帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓受力分析及失效對策分析

王雪飛

摘要：近來由于加工、生產(chǎn)、運(yùn)輸設(shè)備螺栓失效導(dǎo)致的安全事故頻發(fā)，帶式輸送機(jī)又是日常生產(chǎn)中的常用設(shè)備，因此本篇文章主要對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓進(jìn)行受力分析，找到引起螺栓連接失效的受力類型，進(jìn)而提出螺栓失效的預(yù)防對策，確保帶式輸送機(jī)在使用過程中安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī);螺栓;受力;失效;對策

中圖分類號：TH222? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0096-02

0? 引言

帶式輸送機(jī)是一種高效的運(yùn)輸設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作運(yùn)維方便，能耗低等特點(diǎn)，帶式輸送機(jī)的運(yùn)用極大的提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)產(chǎn)量。機(jī)架作為帶式輸送機(jī)的主體構(gòu)架，要求具有一定的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和一定的承載能力。帶式輸送機(jī)機(jī)架采用鋼材通過螺栓等方式連接，對其傳動滾筒、輸送帶、改向滾筒等起支撐作用，機(jī)架的穩(wěn)定性要求螺栓在連接過程中不產(chǎn)生失效。在實(shí)際生活中，由于螺栓失效而引起的安全事故頻發(fā)，例如深圳“太空迷航”事件、風(fēng)電行業(yè)由于螺栓問題導(dǎo)致倒塌等，因此需要對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓連接進(jìn)行受力分析，了解其受力類型，并對其可能產(chǎn)生的失效形式進(jìn)行分析并提出相應(yīng)對策。

1? 螺栓概述

螺栓在機(jī)械設(shè)備的裝配、安裝、使用、運(yùn)輸過程中起連接作用，常用于被連接件都不需要切制螺紋的場合，使用過程中不受被連接件材料限制，它具有構(gòu)造簡單，裝拆方便，成本低等特點(diǎn)，且可以用于通孔連接，能從被連接件的兩邊進(jìn)行裝配，屬于可拆卸連接。但螺栓連接在實(shí)際運(yùn)用過程中，會承受一系列的軸向、橫向、擠壓和剪切等載荷，會引起螺栓連接失效，造成螺栓螺紋部分的塑性變形，螺栓桿或孔壁被壓潰，甚至造成螺栓桿斷裂或剪斷。

2? 帶式輸送機(jī)機(jī)架概述

帶式輸送機(jī)的機(jī)架主要是由型鋼、槽鋼以及鋼板，通過焊接和螺栓等方式連接起來的金屬結(jié)構(gòu)[1]。根據(jù)機(jī)架在帶式輸送機(jī)上作用的不同，主要設(shè)計了用于支承三種滾筒的滾筒機(jī)架、支承整個輸送裝置和中部傳動滾筒的中間架及支腿還有拉緊裝置架，三種滾筒機(jī)架包含傳動滾筒機(jī)架、改向滾筒機(jī)架、卸載滾筒機(jī)架[2]。根據(jù)機(jī)架在帶式輸送機(jī)上布置位置的不同分為帶式輸送機(jī)頭架、中間架以及尾架。

頭架分為傳動滾筒頭架和改向滾筒頭架[3]。頭架主要用來承載傳動裝置，傳動滾筒頭架與基礎(chǔ)間通過地腳螺栓進(jìn)行連接，連接時應(yīng)緊固，無異常振動，且其制造誤差不得超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

中間架主要用來支撐整個輸送裝置和中部傳動滾筒，為了提高中間架穩(wěn)定性，中間架往往裝有支腿，有I型支腿（無斜撐）和Ⅱ型支腿（有斜撐）兩種。支腿與中間架采用螺栓聯(lián)接，便于運(yùn)輸。

尾架主要用來支撐改向滾筒，位于帶式輸送機(jī)輸送線路末端。一般在設(shè)計計算中，沒有特殊要求且為了設(shè)計簡單方便，一般認(rèn)為尾架的材料形狀同頭架。改向滾輪尾架與基礎(chǔ)間也是通過地腳螺栓進(jìn)行連接。

