橋式刮板取料機橋梁的拱度設計及計算

王輝　馮學慧 劉冬梅

摘 要：橋梁的拱度設計是橋式刮板取料機設計過程中非常重要的環(huán)節(jié)，并且暫時還沒有統(tǒng)一的標準規(guī)范進行參考，設計部門一般均參照機械設計手冊中的推薦曲線進行設計及生產(chǎn)，但由于其曲線方程相對復雜，工程圖的繪制及生產(chǎn)工作周期較長。該文以QG150/31型橋式刮板取料機的橋梁拱度設計為例，利用以往的設計經(jīng)驗并結合電算的方式確定出一種切實可行的拱度設計方法即圓弧曲線法，經(jīng)實際驗證后，該方法既可以滿足設備穩(wěn)定工作要求，又大大提高了橋梁的設計及生產(chǎn)效率，是一種簡單易行的設計方法。

關鍵詞：橋梁 拱度 有限元分析 曲線

中圖分類號：U67 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（c）-0050-03

作為水泥建材行業(yè)的散料輸送設備，橋式刮板取料機的混勻效果突出，被廣泛的應用在原料，石灰石，砂巖等物料的混勻輸送工作，大部分的的水泥工業(yè)現(xiàn)場工況比較惡劣，設備工作時間長，為保證設備長期穩(wěn)定的工作，料耙系統(tǒng)運行過程中的阻力最小，降低設備故障率，保證鋼結構部分的使用壽命，橋梁的預拱值的設計至關重要，下面就運用在華潤集團某水泥項目上的QG150/31型橋式刮板取料機的橋梁進行分析，并用ANSYS軟件電算進行校核，以確定合理實用的拱度曲線。

1 橋式刮板取料機的結構組成及工作原理

（1）橋式刮板取料機的組成如圖1所示，由箱形橋梁、刮板輸送部分、料耙系統(tǒng)、固定端梁、擺動端梁、動力電纜卷盤等主要部分組成。其中，橋梁為箱型結構，在長度方向上有若干個空心隔板起抗扭作用，內(nèi)壁四周每邊設有2道由槽鋼組成的加強筋，用來提高箱形梁的穩(wěn)定性。該梁由三段組成，段與段之間的連接在工地焊接。在段之間的連接處設有定位塊，用螺栓預聯(lián)接，以保證各段連接到位。橋梁的下面設若干個支架座，用以懸吊刮板吊架。橋梁頭部下面有安裝頭部鏈輪組及改向鏈輪組的頭架及溜槽。梁頭部與固定端梁上的固定支座連接，梁尾部下面設刮板尾部鏈輪組和拉緊裝置的吊架。尾部端頭下面與擺動端梁的球鉸支承相接，糾偏裝置用槽鋼現(xiàn)場焊在擺動端梁側(cè)面及橋梁端面。人可以通過橋梁上部的小門利用腳登架垂直進出橋梁內(nèi)部，以便鋪設電纜等用。梁的頭、尾部上面設有護欄。梁頭部上面放置控制室。

（2）取料機的工作原理：與之配合的堆料機在按規(guī)定程序?qū)⑽锪隙殉蓸藴识迅吆螅×蠙C從料場中間開始進行全斷面取料。料耙沿橋梁長度方向往復移動，將物料耙松后滾落至料堆底部，刮板沿橋梁長度方向轉(zhuǎn)動，大車并進行進給，將物料刮走至導料槽，通過出料皮帶將物料運出。

