管狀帶式輸送機廊身失穩(wěn)改造

【摘要】本文介紹了管狀帶式輸送機的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了圓管帶式輸送機平行弦桁架梁所承受的載荷和各桿件的受力情況，以及鋼結構設計中多層連續(xù)鋼結構的溫度補償，對發(fā)生失穩(wěn)的管帶機桁架進行了改造。

【關鍵詞】管狀帶輸送機；桁架梁；穩(wěn)定性；溫度補償；焊接

一、概況

管狀帶式輸送機是由日本普利司通TPE公司于1964年提出，經(jīng)過十余年的研究和試驗，七十年代末進入實際應用。與普通皮帶機相比，其具有密閉輸送物料、輸送機可沿空間曲線布置、實現(xiàn)大傾角輸送、中間輸送段寬度小等特點。秦皇島港二十萬噸礦石泊位的裝車線于2006年建成并投產(chǎn)使用，裝車線的BG2皮帶機就是管狀帶式輸送機，由中國華電公司設計制造，單程總長2200米，運量3000噸/小時，最小轉彎半徑302米。2013年在檢查中發(fā)現(xiàn)BG2管帶機GJ-32廊身2/3位置，上弦角鋼接頭處嚴重扭曲變形，下弦角鋼下?lián)?51毫米，安全隱患嚴重。為此，對管帶機桁架受力進行了分析。

二、鋼結構失穩(wěn)失效

大跨度桁架結構是管狀帶式輸送機的重要組成部分，BG2管帶機機身與托輥支撐端盤組成框架結構。

1、BG2管帶機桁架梁受力分析及強度校核

1.1桁架梁載荷內(nèi)力計算

BG2管帶機為常用的平行桁架梁結構，其載荷組合主要包含：自重載荷、輸送帶載荷、物料載荷、托輥窗載荷和風載荷等。桁架梁為對稱結構，載荷為對稱載荷，弦桿內(nèi)力由兩端向中間遞增?，F(xiàn)場變形部位接近最危險的中間弦桿，且為弦桿拼接處。因此，運用截面法來計算：

桁架梁跨度24m，桁架梁高度1850mm，窗體間距為a=1500mm，所受載荷：自重10KN/m，雪載荷800N/m，風載荷900N/M。最危險弦桿軸力為：

N=-299KN

摩擦載荷Qf：輸送帶正常工作時，與托輥接觸產(chǎn)生摩擦載荷，在此載荷下托輥產(chǎn)生轉動，此摩擦載荷只有很少部分作用于托輥窗體，可忽略不計。

1.2強度校核

當水平布置無彎曲桁架梁只受垂直方向載荷時，桁架梁上弦桿受壓，為壓桿；桁架梁下弦桿受拉，為拉桿；若桁架梁在水平方向還受風載荷時，上下弦桿受兩個方向載荷，其強度條件如下：

1.3剛度校核

桁架是彈性系統(tǒng)，受載后將產(chǎn)生撓曲變形，其變形由自重載荷和作用在桁架上的其他載荷共同引起。沒有預加拱度的桁架，要按全部作用載荷計算撓度，有預拱度的桁架，自重產(chǎn)生的撓度已在預拱中考慮，只需計算其他載荷對桁架產(chǎn)生的靜撓度（不計動力系數(shù)）。

等截面弦桿的簡支桁架

式中：q——均布載荷；

L——桁架跨度；

；

I——桁架上、下弦桿毛截面積對重心的慣性矩；

1.2——考慮腹桿變形的影響系數(shù)；

2.結構設計分析

2.1依據(jù)圖紙對現(xiàn)場進行了檢查，發(fā)現(xiàn)在BG2管帶機廊身設計中設置了伸縮縫，但附屬結構包括走臺角鋼和欄桿是連續(xù)焊接，未設置伸縮縫，在季節(jié)溫度變化作用下，其結合部位出現(xiàn)扭曲變形，導致走臺格柵板墜落。另外，由于支腿立柱頂部與廊身棧橋接觸摩擦力的存在，導致實際荷載超過了材料的許用應力，造成結構失穩(wěn)破壞。這種溫度變化產(chǎn)生的荷載作用在支腿立柱頂部對支腿產(chǎn)生一定的彎矩，柔性支腿將變形傳遞、疊加，在剛性支腿處變形最大，并產(chǎn)生較大的溫度附加荷載。

