移動皮帶機桁架輕量化設(shè)計研究＊

王海瑞，薛子闖

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 鶴壁458030）

桁架即桁架梁，是格構(gòu)化的一種梁氏結(jié)構(gòu)。它由軸心受力構(gòu)件（拉桿和壓桿）組成的格構(gòu)式構(gòu)件，按截面形式分為平面桁架和空間桁架，平面桁架和空間桁架通過縱橫方向的可靠連接（如系桿、支撐或此桁架等）組成桁架結(jié)構(gòu)用以承受豎向荷載和跨越較大的空間。桁架結(jié)構(gòu)具有良好的支撐性能的同時，還應(yīng)追求輕量化、低成本。因此，在設(shè)計桁架時，需考慮桁架選材、桁架結(jié)構(gòu)及加工工藝[1]。

當(dāng)今世界市場競爭異常激烈，低成本就顯得尤為重要。桁架式臂架的強度問題和架式臂架的輕量化問題日益突出。本文主要是對美國史密斯公司（以下簡稱史密斯）和芬蘭美卓公司（以下簡稱美卓）的移動皮帶機桁架進行分析，通過對幾種移動皮帶機桁架從工藝、生產(chǎn)制造、裝配、調(diào)試、運行以及維護等進行全面的跟蹤和理論分析計算，結(jié)合它們在實際使用中的表現(xiàn)來分析判斷他們的優(yōu)劣，消化吸收總結(jié)好的桁架設(shè)計經(jīng)驗。通過對比分析、計算，獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)，用更少的材料和人工成本達到性能要求，取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 兩種移動皮帶機桁架的簡介

史密斯移動皮帶機（帶寬1 200 mm）的桁架由后段、中間段和前段組成，三段桁架的長度均為10 800 mm，質(zhì)量分別為1 709.4 kg、1 697.8 kg和2 467 kg。桁架組裝后的總長為32 400 mm，總質(zhì)量為5 874.2 kg，單位長度的質(zhì)量為181.3 kg/m，桁架兩個支撐點之間的距離為29 948 mm。史密斯移動皮帶機的桁架如圖1所示。

圖1史密斯移動皮帶機的桁架

美卓移動皮帶機（帶寬1 200 mm）的桁架由后段、中間段和前段組成，三段桁架的長度分別為11 980 mm、11 944 mm和11 984 mm，質(zhì)量分別為1 910 kg、1 874 kg和1 872.4 kg。桁架組裝后的總長為35 590 mm，總質(zhì)量為5 656.4 kg，單位長度的質(zhì)量為158.9 kg/m，桁架兩個支撐點之間的距離為35 610 mm。同時，考慮到弦桿受到桁架輸送物料時所產(chǎn)生的均布載荷彎矩的作用，把后段與前段的桁架做成上弦桿傾斜。美卓移動皮帶機的桁架如圖2所示。

圖2美卓移動皮帶機的桁架

2 兩種桁架的主型材參數(shù)

史密斯移動皮帶機桁架的主型材為角鋼140 mm×90 mm×10 mm，材料為Q235B，結(jié)構(gòu)設(shè)計為140 mm的長邊水平放置，其截面面積為22.261 cm2，理論質(zhì)量17.475 kg/m，它在水平方向的抗彎截面系數(shù)為47.31 cm3，但在豎直方向的抗彎截面系數(shù)僅為21.22 cm3。

美卓移動皮帶機桁架的主型材為方管80 mm×80 mm×6.3 mm，材料為Q345B，由于這種方管國內(nèi)沒有厚度為6.3 mm的，按照使用國標(biāo)牌號代替時“以高代低”的原則，用80 mm×80 mm×7 mm的代替，其截面面積為19.61 cm2，理論質(zhì)量15.39 kg/m，無論水平方向還是豎直方向抗彎截面系數(shù)均為44.63 cm3；

從上述兩種桁架主型材的參數(shù)可以看出，單位長度的角鋼140 mm×90 mm×10 mm比方管80 mm×80 mm×7 mm更重，但其在豎直方向的抗彎剛度只有后者的47.5%。

