和云敏

(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430212)

電動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

(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430212)

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

電動螺旋溜槽；槽鋼；圓鋼管；梁；強度

一、問題的提出

螺旋溜槽是一款利用礦流在螺旋向下流動過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螺片從上到下連接成一體，螺片固定不動，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，同時在其上端安裝電動機帶動整個螺片進(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，礦流在重力作用下向下流動受離心力的同時，還在電動機的帶動旋轉(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)行樣機試運行時，發(fā)現(xiàn)整個機身抖動非常嚴(yán)重，支撐鋼架發(fā)生了一定扭曲，開始認(rèn)為是電動機功率太大，可更換小功率電動機后問題依然存在。后更換了更高強度的起支撐作用的4根槽鋼，仍然于事無補。后經(jīng)設(shè)計人員重新計算整個設(shè)備工作動載荷后，發(fā)現(xiàn)雖然槽鋼價格低，可起到支撐鋼架之用，但此處槽鋼不光受到向下的重力，還要受到來自電動機旋轉(zhuǎn)所帶來的彎曲和扭曲的作用力。因此，在此動負(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，問題得到解決。

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

二、分析問題產(chǎn)生的原因

槽鋼價格低廉，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，但電動螺旋溜槽在工作時產(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，槽鋼將產(chǎn)生很大的抖動和變形，不利于設(shè)備的工作。

而在實際工程中，經(jīng)常會遇到一些構(gòu)件，如齒輪軸、橋式起重機的大梁、受氣流沖擊的汽輪葉片等，它們在工作時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，這類構(gòu)件統(tǒng)稱為梁。如若齒輪軸線彎曲變形過大，將造成軸承嚴(yán)重磨損，齒輪嚙合不良，并產(chǎn)生振動和噪聲。橋式起重機彎曲變形過大將使梁上的小車行走困難。因此在正常工作時，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)，分析提高其強度的措施。

通過對這些發(fā)生彎曲變形的構(gòu)件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)彎曲正應(yīng)力是影響強度的主要因素。計算公式為：

分析提高彎曲強度，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)，選擇合適的材料來獲得較高的強度，從而滿足工程上即安全又經(jīng)濟的要求。

三、解決問題的方法

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

（1）抗彎截面系數(shù)對梁彎曲強度的影響

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，梁在工作時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來衡量，此值越大，抗彎曲能力越強，也就越經(jīng)濟。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，實心圓形截面最不經(jīng)濟，也不合理，槽鋼和工字鋼最好，對于發(fā)生主要彎曲變形的軸類零件，可以用空心軸代替實心軸。對于矩形截面，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大，寬度不能過小，否則容易喪失穩(wěn)定性。

雖然圓形材料并不比槽鋼經(jīng)濟。但比值相差無幾，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載荷下，采用圓鋼管（環(huán)形）是最佳的選擇。

（2）材料性能對梁彎曲強度的影響

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

對于脆性材料，其抗拉能力往往小于抗壓能力，如設(shè)計為對稱的截面，材料的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力沒有同時體現(xiàn)出來，不能充分利用材料的性能，這時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)力的分布情況對梁彎曲強度的影響

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)力沒有達(dá)到需用應(yīng)力值，此時材料出現(xiàn)浪費情況，為了利用材料、減輕重量，從強度的角度考慮，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。

因此對于軸類零件，考慮到加工方便以及軸上零件的定位，通常選用階梯等強度軸。對于橋式起重機的大梁，通常做成兩端尺寸較小、中間尺寸較大的魚腹式，甚至做成空腹魚腹式橫梁，去除靠近中性軸附近未發(fā)揮作用的材料，同時減輕了自重，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梁彎曲強度的影響

如圖2（a）所示，當(dāng)集中載荷作用在梁中點位置時，Mmax=FL/4，把集中載荷往支撐一端移動，改變集中載荷的作用位置，圖b所示，此時，梁上最大彎矩Mmax=5FL/36，如果條件允許，可以將一個集中載荷分成幾個較小的集中載荷，圖c所示，或改變成線分布的載荷，圖d所示，可見載荷的分布以及載荷的形式對梁的彎曲強度也有影響。圖d中，最大彎矩Mmax=PL2/8，若支座A和B向中間移動0.2L后，最大彎矩Mmax=PL2/40，此時，最大彎矩僅為前者的1/5?？梢姡淖冎ё奈恢靡部商岣吡旱膹澢鷱姸?。

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，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，可見拱形梁最大彎矩比直梁最大彎矩減少了xAh，如果設(shè)計得當(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

本文通過分析電動螺旋溜槽在采用槽鋼作為支撐鋼架時發(fā)生抖動變形原因，進(jìn)一步厘清了影響梁彎曲強度的關(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度[J].煤，2014（9）.

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

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