3? 帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓受力分析

本文以角形傳動滾筒頭架為例，建立力學(xué)模型，將組成帶式輸送機(jī)機(jī)架的鋼材簡化成沒有橫截面積的桿進(jìn)行受力分析，并假設(shè)機(jī)架上各桿件都是剛性連接，在外載荷作用下，忽略各桿件在連接點(diǎn)處產(chǎn)生的微小變形[4]。將帶式輸送機(jī)頭架所受的力簡化成一個平面力系，通過對頭架受力進(jìn)行水平方向、豎直方向進(jìn)行分解以及力矩轉(zhuǎn)化，即得頭架螺栓的受力情況，帶式輸送機(jī)頭架前后兩側(cè)相對中心平面對稱，每側(cè)有2排螺栓，總共4排螺栓，每排各設(shè)4個螺栓，帶式輸送機(jī)頭架通過16個螺栓與基礎(chǔ)間連接。頭架的受力情況及螺栓的分布情況見受力圖1。注：在對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓進(jìn)行受力分析時，因其尾架與頭架材料、結(jié)構(gòu)相似，故擇一進(jìn)行分析即可。

本文以某鋼鐵廠高爐帶式上料機(jī)為例，對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓進(jìn)行受力分析，其參數(shù)如圖1：傳動滾筒質(zhì)量m1=823kg，改向滾筒質(zhì)量m2=350kg，頭架質(zhì)量m3=439kg。

3.1 螺栓所受的水平外力

水平方向上，上下兩邊輸送帶對傳動滾筒頭架的作用張力分別為方向向右的S1、S2，下邊輸送帶對改向滾筒的作用張力分別為方向向左的S2和方向向右的S3，很顯然傳動滾筒和改向滾筒所受的輸送帶張力S2是一對作用力與反作用力，因此整個帶式輸送機(jī)頭架螺栓在水平方向上所受的外力為：

∑Fx=S1+S2=29239N+13941N=43180N

3.2 螺栓所受的豎直外力

頭架主要來支撐傳動滾筒和改向滾筒重量，因此頭架與基礎(chǔ)間連接的螺栓主要承受的豎直方向方向外力有：傳動滾筒重力G1、改向滾筒重力G2及機(jī)架本身的重力G3，因此整個帶式輸送機(jī)頭架螺栓在豎直方向上所受的外力為：

∑Fy=G1+G2+G3=（823+350+439）*9.8=15797.6N

3.3 螺栓所收到的傾覆力矩

帶式輸送機(jī)機(jī)架的螺栓所受到的傾覆力矩位于機(jī)架的對稱平面內(nèi)，是由帶式輸送機(jī)的頭部傳動滾筒緊邊張力S1、改向滾筒奔離點(diǎn)張力S3、傳動滾筒的重力G1、改向滾筒的重力G2以及整個機(jī)架重力G3對螺栓形心所產(chǎn)生的。帶式輸送機(jī)機(jī)架支座在承受傾覆力矩之前，由于各個螺栓均已擰緊，螺栓在預(yù)緊力的作用下，有均勻的伸長;在帶式輸送機(jī)機(jī)架受到傾覆力矩之后，機(jī)架支座會繞著螺栓形心所在軸線傾轉(zhuǎn)一個角度，此時軸線左側(cè)的頭架螺栓被進(jìn)一步拉伸，右側(cè)頭架螺栓被放松。在計算螺栓所收到的傾覆力矩之前需要先求得螺栓的形心位置。

螺栓形心位置：

=967mm

傾覆力矩：

M=S1*h-m1*gx0*-m2g*（x0-x）+m3*g*（xJ-x0）-S1*sin？茁*x0-s3*sin？茁（x0-x）=24976.8312N*m[5]。

3.4 傾覆力矩產(chǎn)生的軸向力

作用在帶式輸送機(jī)底座兩側(cè)的各個力，對螺栓形心所在軸線形成了一個力矩，這個力矩與傾覆力矩平衡，即：M=∑■■FiLi，因各螺栓的變形與其到軸線的距離成正比，又因各螺栓的剛度相同，所以螺栓和基礎(chǔ)間所受工作載荷與該螺栓到軸線的距離也成正比，即：=D[6]。

根據(jù)公式：，得出同一排的四個螺栓因傾覆力矩而產(chǎn)生的軸向力，分別為：F′1y=2292N（方向向下），F(xiàn)′2y=1945（方向向下），F(xiàn)′3y=1945N（方向向上），F(xiàn)′4y=2292N（方向向上）。

