胡 昊

（沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110045）

0 引言

橋梁是橋式雙斗輪混勻取料機(jī)的重要鋼結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)等距的工字梁為主體并沿長(zhǎng)度方向布置有隔板，在隔板間采用型鋼斜拉聯(lián)接。

橋梁的載荷狀態(tài)分為三種，即自重狀態(tài)、承重狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)。不同載荷狀態(tài)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同的撓度值，為保證橋梁在最終負(fù)載狀態(tài)下的使用性能，在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)橋梁的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了分析研究，確定了在不同載荷狀態(tài)下的預(yù)拱度值。

1 橋梁結(jié)構(gòu)及受力分析

橋梁兩端固定在50米跨度上的行走機(jī)構(gòu)端梁上，橋梁上套有雙斗輪裝置且雙斗輪裝置帶動(dòng)料耙在橋梁上往復(fù)行走。橋梁上部還設(shè)有受料膠帶機(jī)，斗輪裝置挖取的物料通過(guò)落料斗卸入橋梁上的受料膠帶機(jī)，并交運(yùn)給地面膠帶機(jī)，完成取料作業(yè)，如圖1所示。

圖1 HQL1200/50橋式雙斗輪混勻取料機(jī)

橋梁要承受自身重力載荷；承受雙斗輪、雙料耙的集中載荷；承受膠帶、托輥、物料等均布載荷。

2 初步確定橋梁的主截面尺寸

2.1 計(jì)算橋梁的慣性矩及抗彎截面模量

初定橋梁截面高H=3150mm,上下翼緣板寬度B=360mm,厚度為30mm,腹板厚度為t=16mm，如圖2所示。

圖2 橋梁截面

單片工字梁慣性矩：

式中b＝B－t＝36－1.6＝34.4cm

單片工字梁抗彎截面模量

2.2 計(jì)算橋梁在集中載荷作用下的最大應(yīng)力及最大變形

當(dāng)雙斗輪運(yùn)行到橋梁中間位置時(shí)，集中載荷作用下的應(yīng)力及變形最大，如圖3所示。

斗輪裝置單重35t,料耙單重6t，在每片工字梁上的載荷：

圖3 集中載荷作用于橋梁

最大彎矩：

M1max=P×a=20500kg×1500cm=30750000 kg ·cm

最大應(yīng)力：

最大變形：

2.3 橋梁在自重及均布載荷作用下的最大應(yīng)力及最大變形

橋梁自重90t，50米跨度內(nèi)承重80t，如圖4所示。

圖4 均布載荷及自重作用于橋梁

每米長(zhǎng)度上橋梁自重：q1=80000/50=1600kg/m

每米長(zhǎng)度上膠帶重：

q2=1.2×(4×1.32+5.1+1.7)=14.5kg/m

膠帶機(jī)帶寬1200mm，膠帶型號(hào)：EP200×4 (4.5+1.5)。

每米長(zhǎng)度上托輥重：q3=100.5 kg/m

每米長(zhǎng)度上物料重：

q4=Q/(3.6V)=1200/(3.6×2) =166.7 kg/m

單片工字梁承受均布載荷為：

q= (q1+ q2+ q3+ q4) /2=941kg/m=9.41kg/cm

最大彎矩：

最大應(yīng)力：

最大變形：

2.4 采用疊加法計(jì)算橋梁的最大應(yīng)力和最大變形

將橋梁在集中載荷作用下和橋梁在均布載荷作用下的應(yīng)力及變形進(jìn)行疊加。

最大應(yīng)力：

最大變形：fmax=f1+f2= 46+41.6=87.6 mm（未考慮橋梁跨度外伸端載荷會(huì)減少橋梁撓度）

3 應(yīng)用有限元校核橋梁的剛度及強(qiáng)度

3.1 計(jì)算工況及結(jié)構(gòu)載荷

取料機(jī)在工作狀態(tài)下橋梁主要承受斗輪、料耙的重量，及均勻分布在橋梁上的膠帶、托輥、物料等的重量。橋梁結(jié)構(gòu)主要載荷情況如表1所示。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)載荷表

隨著斗輪裝置在橋梁上位置的變化，這里分為二種不同工況進(jìn)行分析。

工況一：應(yīng)力最大位置——兩斗輪對(duì)稱作用在橋梁相對(duì)中間位置；

工況二：撓度極值最大位置—— 一端斗輪作用在距橋梁極限位置a=3m處，如圖3所示。

3.2 計(jì)算模型

橋梁結(jié)構(gòu)主要由上下翼緣、腹板、部分型鋼及行走軌道組成。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這里將上下蓋板及腹板抽象為shell單元，連接型鋼抽象為Beam單元，由于行走軌道作用在翼緣表面上，這里將其抽象為Shell單元。其余部分根據(jù)其受力狀況劃分為不同類型的單元。結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

