和云敏

(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430212)

電動(dòng)螺旋溜槽槽鋼支架彎曲變形的原因分析及解決措施

和云敏

(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430212)

本文在分析電動(dòng)螺旋溜槽在工作時(shí)4根支撐槽鋼發(fā)生抖動(dòng)和變形的原因基礎(chǔ)上，提出了影響梁彎曲變形的關(guān)鍵因素及提高其強(qiáng)度的措施，為工程實(shí)際中解決類(lèi)似問(wèn)題提供了參考。

電動(dòng)螺旋溜槽；槽鋼；圓鋼管；梁；強(qiáng)度

一、問(wèn)題的提出

螺旋溜槽是一款利用礦流在螺旋向下流動(dòng)過(guò)程中受到離心力和重力作用分成精礦、中礦和尾礦的選礦設(shè)備。傳統(tǒng)的螺旋溜槽由四根槽鋼將若干個(gè)螺片從上到下連接成一體，螺片固定不動(dòng)，礦流從上端引入，在下端用聚積斗分別收集精礦、中礦和尾礦。

我國(guó)某選礦設(shè)備廠為提高螺旋溜槽的選礦性能和生產(chǎn)效率，將傳統(tǒng)的螺旋溜槽設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)和改進(jìn)，具體做法為：將所有的螺片用4根槽鋼固定連接，同時(shí)在其上端安裝電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)整個(gè)螺片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，外部鋼架仍然采用4根槽鋼進(jìn)行支撐。這樣一來(lái)，礦流在重力作用下向下流動(dòng)受離心力的同時(shí)，還在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)下增加了礦物與螺片面板的摩擦力，提高了選別的效率。

但當(dāng)該廠進(jìn)行樣機(jī)試運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)機(jī)身抖動(dòng)非常嚴(yán)重，支撐鋼架發(fā)生了一定扭曲，開(kāi)始認(rèn)為是電動(dòng)機(jī)功率太大，可更換小功率電動(dòng)機(jī)后問(wèn)題依然存在。后更換了更高強(qiáng)度的起支撐作用的4根槽鋼，仍然于事無(wú)補(bǔ)。后經(jīng)設(shè)計(jì)人員重新計(jì)算整個(gè)設(shè)備工作動(dòng)載荷后，發(fā)現(xiàn)雖然槽鋼價(jià)格低，可起到支撐鋼架之用，但此處槽鋼不光受到向下的重力，還要受到來(lái)自電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的彎曲和扭曲的作用力。因此，在此動(dòng)負(fù)載環(huán)境之下，便不再適合使用槽鋼作為支撐，應(yīng)采用圓鋼。后更換圓鋼管，問(wèn)題得到解決。

基于此，本文將在分析電動(dòng)螺旋溜槽槽鋼發(fā)生抖動(dòng)變形原因的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討影響梁彎曲強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，找到提高梁彎曲強(qiáng)度的具體方法。

二、分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因

槽鋼價(jià)格低廉，質(zhì)量輕，可作為中小型設(shè)備的鋼架。傳統(tǒng)螺旋溜槽在4根槽鋼支撐下固定不動(dòng)，但電動(dòng)螺旋溜槽在工作時(shí)產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)慣量，使4根槽鋼由原先的壓縮變形轉(zhuǎn)變成了壓扭彎組合變形。此時(shí)，槽鋼將產(chǎn)生很大的抖動(dòng)和變形，不利于設(shè)備的工作。

而在實(shí)際工程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些構(gòu)件，如齒輪軸、橋式起重機(jī)的大梁、受氣流沖擊的汽輪葉片等，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)受到的外力往往是垂直于桿軸線的橫向力或作用在其軸線內(nèi)的力偶，使桿軸線發(fā)生變形，由直線變成曲線，這類(lèi)構(gòu)件統(tǒng)稱為梁。如若齒輪軸線彎曲變形過(guò)大，將造成軸承嚴(yán)重磨損，齒輪嚙合不良，并產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。橋式起重機(jī)彎曲變形過(guò)大將使梁上的小車(chē)行走困難。因此在正常工作時(shí)，這些發(fā)生彎曲變形的構(gòu)件要具備一定的抗彎曲能力。本文從構(gòu)件的工作情況出發(fā)，分析提高其強(qiáng)度的措施。

通過(guò)對(duì)這些發(fā)生彎曲變形的構(gòu)件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)彎曲正應(yīng)力是影響強(qiáng)度的主要因素。計(jì)算公式為：

分析提高彎曲強(qiáng)度，要從最大彎矩Mmax、抗彎截面系數(shù)Wz及材料的性能三方面入手，想辦法減小最大彎矩，提高抗彎截面系數(shù)，選擇合適的材料來(lái)獲得較高的強(qiáng)度，從而滿足工程上即安全又經(jīng)濟(jì)的要求。

三、解決問(wèn)題的方法

首先分析影響梁彎曲強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，包括抗彎截面系數(shù)、材料、最大彎矩等。根據(jù)本實(shí)例的具體情況，做如下分析：

（1）抗彎截面系數(shù)對(duì)梁彎曲強(qiáng)度的影響

將彎曲正應(yīng)力條件公式進(jìn)行變形，得Mmax≤[σ]Wz，可知當(dāng)梁的材料選定時(shí)，梁在工作時(shí)承受的最大彎矩與抗彎截面系數(shù)成正比，梁消耗材料的多少與截面面積A成正比，為了節(jié)約材料、減輕自重，合理的截面形狀應(yīng)該是截面面積小而截面系數(shù)大，為了便于比較，可用Wz/A來(lái)衡量，此值越大，抗彎曲能力越強(qiáng)，也就越經(jīng)濟(jì)。表1是不同截面的Wz/A值：

