王海瑞，薛子闖

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)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(shí)，還應(yīng)追求輕量化、低成本。因此，在設(shè)計(jì)桁架時(shí)，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(qiáng)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(dòng)皮帶機(jī)桁架進(jìn)行分析，通過對幾種移動(dòng)皮帶機(jī)桁架從工藝、生產(chǎn)制造、裝配、調(diào)試、運(yùn)行以及維護(hù)等進(jìn)行全面的跟蹤和理論分析計(jì)算，結(jié)合它們在實(shí)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(jì)經(jīng)驗(yàn)。通過對比分析、計(jì)算，獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)，用更少的材料和人工成本達(dá)到性能要求，取得良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 兩種移動(dòng)皮帶機(jī)桁架的簡介

史密斯移動(dòng)皮帶機(jī)（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(gè)支撐點(diǎn)之間的距離為29 948 mm。史密斯移動(dòng)皮帶機(jī)的桁架如圖1所示。

圖1史密斯移動(dòng)皮帶機(jī)的桁架

美卓移動(dòng)皮帶機(jī)（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(gè)支撐點(diǎn)之間的距離為35 610 mm。同時(shí)，考慮到弦桿受到桁架輸送物料時(shí)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(dòng)皮帶機(jī)的桁架如圖2所示。

圖2美卓移動(dòng)皮帶機(jī)的桁架

2 兩種桁架的主型材參數(shù)

史密斯移動(dòng)皮帶機(jī)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(jì)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(dòng)皮帶機(jī)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(shí)“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(qiáng)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(dá)到較高的剛度。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gè)桁架的上方，使得整個(gè)移動(dòng)皮帶機(jī)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(jì)是，兩側(cè)為拉撐角鋼的一個(gè)邊與主型材角鋼的一個(gè)邊進(jìn)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(gè)邊用一個(gè)或兩個(gè)螺栓連接起來，并沒有將角鋼的兩個(gè)邊進(jìn)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(shí)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(gè)托輥總成安裝的位置都形成一個(gè)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(gè)移動(dòng)皮帶機(jī)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(shí)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(gè)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(shí)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(jì)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(shí)[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(gè)邊的焊接結(jié)構(gòu)與方管4個(gè)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(huì)減少弦桿中的載荷，但是卻增加了拉撐的長度，使得經(jīng)濟(jì)性受到影響，同時(shí)移動(dòng)皮帶的高度過高和寬度過寬會(huì)使相應(yīng)的連接設(shè)備高度和寬度增加，進(jìn)一步增加了整個(gè)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(jì)考慮是螺栓群同時(shí)受力。但實(shí)際情況是螺栓在設(shè)備運(yùn)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(shí)桁架就會(huì)忽然斷裂，造成非常大的損失。在移動(dòng)設(shè)備的具體使用中，由于實(shí)際情況非常復(fù)雜，不能用螺栓群同時(shí)受力進(jìn)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(gè)剛性整體，效果非常好。

5 簡化模型后采用類比的方法進(jìn)行計(jì)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(jìn)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(jī)配套的移動(dòng)皮帶機(jī)桁架（最初也是引進(jìn)國外的）在國內(nèi)煤礦普遍應(yīng)用，為了滿足向煤礦井下運(yùn)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(jì)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(gè)支撐點(diǎn)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(jī)配套的移動(dòng)皮帶機(jī)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(jī)配套的移動(dòng)皮帶機(jī)桁架

從上述可知，史密斯移動(dòng)皮帶機(jī)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(jì)。史密斯移動(dòng)皮帶機(jī)桁架的所有拉撐都是角鋼的一個(gè)邊與另一個(gè)角鋼的一個(gè)邊進(jìn)行焊接和螺栓連接，角鋼兩個(gè)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(jià)格更貴，但相比其性能的提高，選用Q345B的性價(jià)比更高。

美卓移動(dòng)皮帶機(jī)的桁架和綜掘機(jī)配套移動(dòng)皮帶機(jī)桁架結(jié)構(gòu)類似，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，它們與史密斯桁架相比，計(jì)算結(jié)果顯示安全系數(shù)幾乎一樣，具有一定的參考價(jià)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(shí)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(jì)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(dòng)皮帶機(jī)在現(xiàn)場移設(shè)時(shí)扭曲變形還是很明顯的。

6 結(jié)論

通過以上分析和計(jì)算，對移動(dòng)皮帶機(jī)桁架設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)時(shí)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(dòng)皮帶機(jī)桁架設(shè)計(jì)時(shí)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(jià)值；⑤桁架鉸接處建議用銷軸或等強(qiáng)度的鉸制孔用螺栓；⑥在設(shè)計(jì)開發(fā)可移動(dòng)的產(chǎn)品時(shí)，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(dá)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。