以空心方鋼管為基材的桁架結(jié)構(gòu)，由于空心管有著較高的強度和較大的截面慣性半徑，可以提供優(yōu)良的柱特性并使設(shè)備結(jié)構(gòu)輕量化，有效降低結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量[2]。在結(jié)構(gòu)合理的情況下，空心鋼管桁架結(jié)構(gòu)可以達到較高的剛度。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3為史密斯桁架軸測圖。圖4為美卓桁架軸測圖。圖3、圖4中，主型材在桁架上、下弦桿中起到主要作用，拉撐、兩側(cè)豎撐、兩側(cè)之間的橫撐以及斜撐作為兩側(cè)、中部以及下部的腹桿起輔助作用。

圖3史密斯桁架軸測圖

圖4美卓桁架軸測圖

史密斯的桁架采用平面三角形角鋼結(jié)構(gòu)，寬度為1 778 mm，高度為1 638 mm，所有托輥總成以及皮帶等全部在整個桁架的上方，使得整個移動皮帶機的高度更高。桁架選材均為角鋼，所有拉撐為角鋼70 mm×70 mm×8 mm，其整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是，兩側(cè)為拉撐角鋼的一個邊與主型材角鋼的一個邊進行焊接連接，兩側(cè)的框架之間的連接完全是通過拉撐角鋼兩端的一個邊用一個或兩個螺栓連接起來，并沒有將角鋼的兩個邊進行充分利用來提高整體剛度，沒有充分發(fā)揮出角鋼的作用。

美卓桁架考慮到弦桿受到桁架輸送物料時所產(chǎn)生的均布載荷彎矩的作用，把首段與末端的桁架做成上弦桿傾斜，并在每一個托輥總成安裝的位置都形成一個箱型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式整體剛度更好。寬度和高度均為1 500 mm，并且把托輥總成以及皮帶等全部納入桁架內(nèi)部，使整個移動皮帶機的結(jié)構(gòu)非常緊湊，節(jié)省了材料。桁架選材均為方管，桁架兩側(cè)的所有豎撐為方管80 mm×80 mm×5 mm，對接時在沒有類似V形口的邊角處須打坡口，要求全熔透焊接，每個托輥總成安裝的位置均有豎撐；桁架兩側(cè)之間連接的橫撐中，前后兩端的橫撐為方管80 mm×80 mm×5 mm，它對接時在沒有類似V形口的邊角處須打坡口，要求全熔透焊接，其余的橫撐為方管50 mm×50 mm×5 mm，桁架中所有斜撐為方管50 mm×50 mm×5 mm，所有規(guī)格為50 mm×50 mm×5 mm的方管均為5 mm的角焊縫，減少了用于打坡口和熔透焊的人工成本。

美卓設(shè)計的桁架采用結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定的平面三角形方管桁架結(jié)構(gòu)，其受壓腹桿可以利用空心管有效的受壓特性，因此在合理控制腹桿數(shù)量的基礎(chǔ)上可極大地節(jié)約材料與工時[3]。角鋼與等截面的方管相比本身彎曲剛度就差，角鋼只有一個邊的焊接結(jié)構(gòu)與方管4個邊的焊接相比，其結(jié)構(gòu)剛度差很多。

桁架的高度與桁架總跨度距離、載荷情況、最大變形情況等有關(guān)，如果單純地增加桁架高度會減少弦桿中的載荷，但是卻增加了拉撐的長度，使得經(jīng)濟性受到影響，同時移動皮帶的高度過高和寬度過寬會使相應(yīng)的連接設(shè)備高度和寬度增加，進一步增加了整個設(shè)備及其工藝系統(tǒng)的設(shè)備成本，所以，桁架的高度和寬度在滿足使用的情況下應(yīng)盡量緊湊。

4 各桁架段之間的鉸接方式

史密斯的各桁架段之間為法蘭連接，由許多螺栓連接起來，設(shè)計考慮是螺栓群同時受力。但實際情況是螺栓在設(shè)備運行過程中被一根一根的剪斷，被剪斷的螺栓往往不被發(fā)現(xiàn)，等到剩余的螺栓承受不住時桁架就會忽然斷裂，造成非常大的損失。在移動設(shè)備的具體使用中，由于實際情況非常復(fù)雜，不能用螺栓群同時受力進行分析，這種連接方式非常不好。