表1 不同截面的Wz/A值

從表1可以看出，實(shí)心圓形截面最不經(jīng)濟(jì)，也不合理，槽鋼和工字鋼最好，對(duì)于發(fā)生主要彎曲變形的軸類(lèi)零件，可以用空心軸代替實(shí)心軸。對(duì)于矩形截面，為充分利用材料，可用槽鋼和工字鋼代替，但其截面高度不能過(guò)大，寬度不能過(guò)小，否則容易喪失穩(wěn)定性。

雖然圓形材料并不比槽鋼經(jīng)濟(jì)。但比值相差無(wú)幾，而且圓形的抗扭截面系數(shù)相比槽鋼要大的很多，因此在彎扭組合變形的動(dòng)載荷下，采用圓鋼管（環(huán)形）是最佳的選擇。

（2）材料性能對(duì)梁彎曲強(qiáng)度的影響

材料不同，性能也不同，對(duì)于塑性材料，由于抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度不同，采用對(duì)稱于中性軸的截面，可使截面上下邊緣的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力相等，同時(shí)達(dá)到材料的許用應(yīng)力值，這時(shí)可以選擇矩形、圓形、工字形截面比較合理。

對(duì)于脆性材料，其抗拉能力往往小于抗壓能力，如設(shè)計(jì)為對(duì)稱的截面，材料的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力沒(méi)有同時(shí)體現(xiàn)出來(lái)，不能充分利用材料的性能，這時(shí)可改變中性軸的位置，使中性軸偏于受拉的一側(cè)，位置可以這樣確定

式中：σymax、σlmax分別為最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力，[σby]、[σbl]分別為抗壓許用應(yīng)力和抗拉許用應(yīng)力。

（3）內(nèi)力的分布情況對(duì)梁彎曲強(qiáng)度的影響

梁的橫截面是根據(jù)最大彎矩確定的，在較小彎矩的截面上，最大應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到需用應(yīng)力值，此時(shí)材料出現(xiàn)浪費(fèi)情況，為了利用材料、減輕重量，從強(qiáng)度的角度考慮，可在彎矩較大處采用較大的橫截面，彎矩較小處采用較小的橫截面。

因此對(duì)于軸類(lèi)零件，考慮到加工方便以及軸上零件的定位，通常選用階梯等強(qiáng)度軸。對(duì)于橋式起重機(jī)的大梁，通常做成兩端尺寸較小、中間尺寸較大的魚(yú)腹式，甚至做成空腹魚(yú)腹式橫梁，去除靠近中性軸附近未發(fā)揮作用的材料，同時(shí)減輕了自重，提高結(jié)構(gòu)的使用性能。圓鋼管采用內(nèi)空結(jié)構(gòu)，既減輕了自重，又保證了構(gòu)件的剛度。

（4）載荷與支撐的分布對(duì)梁彎曲強(qiáng)度的影響

如圖2（a）所示，當(dāng)集中載荷作用在梁中點(diǎn)位置時(shí)，Mmax=FL/4，把集中載荷往支撐一端移動(dòng)，改變集中載荷的作用位置，圖b所示，此時(shí)，梁上最大彎矩Mmax=5FL/36，如果條件允許，可以將一個(gè)集中載荷分成幾個(gè)較小的集中載荷，圖c所示，或改變成線分布的載荷，圖d所示，可見(jiàn)載荷的分布以及載荷的形式對(duì)梁的彎曲強(qiáng)度也有影響。圖d中，最大彎矩Mmax=PL2/8，若支座A和B向中間移動(dòng)0.2L后，最大彎矩Mmax=PL2/40，此時(shí)，最大彎矩僅為前者的1/5?？梢?jiàn)，改變支座的位置也可提高梁的彎曲強(qiáng)度。

圖2 不同載荷與支撐下梁的受力情況

（5）采用特殊結(jié)構(gòu)提高梁的彎曲強(qiáng)度

在圖2（a）中，作用在直梁上的最大彎矩為Mmax=FL/4，如果把直梁改為圖3的拱形梁，當(dāng)拱受到壓力時(shí)，拱兩端的支座除產(chǎn)生垂直支反力yA外，還產(chǎn)生阻止拱端向外移動(dòng)的水平支反力xA，使得梁中間截面的最大彎矩Mmax=FL/4-xAh，可見(jiàn)拱形梁最大彎矩比直梁最大彎矩減少了xAh，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，可使兩彎矩之差減小到最低程度，大大提高梁的抗彎能力。

圖3 拱形結(jié)構(gòu)梁受力情況

本文通過(guò)分析電動(dòng)螺旋溜槽在采用槽鋼作為支撐鋼架時(shí)發(fā)生抖動(dòng)變形原因，進(jìn)一步厘清了影響梁彎曲強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，并提出了解決措施?？梢缘贸鼋Y(jié)論，選擇合理的截面以及選擇合理的結(jié)構(gòu)都可以提高梁的抗彎曲能力，但在實(shí)際工程中，要根據(jù)具體的情況進(jìn)行分析，以便充分發(fā)揮材料的性能。

[1]王璐.如何提高梁的彎曲強(qiáng)度[J].煤，2014（9）.

[2]季敬能，楊軍偉.增加約束對(duì)提高梁抗彎強(qiáng)度的探討[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013（7）.

TH

A

1673-0046（2016）11-0185-02