意味着，上述产生滑动位移部位的摩擦力小于切断功能所需要的切断力，所以产生滑动。而这些界面又恰恰是切向的，我们必须认真对待。
3. 分析问题及改变结构解决问题
面对测试运行过程中发现的问题，我们立即进行了仔细的分析计算。我们知道：机器切丝过程中的摩擦力与切刀切断钢丝的需用力大小相等方向相反，如用"F"表示摩擦力,"P"代表剪切力，则需要F>P，方能成功切断网丝，当F 摩擦力F=摩擦系数f€渍沽
当时我们看到滑动位移现象时，还曾产生过误解，特别是锁紧联接块与可调动力臂的部位，我们怀疑是不是因为螺栓与可调动力臂之间接触的面积太小，才造成两者间的滑动位移，为此我们曾用了8㎜厚、60㎜€?0㎜的扁钢作为垫铁零件以助加大摩擦力。实际上，没有意义。从上述公式可看出摩擦力大小只与摩擦系数和正压力有关，而与摩擦面积没有任何关系。这样，我们可分别计算三处产生滑动位移的摩擦力大小，找出问题的症结。而靠螺栓压紧结构增加摩擦力，其正压力来自于螺栓锁紧产生的压力。这样，我们分析计算的结果如下：
3.1动力臂与连接块之间（见图2）
由公式可得动力臂与联接块之间经两个M12螺栓紧固后，其正压力N1=3.14€着ぞ貈髀菥啵ぞ?扭力€茁菸浦本丁?
已有数据可知，扭力约1500㎏，螺纹直径M12，螺距1.75mm，统一量纲后代入公式可计算出正压力(N1)为32297.14㎏，又因钢与钢摩擦系数为0.15（机械设计手册可查得），代入如上计算摩擦力公式可得摩擦力为4844.57㎏。由于我们使用了两个M12螺栓，故摩擦力F1约为9689㎏。
3.2定块与床身之间（见图2）
与上述同理，定块与床身之间经两个M10螺栓双侧紧固后，其正压力N2=3.14€着ぞ貈髀菥啵ぞ?扭力€茁菸浦本丁Ｓ捎谖颐撬嗍褂酶髁礁鯩10螺栓锁紧，螺距为1.5㎜，扭力约1100㎏。统一量纲后代入公式可计算出正压力（N2）为23026.67㎏，又因钢与钢摩擦系数为0.15（机械设计手册可查得），代入计算摩擦力公式可得摩擦力为3454㎏。 因此我们计算出定块与床身之间摩擦力数值约为13816㎏。 3.3下刀口与定块之间（见图2）
下刀口为两块，每块下刀口与定块之间由三个M8沉头螺栓紧固，那么，其单个螺栓所产生的正压力为N3=3.14€着ぞ貈髀菥啵ぞ?扭力€茁菸浦本丁Ｒ延惺菘芍狹8螺栓其螺距为1.25㎜，所施加的扭力为900㎏，计算后得到摩擦力约为8139㎏。
日本HYTEM（星海泰）公司，要求我们制作双向各切五段碳钢丝的切口设备，而两片网就产生8个直径为2㎜的钢丝切断面，其面积为:A=∏R2€?=3.14€?2€?=25.12㎜2 =0.2512㎝2 。
据材料力学原理，切断条件须剪切力Q大于剪切应力€%m乘以剪切面积A，在剪切过程中，
因为€%m=G（剪切模数）€讇%(剪应变)，剪切即将发生的临界状态时（即€%yx=lim △x/y），剪
y→0
应力€%m就等于"弹剪模数G"，而G我们可从机械设计手册中查出。碳钢的弹剪模数G=8.1€?05㎏/㎝2，带入公式可得切2片网所需剪切力为：
Q>€%m€譇
即 Q>8.1€?05€?.2512
>2.035€?05㎏
当然，计算出的这一剪切力是静力指标，而实际上，我们的上刀动块及动力臂是在运动状态下剪切钢丝的，无需如此大的力，但在剪切过程中无论如何上述三处切向摩擦力也约束不了三个位置的滑动位移。三处摩擦力相较，最小摩擦力的界面为最易产生滑动位移的部位。而对于机器剪切网丝的过程中，任何一处滑动位移都是绝对不允许的。
4.改变结构适应设备功能要求
经过分析研究，得出如下结论：要实现客户的要求，必须改变设备结构，为此，我们针对产生问题的三个位置作了如下的结构更改。
4.1动力臂与联接块之间我们增加了一块挡铁，这样使动力臂与动块之间结为一体，绝无相对运动可能（见图2）。
4.2定块与床身之间，我们在调整槽后端嵌入抵住后部螺栓10€?€譒的键料，使其二者之间无相对运动（见图2）。
4.3在两块下刀口后外侧加装了两块挡板，这样也就有效的避免了下刀口向侧后方的位移（见图2）。
5.结束语
如此改动后，我们成功地完成了日本公司的要求，设备运行取得了满意的效果。本次设计实践，使得我们对切向力、如何利用摩擦力有了较为深入的认识。如果，仅在如何加大摩擦力来克服滑动位移的问题上作文章，只会走入死胡同，使问题得不到根本解决，对这样的问题只有换角度思考，改变结构方能根本解决问题。
参考文献：
[1]《机械设计手册》联合编写组，机械设计手册，燃料化学出版社，1973.1
[2] 徐正坤主编，范建蓓副主编，翁其金主审 冲压模具设计与制造。化学工业出版社，2003.8
[3] 王永岩主编 工程力学。科学出版社，2010.1
[4] 胡传炘，刘建萍 热力加工手册。北京工业大学出版社，2002.9
[5] 史美堂主编 金属材料及热处理。上海科学技术出版社，1982.2
