夏光勇，汪 勇

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

膠帶輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭、電力、建材、碼頭等行業(yè)的散狀料運(yùn)輸。冶金鋼廠的原料場、燒結(jié)、焦化、球團(tuán)、高爐、煉鋼等單元均有配置，是原料場的主要輸送設(shè)備。

膠帶機(jī)通廊分為封閉和敞開兩種型式。敞開通廊為了壓塵、防雨、防曬，其上面應(yīng)設(shè)置機(jī)罩，如圖1所示。

圖1 敞開通廊

機(jī)罩是成熟定型產(chǎn)品，作為膠帶機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)部件供貨，一般由罩體和連接件組成(見圖2)。連接件的掛鉤扣在機(jī)罩把手上，連接件與機(jī)架采用緊定螺栓固定。

圖2 機(jī)罩連接件

2015年強(qiáng)臺風(fēng)登陸某地，鋼廠受臺風(fēng)襲擊，采用了全封閉通廊的膠帶機(jī)抗臺風(fēng)性能較好，其膠帶、設(shè)備和電纜及橋架管線等均得到了有效保護(hù)而完好無損；而采用“桁架+機(jī)罩”型式通廊的膠帶機(jī)，架空較低的或周邊建筑物密集的膠帶機(jī)機(jī)罩吹落受損較少，架空較高的或者周邊空曠無遮擋的膠帶機(jī)機(jī)罩大部分被吹落。這嚴(yán)重影響了臺風(fēng)后生產(chǎn)的恢復(fù)和正常生產(chǎn)，并對膠帶機(jī)設(shè)備周邊的其他建構(gòu)筑物或設(shè)備和電纜等帶來次生災(zāi)害。

位于臺風(fēng)高發(fā)區(qū)的敞開式膠帶機(jī)機(jī)罩已不能滿足當(dāng)?shù)貧夂驐l件和抗風(fēng)要求，有必要對機(jī)罩的結(jié)構(gòu)型式、強(qiáng)度等方面進(jìn)行改進(jìn)。

1 機(jī)罩受損原因分析

1.1 現(xiàn)場調(diào)研

強(qiáng)臺風(fēng)中機(jī)罩受損有三類情況。第一類是受損機(jī)罩的連接件與機(jī)架連接的緊定螺栓脫落，表明緊定力不足以抵抗強(qiáng)臺風(fēng)；第二類是機(jī)罩在強(qiáng)臺風(fēng)下的變形位移造成掛鉤脫鉤，甚至部分掛鉤局部受力過大被拉平后，導(dǎo)致機(jī)罩脫落，見圖3。

圖3 臺風(fēng)后機(jī)罩脫落

除了上述掛鉤脫落等原因外，機(jī)罩在超強(qiáng)臺風(fēng)中被吹落的另一個(gè)原因是投用時(shí)間過長的機(jī)罩發(fā)生銹蝕，降低了連接處強(qiáng)度所致，如：機(jī)罩螺栓連接處被拉裂、臨時(shí)固定用的鐵絲被拉斷、螺栓孔受銹蝕后變大導(dǎo)致連接螺栓脫落等，如圖4所示。

圖4 機(jī)罩銹蝕

通過對機(jī)罩在強(qiáng)臺風(fēng)中受損情況分析來看，需要對機(jī)罩的強(qiáng)度、連接件結(jié)構(gòu)型式等方面進(jìn)行改進(jìn)，以提高機(jī)罩的抗臺風(fēng)能力。

1.2 CAE變形分析

機(jī)罩活扣把手由于風(fēng)力過大而發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致機(jī)罩被掀開，利用CAE對其進(jìn)行仿真分析。

1)材料參數(shù)

機(jī)罩采用Q235鋼材，其材料參數(shù)如下：

密度：7.8 kg/m3；彈性模量：2.06 GPa；泊松比：0.3；屈服值：235 MPa；屈服模量：3 900 MPa。

2)風(fēng)荷載系數(shù)

取值如下：基本風(fēng)壓：0.86 kPa[1]；高度系數(shù)：1.79；陣風(fēng)系數(shù)：1.51。

3)機(jī)罩掛鉤位移示意圖

膠帶機(jī)機(jī)罩掛鉤位移如圖5所示。

圖5 活口位移示意圖

4) CAE分析

通過對機(jī)罩下部采用兩端固定支點(diǎn)和一端固定支點(diǎn)，另一端鉸接支點(diǎn)的兩種工況進(jìn)行CAE分析。

計(jì)算結(jié)果顯示，機(jī)罩下部采用兩端固定支點(diǎn)的工況比機(jī)罩一端固定支點(diǎn)一端鉸接支點(diǎn)的效果要好，兩端固定支點(diǎn)的工況機(jī)罩整體位移變形量約80 mm，連接部件(掛鉤)變形量約5 mm；但機(jī)罩一端固定，一端鉸接的工況其整體位移變形量約140 mm，連接部件(掛鉤)變形量約34 mm。