2 橋梁拱度值的確定方法

拱度的設計目的是消除橋梁結構自重及所受載荷引起的下?lián)?，盡可能的減小料耙小車的運行阻力，使其能夠在橋梁上大致呈水平狀態(tài)運行。這樣料耙系統(tǒng)在啟動和制動時就會相對平穩(wěn)，減少了能耗及沖擊對整機的影響。理論上，理想的等截面簡支梁的預拱度值應該保證小車在橋梁上進入撓度最大點和離開撓度最大點時的阻力相等，小車在梁端時，設預拱度值為S，小車運行至撓度最大點時，撓度也為S。這樣梁的受力也較為合理。據(jù)相關資料推導，這樣的曲線為一條關于橋梁軸線位置的4次方變化曲線，制作起來相對復雜，不適用于實際生產(chǎn)，并且長時間的使用下，拱度會逐漸較少，一些設計手冊推薦采用二次曲線（拋物線）下料，預拱度為跨度值的0.9‰～1.4‰，使橋梁在使用壽命的期限內(nèi)一直在拱度大于零的狀態(tài)下服役，穩(wěn)定受力狀態(tài)。

然而，由于設備體積龐大，并考慮到生產(chǎn)率的影響，2次曲線的下料方法依然相對復雜，為解決這個問題，設計上采用圓弧曲線下料，參照相關標準并結合設計經(jīng)驗，拱度值采用跨度的1.5‰，這樣可以保證橋梁在使用后，即使拱度有所減少，但仍會保留拱度值。使設備在規(guī)定壽命之內(nèi)穩(wěn)定運行。現(xiàn)用兩種下料方法對本設備中跨度31米的簡支橋梁進行各坐標點下料尺寸的詳細對比，其中拱度y0=1.5‰L=1.5‰×31000=46.5（mm）

（1）二次曲線法的曲線方程取各參數(shù)意義見圖2。

（2）圓弧曲線法的曲線方程采用3點圓弧法，通過坐標點A（-L/2，0），B（0，），C（L/2，0）3點做圓弧，3點位置見圖3。

根據(jù)橋梁結構取如下坐標位置，經(jīng)過計算后，將兩種方法確定的下料尺寸匯總于表1，其中Y1是二次曲線法確定的下料尺寸值，Y2是圓弧曲線法確定的下料尺寸值。

對表1進行比較后可知，兩種下料方法的結果高度吻合。其中下料尺寸差值最大的坐標值在X=4800 mm處，差值△=0.000105mm，誤差極小，可忽略不計。所以從上例看出，用圓弧曲線法對橋梁進行拱度設計和下料是可行的。

3 運用ANSYS軟件對橋梁的拱度進行校驗

ANSYS是近些年來比較流行的通用有限元軟件，通過電算的方式對結構進行優(yōu)化設計是現(xiàn)代機械設計不可缺少的先進手段，為了更加真實的反應橋梁實際的變形狀態(tài)，對該項目中的31m橋梁進行建模分析，確定工作狀態(tài)下拱度值，已驗證設計拱度值的正確性。整個橋梁采用SHELL63單元，網(wǎng)格尺寸采用50 mm，簡支約束，工況采用撓度最大狀態(tài)，受力分析過程從略，計算模型見圖4，計算結果見圖5。

計算結果中，橋梁的最大變形為27.6 mm.本橋梁施工圖紙拱度設計值為46 mm，即在料耙小車運行至橋梁中點時的理論拱度值為46-27.6=18.4（mm），約為跨度值的6‰，把它作為隨著設備使用時間的增加，對拱度減少的補償值是合理的。該設備安裝投產(chǎn)后，運行穩(wěn)定，實測的工作狀態(tài)下的拱度值與理論拱度值誤差不超過理論值的15%。

4 結論

（1）經(jīng)過長時間的設計及生產(chǎn)實踐，對于水平布置的橋式刮板取料機的橋梁的拱度設計，

圓弧曲線下料法與機械設計手冊推薦的二次曲線下料法相比，下料尺寸誤差極小，并且便于施工圖的設計，大大提高了設計及生產(chǎn)效率。

（2）利用大型通用有限元分析軟件ANSYS進行分析計算，結合實際工程項目驗證了拱度值取跨度值的1.5‰是合理可行的。

（3）為今后的類似產(chǎn)品的橋梁結構拱度曲線的設計生產(chǎn)積累了經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

參考文獻

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