[6] 南昌航空工业学校编 冷冲压工艺学。机械工业出版社，1959.9
[7] 罗曼诺夫斯基，冷压手册。机械工业出版社，1959.4
作者简介：李铁（1955-），男，大学本科，从事重氮类复印机（晒图机）及专用设备研制开发工作。
关键词：专用设备；摩擦力；剪切力；切向力；结构设计
The Cognition of Tangential Force and Practices of Countermeasure the Force
Li Tie
(Tianjin Flying Star Science and Technology Developing Co. Ltd)
Abstract: Structural design is a problem that our designers have to face. The author of this book encountered some problems during the process of researching and development special equipment for a Japanese Enterprise. After researching, he found that the relationship between the shear force (P) and the frictional force (F) should satisfy F>P for the equipment. However, the actual result is completely contrary. To solve the problem, he had to change the structural design to get a better result.
Key Word: special equipment, frictional force (F), shear force (P), tangential force, structural design
0. 引言
日本HYTEM（星海泰）公司，是一家生产自动化养鸡设备的公司，在中国建厂于天津市北辰区，在与我企业的合作过程中，建立了良好的信任关系，在生产鸡舍网片的过程中，他们需要一些专用设备，其中之一是网孔切口机。他们原有的设备只能加工单一品种单网片切口，由于品种增加和提高工作效率的需要，委托我们研制同时切五片，且可调的（满足多品种加工需要）网孔切口机。
1. 原设备结构及原理：
1.1原设备结构：
原设备（见图1）由这样几部分构成：1、机架，2、床身，3、动力源部件，4、导轨柱（两根），5、凸轮，6、可调动力臂，7、切刀动块，8、下刀口定块，9、废料通道，10、电控箱及脚踏开关。
1.2 工作原理：
当通电后，电机、减速机转动，动力输出轴带动凸轮旋转。由于凸轮是椭圆形的，因而推动动力臂作10㎜的往复运动，而动力臂与切刀动块栓锁为一体，所以切刀同样作往复运动。下刀口与定块栓锁为一体，下刀口定块与床身亦栓锁为一体，固定不动，从而上切刀与刀口作动剪切往复运动，将网孔需切断的部分切断，完成所需操作。（见图1）
2. 研制中遇到的问题：
由于日本公司生产的需要，时间要求很紧，于是我们在设计中，对原设备的主要机器结构没作大变动，只是结合多片加工的特点及我企业的优势作了部分制件的重新设计。
当试装运行时问题发生了。首先我们装上一片网，切断能够完成。两片时就感觉不对，再多干脆就不能切了。螺栓连接的下刀口与下刀口定块之间、定块与床身之间、可调动力臂与联接块之间（见图2）螺栓锁紧部位均发生了不同程度的滑动位移。
经分析，动力没有问题，这就意味着，上述产生滑动位移部位的摩擦力小于切断功能所需要的切断力，所以产生滑动。而这些界面又恰恰是切向的，我们必须认真对待。
3. 分析问题及改变结构解决问题
面对测试运行过程中发现的问题，我们立即进行了仔细的分析计算。我们知道：机器切丝过程中的摩擦力与切刀切断钢丝的需用力大小相等方向相反，如用"F"表示摩擦力,"P"代表剪切力，则需要F>P，方能成功切断网丝，当F
当时我们看到滑动位移现象时，还曾产生过误解，特别是锁紧联接块与可调动力臂的部位，我们怀疑是不是因为螺栓与可调动力臂之间接触的面积太小，才造成两者间的滑动位移，为此我们曾用了8㎜厚、60㎜€?0㎜的扁钢作为垫铁零件以助加大摩擦力。实际上，没有意义。从上述公式可看出摩擦力大小只与摩擦系数和正压力有关，而与摩擦面积没有任何关系。这样，我们可分别计算三处产生滑动位移的摩擦力大小，找出问题的症结。而靠螺栓压紧结构增加摩擦力，其正压力来自于螺栓锁紧产生的压力。这样，我们分析计算的结果如下：
3.1动力臂与连接块之间（见图2）
由公式可得动力臂与联接块之间经两个M12螺栓紧固后，其正压力N1=3.14€着ぞ貈髀菥啵ぞ?扭力€茁菸浦本丁?
