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        帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓受力分析及失效對策分析

        2021-09-26 01:14:45王雪飛
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2021年16期
        關(guān)鍵詞:帶式輸送機(jī)失效受力

        王雪飛

        摘要:近來由于加工、生產(chǎn)、運(yùn)輸設(shè)備螺栓失效導(dǎo)致的安全事故頻發(fā),帶式輸送機(jī)又是日常生產(chǎn)中的常用設(shè)備,因此本篇文章主要對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓進(jìn)行受力分析,找到引起螺栓連接失效的受力類型,進(jìn)而提出螺栓失效的預(yù)防對策,確保帶式輸送機(jī)在使用過程中安全穩(wěn)定。

        關(guān)鍵詞:帶式輸送機(jī);螺栓;受力;失效;對策

        中圖分類號:TH222? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-957X(2021)16-0096-02

        0? 引言

        帶式輸送機(jī)是一種高效的運(yùn)輸設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡單,操作運(yùn)維方便,能耗低等特點(diǎn),帶式輸送機(jī)的運(yùn)用極大的提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)產(chǎn)量。機(jī)架作為帶式輸送機(jī)的主體構(gòu)架,要求具有一定的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和一定的承載能力。帶式輸送機(jī)機(jī)架采用鋼材通過螺栓等方式連接,對其傳動滾筒、輸送帶、改向滾筒等起支撐作用,機(jī)架的穩(wěn)定性要求螺栓在連接過程中不產(chǎn)生失效。在實(shí)際生活中,由于螺栓失效而引起的安全事故頻發(fā),例如深圳“太空迷航”事件、風(fēng)電行業(yè)由于螺栓問題導(dǎo)致倒塌等,因此需要對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓連接進(jìn)行受力分析,了解其受力類型,并對其可能產(chǎn)生的失效形式進(jìn)行分析并提出相應(yīng)對策。

        1? 螺栓概述

        螺栓在機(jī)械設(shè)備的裝配、安裝、使用、運(yùn)輸過程中起連接作用,常用于被連接件都不需要切制螺紋的場合,使用過程中不受被連接件材料限制,它具有構(gòu)造簡單,裝拆方便,成本低等特點(diǎn),且可以用于通孔連接,能從被連接件的兩邊進(jìn)行裝配,屬于可拆卸連接。但螺栓連接在實(shí)際運(yùn)用過程中,會承受一系列的軸向、橫向、擠壓和剪切等載荷,會引起螺栓連接失效,造成螺栓螺紋部分的塑性變形,螺栓桿或孔壁被壓潰,甚至造成螺栓桿斷裂或剪斷。

        2? 帶式輸送機(jī)機(jī)架概述

        帶式輸送機(jī)的機(jī)架主要是由型鋼、槽鋼以及鋼板,通過焊接和螺栓等方式連接起來的金屬結(jié)構(gòu)[1]。根據(jù)機(jī)架在帶式輸送機(jī)上作用的不同,主要設(shè)計(jì)了用于支承三種滾筒的滾筒機(jī)架、支承整個(gè)輸送裝置和中部傳動滾筒的中間架及支腿還有拉緊裝置架,三種滾筒機(jī)架包含傳動滾筒機(jī)架、改向滾筒機(jī)架、卸載滾筒機(jī)架[2]。根據(jù)機(jī)架在帶式輸送機(jī)上布置位置的不同分為帶式輸送機(jī)頭架、中間架以及尾架。

        頭架分為傳動滾筒頭架和改向滾筒頭架[3]。頭架主要用來承載傳動裝置,傳動滾筒頭架與基礎(chǔ)間通過地腳螺栓進(jìn)行連接,連接時(shí)應(yīng)緊固,無異常振動,且其制造誤差不得超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

        中間架主要用來支撐整個(gè)輸送裝置和中部傳動滾筒,為了提高中間架穩(wěn)定性,中間架往往裝有支腿,有I型支腿(無斜撐)和Ⅱ型支腿(有斜撐)兩種。支腿與中間架采用螺栓聯(lián)接,便于運(yùn)輸。

        尾架主要用來支撐改向滾筒,位于帶式輸送機(jī)輸送線路末端。一般在設(shè)計(jì)計(jì)算中,沒有特殊要求且為了設(shè)計(jì)簡單方便,一般認(rèn)為尾架的材料形狀同頭架。改向滾輪尾架與基礎(chǔ)間也是通過地腳螺栓進(jìn)行連接。