美卓的各桁架段之間為螺栓連接，此處螺栓既相當(dāng)于銷軸的作用，又起到螺栓的作用，即把鉸接處完全夾緊形成一個剛性整體，效果非常好。

5 簡化模型后采用類比的方法進行計算

由于桁架的受力主要由主型材決定，因此本文針對兩種桁架的主型材進行對比研究是合理的，可以反映出兩種桁架的剛度大小。

另外，綜掘機配套的移動皮帶機桁架（最初也是引進國外的）在國內(nèi)煤礦普遍應(yīng)用，為了滿足向煤礦井下運輸?shù)男枰?，它由多段桁架組成，主型材為矩形管70 mm×50 mm×5 mm，材料為Q235B，結(jié)構(gòu)設(shè)計為70 mm的長邊豎直放置，它在豎直方向的抗彎截面系數(shù)為18.124 cm3，桁架兩個支撐點之間的距離為9 665 m，各桁架段之間用銷軸連接，通過改變連接板的孔距可以調(diào)節(jié)桁架的拱起程度。綜掘機配套的移動皮帶機桁架如圖5所示，與史密斯桁架相比，其安全系數(shù)為：

圖5綜掘機配套的移動皮帶機桁架

從上述可知，史密斯移動皮帶機桁架質(zhì)量更大，但桁架整體剛度卻很差，原因就在于：①型材選型。截面積相等的角鋼和方管，由于方管是箱形截面，其彎曲剛度比角鋼更大。②結(jié)構(gòu)設(shè)計。史密斯移動皮帶機桁架的所有拉撐都是角鋼的一個邊與另一個角鋼的一個邊進行焊接和螺栓連接，角鋼兩個邊只利用了一半，它的整體彎曲剛度差一些。③材料的選擇。史密斯桁架材料為Q235B，美卓桁架材料為Q345B。盡管Q345B的材料價格更貴，但相比其性能的提高，選用Q345B的性價比更高。

美卓移動皮帶機的桁架和綜掘機配套移動皮帶機桁架結(jié)構(gòu)類似，在實際應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，它們與史密斯桁架相比，計算結(jié)果顯示安全系數(shù)幾乎一樣，具有一定的參考價值。

結(jié)合在工程現(xiàn)場的使用情況，盡管史密斯的桁架在現(xiàn)場實施了許多加固措施，還是表現(xiàn)不好且并不能從根本上解決整體設(shè)計上存在的缺陷，既使桁架質(zhì)量更大但整體剛性卻很差，移動皮帶機在現(xiàn)場移設(shè)時扭曲變形還是很明顯的。

6 結(jié)論

通過以上分析和計算，對移動皮帶機桁架設(shè)計得出如下結(jié)論：①桁架型材選型為方管或矩形管，對于既受到向下的重力又受到設(shè)備轉(zhuǎn)移時的側(cè)推力或拉力的建議選方管，對于主要克服設(shè)備向下重力的桁架建議選用矩形管，且在結(jié)構(gòu)設(shè)計時矩形管的長邊豎直放置；②桁架采用拱形結(jié)構(gòu)，一般由三段桁架組成，中間桁架段向上拱起，兩側(cè)桁架段與中間的桁架段成177°～179°；③桁架寬度和高度在滿足使用空間的情況下盡量緊湊，以便節(jié)省材料和減輕設(shè)備重量；④移動皮帶機桁架設(shè)計時的安全系數(shù)取值，可以與史密斯公司的桁架相比較，安全系數(shù)取值2.65左右，具有一定的參考價值；⑤桁架鉸接處建議用銷軸或等強度的鉸制孔用螺栓；⑥在設(shè)計開發(fā)可移動的產(chǎn)品時，受力結(jié)構(gòu)件盡可能采用Q345B的材料，少用Q235B，這樣可以減輕所用材料的重量，達到既能滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能要求，又能起到降低生產(chǎn)成本和減輕設(shè)備重量的作用。