鋼結構設計手冊中規(guī)定：當露天結構的溫度區(qū)段長度（伸縮縫間距）不大于120m時，一般不考慮溫度應力及變形的影響，反之，要考慮對金屬結構造成的不利影響（跨度方向）。BG2管帶機為露天金屬結構，桁架梁單跨跨度在30米左右，每相鄰兩段桁架梁應為斷開形式，設計時應在梁端和立柱連接部分設置10-40mm的長孔間隙（沿梁長方向）以利桁架變形伸縮。另外，圓管帶式輸送機立柱部分設計時，大約120米左右要考慮采用布置兩個雙支柱的斷開，以減少由于氣候溫度變化對鋼結構部分產(chǎn)生的溫度載荷。

通過以上的分析計算，結構扭曲變形和破壞出現(xiàn)在剛性支兩側，溫度變化應該是破壞的主要原因。

2.2鋼結構連接設計不合理；

在檢查中發(fā)現(xiàn)變形的弦桿角鋼為單側焊接加固板連接，此結構已被證實應力集中系數(shù)較高，應采用對接焊縫。當桁架的跨度較大時，弦桿就需要拼接，普通桁架弦桿的拼接位置可設置在節(jié)點上，也可設置在節(jié)間內(nèi)，后者構造簡單，接頭宜設置在距節(jié)點約1/6處（為節(jié)間長），該處由弦桿自重產(chǎn)生的彎矩接近于零，只需按軸向力計算拼接。弦桿的拼接應離開受力大的跨中央至少1～2個節(jié)距。弦桿的焊接拼接宜用帶坡口的直縫對接和等強度的斜縫對接。如有困難時也可用拼接板來加強直縫對接，但不允許只用拼接板來連接，這種構造應力集中過大。角鋼宜用斜置的拼接板加強而不用拼接角鋼。

2.3設計強度不足。

BG2管帶機GJ-32廊身跨度25米，上下弦角鋼采用L100×100×8規(guī)格，與之相鄰的GJ-32廊身跨度28米，上下弦角鋼采用L140×140×12規(guī)格。在強度校核時按角鋼100×100計算，接近于材料許應力而采用140×140角鋼時，計算值為117MPa符合工程設計實際需要。

由于以上原因?qū)е略诮Y構薄弱部位產(chǎn)生了失穩(wěn)破壞，皮帶機運行中系統(tǒng)振動以及部分聯(lián)接件銹蝕，對結構的疲勞壽命的影響也不容忽視。

三、改造方案

1、連續(xù)鋼結構斷開，留伸縮縫：

需要在構造上保證結構的溫度變形不要受到約束。大跨空間結構對溫度敏感，溫度作用的影響簡單計算：

對跨度為L桁架，溫度升高或降低T℃，其變形為

δ=aLT，

a=1.2×10-5（Q235鋼材的線膨脹系數(shù)）。

以廊身GJ-32長度25.5米計算，秦皇島歷年最大溫差（℃）：

δ=aLT=1.2×10-5×25.5×55=17（mm）

每30米跨度留20mm的伸縮縫，將走臺支撐角鋼斷開改為螺栓長孔連接，扶手欄桿斷開留40mm伸縮縫。剛性支腿與廊身連接處單側改為長孔，增加低摩擦系數(shù)墊板。同時去除支腿與其中一側廊身的連接螺栓，將其連接孔改為原孔徑×40mm的長孔。同樣方法處理同一個支腿立柱上的另一側廊身連接處。

2、更換變形的上弦角鋼，采用L140×140×10角鋼。新舊角鋼接頭處斜角過度和斜度為1：5，對接處開單邊60°坡口，焊縫采用雙側加固板，焊縫打磨后加蓋兩側加固板焊接，超聲波探傷UT100%。

四、總結

通過以上的改造，明顯減少了溫度變化對鋼結構的失穩(wěn)破壞，同時優(yōu)化了管帶機的桁架鋼結構，保證了設備的安全有效運行。

參考文獻

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