        3? 帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓受力分析

        本文以角形傳動滾筒頭架為例,建立力學(xué)模型,將組成帶式輸送機(jī)機(jī)架的鋼材簡化成沒有橫截面積的桿進(jìn)行受力分析,并假設(shè)機(jī)架上各桿件都是剛性連接,在外載荷作用下,忽略各桿件在連接點(diǎn)處產(chǎn)生的微小變形[4]。將帶式輸送機(jī)頭架所受的力簡化成一個(gè)平面力系,通過對頭架受力進(jìn)行水平方向、豎直方向進(jìn)行分解以及力矩轉(zhuǎn)化,即得頭架螺栓的受力情況,帶式輸送機(jī)頭架前后兩側(cè)相對中心平面對稱,每側(cè)有2排螺栓,總共4排螺栓,每排各設(shè)4個(gè)螺栓,帶式輸送機(jī)頭架通過16個(gè)螺栓與基礎(chǔ)間連接。頭架的受力情況及螺栓的分布情況見受力圖1。注:在對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓進(jìn)行受力分析時(shí),因其尾架與頭架材料、結(jié)構(gòu)相似,故擇一進(jìn)行分析即可。

        本文以某鋼鐵廠高爐帶式上料機(jī)為例,對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓進(jìn)行受力分析,其參數(shù)如圖1:傳動滾筒質(zhì)量m1=823kg,改向滾筒質(zhì)量m2=350kg,頭架質(zhì)量m3=439kg。

        3.1 螺栓所受的水平外力

        水平方向上,上下兩邊輸送帶對傳動滾筒頭架的作用張力分別為方向向右的S1、S2,下邊輸送帶對改向滾筒的作用張力分別為方向向左的S2和方向向右的S3,很顯然傳動滾筒和改向滾筒所受的輸送帶張力S2是一對作用力與反作用力,因此整個(gè)帶式輸送機(jī)頭架螺栓在水平方向上所受的外力為:

        ∑Fx=S1+S2=29239N+13941N=43180N

        3.2 螺栓所受的豎直外力

        頭架主要來支撐傳動滾筒和改向滾筒重量,因此頭架與基礎(chǔ)間連接的螺栓主要承受的豎直方向方向外力有:傳動滾筒重力G1、改向滾筒重力G2及機(jī)架本身的重力G3,因此整個(gè)帶式輸送機(jī)頭架螺栓在豎直方向上所受的外力為:

        ∑Fy=G1+G2+G3=(823+350+439)*9.8=15797.6N

        3.3 螺栓所收到的傾覆力矩

        帶式輸送機(jī)機(jī)架的螺栓所受到的傾覆力矩位于機(jī)架的對稱平面內(nèi),是由帶式輸送機(jī)的頭部傳動滾筒緊邊張力S1、改向滾筒奔離點(diǎn)張力S3、傳動滾筒的重力G1、改向滾筒的重力G2以及整個(gè)機(jī)架重力G3對螺栓形心所產(chǎn)生的。帶式輸送機(jī)機(jī)架支座在承受傾覆力矩之前,由于各個(gè)螺栓均已擰緊,螺栓在預(yù)緊力的作用下,有均勻的伸長;在帶式輸送機(jī)機(jī)架受到傾覆力矩之后,機(jī)架支座會繞著螺栓形心所在軸線傾轉(zhuǎn)一個(gè)角度,此時(shí)軸線左側(cè)的頭架螺栓被進(jìn)一步拉伸,右側(cè)頭架螺栓被放松。在計(jì)算螺栓所收到的傾覆力矩之前需要先求得螺栓的形心位置。

        螺栓形心位置:

        =967mm

        傾覆力矩:

        M=S1*h-m1*gx0*-m2g*(x0-x)+m3*g*(xJ-x0)-S1*sin?茁*x0-s3*sin?茁(x0-x)=24976.8312N*m[5]。

        3.4 傾覆力矩產(chǎn)生的軸向力

        作用在帶式輸送機(jī)底座兩側(cè)的各個(gè)力,對螺栓形心所在軸線形成了一個(gè)力矩,這個(gè)力矩與傾覆力矩平衡,即:M=∑■■FiLi,因各螺栓的變形與其到軸線的距離成正比,又因各螺栓的剛度相同,所以螺栓和基礎(chǔ)間所受工作載荷與該螺栓到軸線的距離也成正比,即:=D[6]。

        根據(jù)公式:,得出同一排的四個(gè)螺栓因傾覆力矩而產(chǎn)生的軸向力,分別為:F′1y=2292N(方向向下),F(xiàn)′2y=1945(方向向下),F(xiàn)′3y=1945N(方向向上),F(xiàn)′4y=2292N(方向向上)。