從圖5可以看出，當(dāng)活扣掛鉤發(fā)生大約30 mm的位移時(shí)，可能會發(fā)生松動、松扣，因此機(jī)罩設(shè)計(jì)時(shí)，底部要進(jìn)行固定，限制其轉(zhuǎn)動位移，防止出現(xiàn)活扣掛鉤松動機(jī)罩被掀翻。

2 加強(qiáng)型機(jī)罩設(shè)計(jì)

根據(jù)前述對強(qiáng)臺風(fēng)中機(jī)罩受損原因分析，主要從機(jī)罩體和安裝扣件兩個(gè)方面對機(jī)罩進(jìn)行增強(qiáng)和改進(jìn)。

2.1 機(jī)罩體的增強(qiáng)措施

(1)增大機(jī)罩彩鋼板的厚度。普通機(jī)罩鋼板厚度偏小(帶寬1 400 mm及以下厚度為0.6 mm，帶寬1 600 mm及以上厚度為0.7 mm)，機(jī)罩厚度帶寬1 400 mm的按照0 .8 mm，帶寬1 600 mm的按照0.9 mm進(jìn)行CAE計(jì)算分析驗(yàn)算。

(2)適當(dāng)增大機(jī)罩體波高，提高機(jī)罩體的剛度。普通機(jī)罩的波紋高度為9 mm，增強(qiáng)型機(jī)罩波紋高度加大到11 mm，以改善機(jī)罩罩殼的強(qiáng)度和剛性。

(3)機(jī)罩體兩端設(shè)置大波，提高機(jī)罩體剛度。普通機(jī)罩采用相同的波紋高度，增強(qiáng)型機(jī)罩每段罩體的兩端各增加一道加大波紋，波紋高度為20 mm，有利于提高機(jī)罩體剛度，并提高安裝定位的準(zhǔn)確性。

2.2 機(jī)罩安裝扣件結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)改進(jìn)措施

普通機(jī)罩的安裝扣件為掛鉤把手形式，機(jī)罩罩體在風(fēng)力作用下發(fā)生位移變形時(shí)，易造成掛鉤脫落，增強(qiáng)型機(jī)罩如圖6所示，進(jìn)行了如下改進(jìn)：

圖6 加強(qiáng)型機(jī)罩本體斷面圖

(1)機(jī)罩體雙側(cè)壓板，增強(qiáng)連接強(qiáng)度。普通機(jī)罩罩體內(nèi)側(cè)無壓板，增強(qiáng)型機(jī)罩罩體外側(cè)采用通長的安裝角鋼、內(nèi)側(cè)采用通長的壓緊扁鋼，每側(cè)通過14顆螺栓連接固定。增大安裝連接件與機(jī)罩間的接觸面積和摩擦力，避免機(jī)罩連接孔處被破壞的可能性。

(2)增強(qiáng)機(jī)罩固定方式。每段機(jī)罩安裝固定方式由原來的兩點(diǎn)固定改為四點(diǎn)固定方式，增加了機(jī)罩安裝固定的可靠性。避免由于安裝固定方式失效而導(dǎo)致機(jī)罩脫落。

(3)改進(jìn)機(jī)罩連接件結(jié)構(gòu)型式。固定方式由普通的掛鉤把手式改為采用簡單、方便、可靠的楔塊壓緊(楔塊斜角按5°設(shè)計(jì)，具有可靠的自鎖功能)形式，如圖7所示。

圖7 加強(qiáng)型機(jī)罩扣件圖

(4)增加機(jī)罩加強(qiáng)抱箍，提高機(jī)罩整體強(qiáng)度。每個(gè)機(jī)罩設(shè)置兩道扁鋼制作的加強(qiáng)抱箍，加強(qiáng)扁鋼與安裝扣件及機(jī)罩螺栓連接，如圖8所示，進(jìn)一步防止機(jī)罩的脫落。