已有数据可知，扭力约1500㎏，螺纹直径M12，螺距1.75mm，统一量纲后代入公式可计算出正压力(N1)为32297.14㎏，又因钢与钢摩擦系数为0.15（机械设计手册可查得），代入如上计算摩擦力公式可得摩擦力为4844.57㎏。由于我们使用了两个M12螺栓，故摩擦力F1约为9689㎏。
3.2定块与床身之间（见图2）
与上述同理，定块与床身之间经两个M10螺栓双侧紧固后，其正压力N2=3.14€着ぞ貈髀菥啵ぞ?扭力€茁菸浦本丁Ｓ捎谖颐撬嗍褂酶髁礁鯩10螺栓锁紧，螺距为1.5㎜，扭力约1100㎏。统一量纲后代入公式可计算出正压力（N2）为23026.67㎏，又因钢与钢摩擦系数为0.15（机械设计手册可查得），代入计算摩擦力公式可得摩擦力为3454㎏。 因此我们计算出定块与床身之间摩擦力数值约为13816㎏。 3.3下刀口与定块之间（见图2）
下刀口为两块，每块下刀口与定块之间由三个M8沉头螺栓紧固，那么，其单个螺栓所产生的正压力为N3=3.14€着ぞ貈髀菥啵ぞ?扭力€茁菸浦本丁Ｒ延惺菘芍狹8螺栓其螺距为1.25㎜，所施加的扭力为900㎏，计算后得到摩擦力约为8139㎏。
日本HYTEM（星海泰）公司，要求我们制作双向各切五段碳钢丝的切口设备，而两片网就产生8个直径为2㎜的钢丝切断面，其面积为:A=∏R2€?=3.14€?2€?=25.12㎜2 =0.2512㎝2 。
据材料力学原理，切断条件须剪切力Q大于剪切应力€%m乘以剪切面积A，在剪切过程中，
因为€%m=G（剪切模数）€讇%(剪应变)，剪切即将发生的临界状态时（即€%yx=lim △x/y），剪
y→0
应力€%m就等于"弹剪模数G"，而G我们可从机械设计手册中查出。碳钢的弹剪模数G=8.1€?05㎏/㎝2，带入公式可得切2片网所需剪切力为：
Q>€%m€譇
即 Q>8.1€?05€?.2512
>2.035€?05㎏
当然，计算出的这一剪切力是静力指标，而实际上，我们的上刀动块及动力臂是在运动状态下剪切钢丝的，无需如此大的力，但在剪切过程中无论如何上述三处切向摩擦力也约束不了三个位置的滑动位移。三处摩擦力相较，最小摩擦力的界面为最易产生滑动位移的部位。而对于机器剪切网丝的过程中，任何一处滑动位移都是绝对不允许的。
4.改变结构适应设备功能要求
经过分析研究，得出如下结论：要实现客户的要求，必须改变设备结构，为此，我们针对产生问题的三个位置作了如下的结构更改。
4.1动力臂与联接块之间我们增加了一块挡铁，这样使动力臂与动块之间结为一体，绝无相对运动可能（见图2）。
4.2定块与床身之间，我们在调整槽后端嵌入抵住后部螺栓10€?€譒的键料，使其二者之间无相对运动（见图2）。
4.3在两块下刀口后外侧加装了两块挡板，这样也就有效的避免了下刀口向侧后方的位移（见图2）。
5.结束语
如此改动后，我们成功地完成了日本公司的要求，设备运行取得了满意的效果。本次设计实践，使得我们对切向力、如何利用摩擦力有了较为深入的认识。如果，仅在如何加大摩擦力来克服滑动位移的问题上作文章，只会走入死胡同，使问题得不到根本解决，对这样的问题只有换角度思考，改变结构方能根本解决问题。
参考文献：
[1]《机械设计手册》联合编写组，机械设计手册，燃料化学出版社，1973.1
[2] 徐正坤主编，范建蓓副主编，翁其金主审 冲压模具设计与制造。化学工业出版社，2003.8
[3] 王永岩主编 工程力学。科学出版社，2010.1
[4] 胡传炘，刘建萍 热力加工手册。北京工业大学出版社，2002.9
[5] 史美堂主编 金属材料及热处理。上海科学技术出版社，1982.2
[6] 南昌航空工业学校编 冷冲压工艺学。机械工业出版社，1959.9
[7] 罗曼诺夫斯基，冷压手册。机械工业出版社，1959.4
作者简介：李铁（1955-），男，大学本科，从事重氮类复印机（晒图机）及专用设备研制开发工作。