        3.5 螺栓所受的總力

        在進(jìn)行螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),螺栓所承受的最大應(yīng)力與螺栓的許用應(yīng)力有對應(yīng)的安全系數(shù),且由于帶式輸送機(jī)在啟動、運(yùn)行和停止時(shí)輸送帶的張力是變化的,同時(shí)還要考慮設(shè)備中的故障及其他因素的影響,因此在進(jìn)行帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓受力分析時(shí)需要選用一個(gè)動載系數(shù)。根據(jù)濮良貴等人主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-10可知,承受變載荷的緊螺栓連接,動載系數(shù)可選1.2-1.5,在本次計(jì)算中,選取數(shù)值K=1.5。

        因此,帶式輸送機(jī)機(jī)架單個(gè)螺栓所承受的水平力為:

        =4048N

        帶式輸送機(jī)機(jī)架單個(gè)螺栓所承受的軸向力為:

        得:F″1y=4919N(方向向下),F(xiàn)″2y=4398.5(方向向下),F(xiàn)″3y=1957N(方向向上),F(xiàn)″4y=1436.5N(方向向上)。

        對于單個(gè)普通螺栓受橫向力,通過預(yù)緊后產(chǎn)生的摩擦力來抵抗橫向載荷,螺栓受剪,若橫向力過大會造成螺栓壓潰或者螺栓桿剪斷;對于單個(gè)螺栓受軸向力,螺栓受拉,若軸向力過大會造成螺栓螺紋部分發(fā)生斷裂;除此之外,在帶式輸送機(jī)的工作振動中,螺栓還會發(fā)生松動。

        4? 帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓失效對策分析

        為防止帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓在使用的過程中因受力導(dǎo)致壓潰、斷裂等現(xiàn)象而發(fā)生意外,需采用相應(yīng)的措施提高螺栓的強(qiáng)度、剛度和使用過程中的穩(wěn)定性,同時(shí)提高螺栓的防松能力,措施如下:①選用合適尺寸的螺栓。根據(jù)帶式輸送機(jī)的使用參數(shù),求得螺栓所受的軸向力和水平力,進(jìn)而根據(jù)螺栓剪切的許用應(yīng)力和螺栓拉伸的許用應(yīng)力求得螺栓的直徑,查找螺栓標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)格表,選取符合要求的螺栓型號。②降低螺栓的應(yīng)力幅。根據(jù)理論與實(shí)踐可知,在減小螺栓剛度或者增大帶式輸送機(jī)機(jī)架的剛度的同時(shí),提高預(yù)緊力,可以使得螺栓在連接過程中的殘余預(yù)緊力不致減小太多或保持不變,從而可以達(dá)到減小應(yīng)力幅的目的,同時(shí)也可以改善連接的可靠性和緊密性。工程應(yīng)用中,可以通過擰緊力矩、螺母轉(zhuǎn)角、螺栓伸長量、液壓拉伸器等方式提升螺栓的預(yù)緊力。③提高螺栓的疲勞強(qiáng)度,改善螺紋牙上載荷分布不均。一方面通過改進(jìn)螺母的設(shè)計(jì),將螺母懸置設(shè)計(jì),使螺母轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾菽?或者在螺母的下部開設(shè)環(huán)槽,使螺母工作時(shí)下部受拉且富有彈性。另一方面采用螺套,由于螺套具有彈性,以它作為中介體,旋入被聯(lián)接件的螺孔中可以改善螺紋牙間受力不均勻現(xiàn)象。④采用合理的制造工藝。

        5? 結(jié)束語

        總結(jié),通過對帶式輸送機(jī)機(jī)架螺栓受力分析可知,單個(gè)螺栓分別承受橫向力和軸向力,在使用過程中,螺栓承受剪應(yīng)力和拉應(yīng)力,若螺栓所受的外力增大引起螺栓失效將會產(chǎn)生一系列的安全事故。因此,我們要針對帶式輸送機(jī)的使用場合對螺栓進(jìn)行設(shè)計(jì),采取相應(yīng)的措施,提高螺栓的疲勞強(qiáng)度和防松能力,除此之外還要定期檢查,排除隱患,做好螺栓使用過程中的防腐和保養(yǎng)工作。

        參考文獻(xiàn):

        [1]高英.帶式輸送機(jī)數(shù)據(jù)庫的建立與設(shè)計(jì)選型軟件開發(fā)[D].太原科技大學(xué),2009.

        [2]宋曉琨.DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)CAD系統(tǒng)的開發(fā)[D].太原理工大學(xué),2007.

        [3]北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所.DT Ⅱ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].2003.

        [4]楊迪雄,徐先臣.超靜定結(jié)構(gòu)支座反力計(jì)算的單位支座位移法[J].力學(xué)與實(shí)踐,2012(02):68-71.

        [5]梁菁.帶式輸送機(jī)機(jī)架受力分析和程序設(shè)計(jì)[D].太原科技大學(xué),2016.

        [6]濮良貴,陳國定,吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].第九版.高等教育出版社,2013.

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