管帶機中部機架結構形式的分析與優化

馮蘋

泰富重裝集團 湖南長沙 410000

中部機架作為圓管帶式輸送機中主要的承載結構，其重量大約為整個系統重量的1/3-1/2，制造成本大約占整個系統的一半左右，因此其設計制造及性能將直接影響到管帶機的整機性能及制造成本。現階段關于圓管帶式輸送機中部機架設計的理論根據大多源于工程經驗，真正根據力學原理進行的中部機架設計理論在國內研究領域仍然是一片空白。這樣做的后果是導致了工程上大量的鋼材浪費，也增加了安裝維護的難度。另外，中部機架安全問題也不容忽視，國內部分圓管帶式輸送機生產線就出現過棧橋走道脫焊，威脅維修人員安全等問題。因此中部機架的合理設計有助于提高整機的安全可靠性與經濟實用性。目前最常用的中部機架結構是桁架式結構，托輥組安裝在折彎板上，折彎板由平板沖壓而成，制造非常經濟，但折彎板膠帶通過部分挖空會造成大量的板材浪費。本文在原有隔板式結構的基礎上對中部機架結構進行了優化設計，對于提升管帶機的環境適應性，降低工程師工作強度具有重要的實際意義。

1 管帶機中部機架結構形式分析

管帶機中部機架的外形尺寸和截面形式主要與托輥的布置形式及承受載荷大小等因素有關。圓管帶式輸送機托輥的布置形式主要有一輥式、二輥式、三輥式、四輥式、六輥式、八輥式、十二輥式，前三后三輥式。現在最常用的是六輥式和前三后三輥式。另外，根據斷面形狀可以將管帶機中部機架形式劃分成為矩形中部機架、三角形中部機架、上圓形下矩形中部機架等。在實際工作過程中，考慮輸送帶成槽性以及在物料載荷力的作用下，完全形成圓管形狀對于輸送帶而言，其工作狀態并不是最佳的。目前常用的隔板式結構，托輥組安裝在折彎板上，折彎板由平板沖壓而成，制造簡單。

2 管帶機中部機架結構優化

某工程項目有10條管帶機共超過50公里，折合成24m的標準段就會有2000多段中部機架。這么多機架中80%是不一樣，需要對其結構形式進行修改。在這種情況下如果采用二維方式出圖，那么在設計過程中就必然要求工程師針對所有的內容進行修改。這種操作模式一方面會顯著加大工程師的工作量，工程師在長時間高強度工作下，容易出現差錯。總之，這種模式不利于工程項目的實施。為了縮短設計周期，同時提高設計可靠性，本文基于常用的隔板式結構對中部機架結構進行了優化設計。

2.1 優化總體思路

針對標準段L為24m的兩種管帶機中部機架結構形式，即原有隔板式結構以及新型結構，給定一個工況條件，按照相同的工況條件對它們分別進行計算分析。基于初步的計算分析結果確定管帶機中部機架的截面形式以及關鍵參數。根據中部機架的截面形式及其關鍵參數，利用有限元軟件建立模型，通過有限元軟件實現中部機架結構的計算分析。反過來，根據有限元軟件的計算分析結果來對管帶機中部機架的結構形式和關鍵參數進行優化完善。完成以上優化設計后，將結果與工藝部門、制造部門等進行討論分析，工藝部門可以從工藝角度提出中部機架結構的優化意見，制造部門可以從生產制造角度提出中部機架結構的優化意見。根據討論意見對新型中部機架結構進行進一步修改。

將優化設計好的管帶機中部機架與原有隔板式結構從受力、加工、制造、運輸等層面進行綜合對比分析，最終明確最優的中部機架結構形式。根據分析結果撰寫中部機架結構型式分析報告，同時繪制管帶機中部機架的詳細工程圖。最后就是在實際的工程項目中對新型中部機架機構形式進行大力推廣。

表1 原有隔板式中部機架受力情況

表2

2.2 優化設計

本項目設計了一種新型管狀帶式輸送機中部機架結構形式，假設一種工況，設計中涉及到的一些基本參數主要有，管徑大小為450mm，輸送的物料為砂石，密度為1.6t/m3，輸送速度為4.2m/s，每小時可以輸送2500t物料。

基于上述工況，原有隔板式中部機架受力情況如表1所示。表1中，根據現有的條件查閱DTⅡ手冊，按照ST3500膠帶屬性可以計算得到膠帶單位重量。基本風壓和基本雪載根據管帶機工作地區的具體情況來確定，積垢載荷參考文件JB/T8849-2005移動式散料連續搬運設備并考慮現場情況取值放大。

新型中部機架結構形式優化過程如下：

（1）根據前文的工況條件計算整體結構的受力情況，結果如表2所示。

（2）充分考慮以上計算結果，可以確定新型中部機架結構形式。

（3）根據設計的中部結構形式繪制三維CAD圖形，并將其輸入有限元軟件中對結構形式進行分析計算，基于計算結果實現中部機架結構形式初步確定。

（4）進一步和生產制造部門以及工藝設計部門進行溝通協作，基于這些部門反饋的意見對中部機架結構型式進行修改。

（5）從受力、加工、制造、運輸等多個方面對優化設計的中部機架結構形式與原有的隔板式結構進行對比分析，確定最終的中部機架結構型式，作為一種全新的、更優的結構形式，再以后的工程項目中可以投入使用。

（6）根據兩種中部機架結構形式的對比分析結果撰寫分析報告，并基于新型中部機架結構繪制詳細工程圖。

針對工程項目實施過程中存在的問題，本文設計了一種新型中部機架結構型式，分別對兩種結構從受力、加工、制造、運輸等方面的類比分析，最終確定了中部機架的結構型式。本新型中部機架結構形式可以首先在本公司項目推廣，然后再進行產品系列化、通用化推廣應用。通用化能提高設計進度，簡化工藝過程，降低制造難度，縮短生產周期，減少制造成本。

3 結語

中部機架作為管帶機中的關鍵承載部件，其結構形式對于發揮管帶機的性能有著重要的作用。本文給定相同工況條件對原有隔板式結構以及新型中部機架結構分別進行了計算分析，在此基礎上優化設計出了新型管帶機中部機架結構形式。新的結構形式可以確保管帶機能夠適應更多環境。