3.5 螺栓所受的總力

在進(jìn)行螺栓的設(shè)計計算時，螺栓所承受的最大應(yīng)力與螺栓的許用應(yīng)力有對應(yīng)的安全系數(shù)，且由于帶式輸送機(jī)在啟動、運(yùn)行和停止時輸送帶的張力是變化的，同時還要考慮設(shè)備中的故障及其他因素的影響，因此在進(jìn)行帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓受力分析時需要選用一個動載系數(shù)。根據(jù)濮良貴等人主編的《機(jī)械設(shè)計》表5-10可知，承受變載荷的緊螺栓連接，動載系數(shù)可選1.2-1.5，在本次計算中，選取數(shù)值K=1.5。

因此，帶式輸送機(jī)機(jī)架單個螺栓所承受的水平力為：

=4048N

帶式輸送機(jī)機(jī)架單個螺栓所承受的軸向力為：

得：F″1y=4919N（方向向下），F(xiàn)″2y=4398.5（方向向下），F(xiàn)″3y=1957N（方向向上），F(xiàn)″4y=1436.5N（方向向上）。

對于單個普通螺栓受橫向力，通過預(yù)緊后產(chǎn)生的摩擦力來抵抗橫向載荷，螺栓受剪，若橫向力過大會造成螺栓壓潰或者螺栓桿剪斷;對于單個螺栓受軸向力，螺栓受拉，若軸向力過大會造成螺栓螺紋部分發(fā)生斷裂;除此之外，在帶式輸送機(jī)的工作振動中，螺栓還會發(fā)生松動。

4? 帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓失效對策分析

為防止帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓在使用的過程中因受力導(dǎo)致壓潰、斷裂等現(xiàn)象而發(fā)生意外，需采用相應(yīng)的措施提高螺栓的強(qiáng)度、剛度和使用過程中的穩(wěn)定性，同時提高螺栓的防松能力，措施如下：①選用合適尺寸的螺栓。根據(jù)帶式輸送機(jī)的使用參數(shù)，求得螺栓所受的軸向力和水平力，進(jìn)而根據(jù)螺栓剪切的許用應(yīng)力和螺栓拉伸的許用應(yīng)力求得螺栓的直徑，查找螺栓標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)格表，選取符合要求的螺栓型號。②降低螺栓的應(yīng)力幅。根據(jù)理論與實(shí)踐可知，在減小螺栓剛度或者增大帶式輸送機(jī)機(jī)架的剛度的同時，提高預(yù)緊力，可以使得螺栓在連接過程中的殘余預(yù)緊力不致減小太多或保持不變，從而可以達(dá)到減小應(yīng)力幅的目的，同時也可以改善連接的可靠性和緊密性。工程應(yīng)用中，可以通過擰緊力矩、螺母轉(zhuǎn)角、螺栓伸長量、液壓拉伸器等方式提升螺栓的預(yù)緊力。③提高螺栓的疲勞強(qiáng)度，改善螺紋牙上載荷分布不均。一方面通過改進(jìn)螺母的設(shè)計，將螺母懸置設(shè)計，使螺母轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾菽?或者在螺母的下部開設(shè)環(huán)槽，使螺母工作時下部受拉且富有彈性。另一方面采用螺套，由于螺套具有彈性，以它作為中介體，旋入被聯(lián)接件的螺孔中可以改善螺紋牙間受力不均勻現(xiàn)象。④采用合理的制造工藝。

5? 結(jié)束語

總結(jié)，通過對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓受力分析可知，單個螺栓分別承受橫向力和軸向力，在使用過程中，螺栓承受剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，若螺栓所受的外力增大引起螺栓失效將會產(chǎn)生一系列的安全事故。因此，我們要針對帶式輸送機(jī)的使用場合對螺栓進(jìn)行設(shè)計，采取相應(yīng)的措施，提高螺栓的疲勞強(qiáng)度和防松能力，除此之外還要定期檢查，排除隱患，做好螺栓使用過程中的防腐和保養(yǎng)工作。

參考文獻(xiàn)：

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[5]梁菁.帶式輸送機(jī)機(jī)架受力分析和程序設(shè)計[D].太原科技大學(xué)，2016.

[6]濮良貴，陳國定，吳立言.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M].第九版.高等教育出版社，2013.