3.3 加載分析

將表1所列各項(xiàng)載荷以所給的作用效果分別加載到橋梁上。

橋梁自重為均布載荷，通過(guò)程序自動(dòng)生成，均勻分布在橋梁上各點(diǎn)。斗輪、料耙總重41.7噸，由于料耙的偏心，使斗輪裝置對(duì)橋梁產(chǎn)生一個(gè)扭矩，這里通過(guò)車輪在橋梁兩片腹板上作用力的差值來(lái)模擬該扭矩的效果。經(jīng)過(guò)計(jì)算作用兩片腹板上的作用力為11.61噸、54.31噸，分別作用在500mm×360mm的面積上，面載荷大小分別為0.363N/mm2和－1.698N/mm2，其作用位置隨著工況的不同發(fā)生變化。

圖5 橋梁結(jié)構(gòu)模型

圖6 約束及載荷圖

膠帶、托輥和物料的載荷均勻作用在橋梁的上蓋板上，以線載荷形式加載。

司機(jī)室、左端改向滾筒、右端改向滾筒、傳動(dòng)滾筒、驅(qū)動(dòng)裝置和漏斗對(duì)橋梁的作用力分別以線載荷的形式作用在橋梁的相對(duì)位置上，其大小分別為7.5 N/mm，19.8 N/mm，38.5 N/mm，20.4 N/mm，1.3 N/mm和2.7 N/mm。具體加載及約束情況如圖6所示。

3.4 計(jì)算結(jié)果

工況一：兩斗輪作用在橋梁相對(duì)中間位置。

加載分析，最后得出橋梁應(yīng)力圖如圖7所示。從圖中可以看出橋梁最大應(yīng)力為109MPa，位置如圖7所標(biāo)記。

橋梁變形前后對(duì)比圖形如圖8所示。從圖中可以看出橋梁最大變形產(chǎn)生在中間位置，撓度值為75.1mm。

圖7 橋梁應(yīng)力圖

圖8 橋梁變形圖

工況二：一端斗輪作用在距橋梁極限位置a=3m處(工作極限位置)。

加載分析，得出橋梁應(yīng)力圖如圖9所示。從圖中可以看出去除應(yīng)力集中橋梁最大應(yīng)力為106MPa，位置如圖9所標(biāo)記。

橋梁變形前后對(duì)比圖形如圖10所示。從圖中可以看出橋梁最大撓度值為77mm，位置如圖10所標(biāo)記。

通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，在工況一即兩個(gè)斗輪作用在橋梁相對(duì)中間位置的情況下，橋梁應(yīng)力及變形最大。最大應(yīng)力為109MPa，撓度為77mm。

圖9 橋梁應(yīng)力圖

圖10 橋梁變形圖

經(jīng)計(jì)算變形量為1/650，應(yīng)力及變形均在允許范圍內(nèi)（橋梁主要結(jié)構(gòu)件材質(zhì)為Q345-B）。

4 大跨度橋梁的預(yù)拱分析研究

在橋梁施工圖設(shè)計(jì)中，要考慮在安裝現(xiàn)場(chǎng)五段橋梁焊為一體后，在自重狀態(tài)下應(yīng)保持一定的拱度值，用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)橋梁焊接后的檢驗(yàn)驗(yàn)收。一般情況下，在現(xiàn)場(chǎng)安裝完橋梁及雙斗輪裝置后，橋梁在自重和雙斗輪的重力作用下應(yīng)有4/10000的拱度，其拱度值為50000×4/10000＝20mm。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，橋梁的預(yù)拱度值為：

5 結(jié)論

橋梁是橋式斗輪混勻取料機(jī)重要鋼結(jié)構(gòu)部件，橋梁結(jié)構(gòu)大，跨距長(zhǎng)，橋梁的受力對(duì)其自身和整個(gè)取料機(jī)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性都有較大影響。

在設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)的力學(xué)方法初步確定橋梁的主截面尺寸，為有限元計(jì)算提供必要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用有限元對(duì)橋梁的強(qiáng)度、剛度和重心位置三個(gè)主要方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定橋梁合理的截面及型式，使橋梁的設(shè)計(jì)合理，經(jīng)濟(jì)可靠。

[1] 邵明亮.斗輪堆取料機(jī)[M].北京:化工工業(yè)出版社.2007.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[Z].北京: 化工工業(yè)出版社.2008.