圖8 加強(qiáng)型機(jī)罩加強(qiáng)抱箍圖

3 CAE分析驗(yàn)算

3.1 計(jì)算分析條件

為便于機(jī)罩CAE分析，確定以下幾個(gè)基本條件：

(1)通廊高度范圍一般為5～50 m，其中主要集中在20～30 m，CAE分析按30 m計(jì)算。

(2)根據(jù)機(jī)罩增強(qiáng)型措施，對需要計(jì)算的帶寬1 600 mm和帶寬1 400 mm膠帶機(jī)的機(jī)罩罩體和安裝扣件分別建模。其中機(jī)罩彩鋼板的厚度帶寬1 400 mm的按照0.8 mm，帶寬1 600 mm的按照0.9 mm分別計(jì)算分析。

(3)基本風(fēng)壓、陣風(fēng)系數(shù)、高度系數(shù)的取值同2.2節(jié)中第(2)條。

(4)選取最不利工況的端部節(jié)段機(jī)罩和中部節(jié)段機(jī)罩，因端部節(jié)段機(jī)罩體型系數(shù)比中部節(jié)段機(jī)罩體型系數(shù)大的很多，所以分別計(jì)算各板厚的端部節(jié)段機(jī)罩罩體在風(fēng)載荷作用下的最大位移量以及風(fēng)載荷卸載后殘余塑性變形量。

(5)分別選取最不利工況的端部節(jié)段機(jī)罩，計(jì)算安裝扣件區(qū)域相關(guān)構(gòu)件的強(qiáng)度。

3.2 機(jī)罩罩體的CAE計(jì)算結(jié)果

帶寬1 400 mm彩板厚度0.8 mm的端部節(jié)段機(jī)罩風(fēng)載荷下最大變形為19.68 mm，風(fēng)荷載卸載后殘余塑性變形2.93 mm；帶寬1 600 mm彩板厚度0.9 mm的端部節(jié)段機(jī)罩風(fēng)載荷下最大變形為15.96 mm，風(fēng)荷載卸載后殘余塑性變形2.0 mm。

3.3 安裝扣件的CAE計(jì)算分析結(jié)果

對于安裝扣件，根據(jù)《膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)罩風(fēng)壓特性風(fēng)洞試驗(yàn)研究》結(jié)果[2]：端部節(jié)段機(jī)罩在-15°，135°風(fēng)向作用下，安裝支座在豎直方向的支反力最大，現(xiàn)按此最不利狀態(tài)考慮，將每個(gè)機(jī)罩的合力平均分配到兩個(gè)扣件上，且楔塊與楔塊支座間按線接觸考慮。不同鋼板厚度的機(jī)罩，其安裝扣件的受力情況是一致的。計(jì)算結(jié)果為安裝扣件區(qū)域相關(guān)構(gòu)件受力計(jì)算結(jié)果最大值為210.27 MPa。

4 結(jié) 論

膠帶機(jī)機(jī)罩變形限值國家規(guī)范沒有做出明確規(guī)定，考慮到強(qiáng)臺風(fēng)出現(xiàn)的概率以及膠帶機(jī)機(jī)罩的功能使用要求 ，參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)5.5.5條規(guī)定多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值為1/50，將機(jī)罩在超強(qiáng)臺風(fēng)作用下的彈塑性變形限值定為機(jī)罩高度的1/50。帶寬1 600 mm的機(jī)罩體高度1 165 mm，其允許的彈性塑性變形值最大為23.3 mm；BW1400機(jī)罩體高度1 065 mm，其允許的彈性塑性變形值最大為21.3 mm。

結(jié)合CAE分析，帶寬14 00 mm的機(jī)罩罩體板厚按0.8 mm，帶寬1 600 mm的機(jī)罩罩體板厚按0.9 mm，同時(shí)提高機(jī)罩罩體波高等因數(shù)下，理論上抵抗一定強(qiáng)度臺風(fēng)是可行的。

安裝扣件區(qū)域相關(guān)構(gòu)件受力最大值為210.27 MPa，小于構(gòu)件材料(Q235A)的許用公稱強(qiáng)度235 MPa，安裝扣件不會產(chǎn)生失效問題，加強(qiáng)型機(jī)罩的安裝扣件滿足設(shè)計(jì)要求。

但機(jī)罩和扣件在加工制造、安裝調(diào)試和生產(chǎn)維護(hù)的每個(gè)步驟均會對機(jī)罩使用性能有影響，而且臺風(fēng)特性千差萬別，膠帶機(jī)機(jī)罩又受安裝位置、周圍遮擋物情況、生產(chǎn)維護(hù)等一系列復(fù)雜因素的綜合影響。所以，雖然加強(qiáng)型機(jī)罩相對于普通機(jī)罩，在罩體和連接結(jié)構(gòu)型式都有改進(jìn)，抗風(fēng)能力也顯著提高，但仍然存在少量機(jī)罩因各種原因受臺風(fēng)破壞局部受損，甚至被吹掉的可能性。