帶式輸送機加強型機罩設計探討

夏光勇，汪 勇

(中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122)

膠帶輸送機廣泛應用于冶金、煤炭、電力、建材、碼頭等行業的散狀料運輸。冶金鋼廠的原料場、燒結、焦化、球團、高爐、煉鋼等單元均有配置，是原料場的主要輸送設備。

膠帶機通廊分為封閉和敞開兩種型式。敞開通廊為了壓塵、防雨、防曬，其上面應設置機罩，如圖1所示。

圖1 敞開通廊

機罩是成熟定型產品，作為膠帶機的標準部件供貨，一般由罩體和連接件組成(見圖2)。連接件的掛鉤扣在機罩把手上，連接件與機架采用緊定螺栓固定。

圖2 機罩連接件

2015年強臺風登陸某地，鋼廠受臺風襲擊，采用了全封閉通廊的膠帶機抗臺風性能較好，其膠帶、設備和電纜及橋架管線等均得到了有效保護而完好無損；而采用“桁架+機罩”型式通廊的膠帶機，架空較低的或周邊建筑物密集的膠帶機機罩吹落受損較少，架空較高的或者周邊空曠無遮擋的膠帶機機罩大部分被吹落。這嚴重影響了臺風后生產的恢復和正常生產，并對膠帶機設備周邊的其他建構筑物或設備和電纜等帶來次生災害。

位于臺風高發區的敞開式膠帶機機罩已不能滿足當地氣候條件和抗風要求，有必要對機罩的結構型式、強度等方面進行改進。

1 機罩受損原因分析

1.1 現場調研

強臺風中機罩受損有三類情況。第一類是受損機罩的連接件與機架連接的緊定螺栓脫落，表明緊定力不足以抵抗強臺風；第二類是機罩在強臺風下的變形位移造成掛鉤脫鉤，甚至部分掛鉤局部受力過大被拉平后，導致機罩脫落，見圖3。

圖3 臺風后機罩脫落

除了上述掛鉤脫落等原因外，機罩在超強臺風中被吹落的另一個原因是投用時間過長的機罩發生銹蝕，降低了連接處強度所致，如：機罩螺栓連接處被拉裂、臨時固定用的鐵絲被拉斷、螺栓孔受銹蝕后變大導致連接螺栓脫落等，如圖4所示。

圖4 機罩銹蝕

通過對機罩在強臺風中受損情況分析來看，需要對機罩的強度、連接件結構型式等方面進行改進，以提高機罩的抗臺風能力。

1.2 CAE變形分析

機罩活扣把手由于風力過大而發生彎曲變形，導致機罩被掀開，利用CAE對其進行仿真分析。

1)材料參數

機罩采用Q235鋼材，其材料參數如下：

密度：7.8 kg/m3；彈性模量：2.06 GPa；泊松比：0.3；屈服值：235 MPa；屈服模量：3 900 MPa。

2)風荷載系數

取值如下：基本風壓：0.86 kPa[1]；高度系數：1.79；陣風系數：1.51。

3)機罩掛鉤位移示意圖

膠帶機機罩掛鉤位移如圖5所示。

圖5 活口位移示意圖

4) CAE分析

通過對機罩下部采用兩端固定支點和一端固定支點，另一端鉸接支點的兩種工況進行CAE分析。

計算結果顯示，機罩下部采用兩端固定支點的工況比機罩一端固定支點一端鉸接支點的效果要好，兩端固定支點的工況機罩整體位移變形量約80 mm，連接部件(掛鉤)變形量約5 mm；但機罩一端固定，一端鉸接的工況其整體位移變形量約140 mm，連接部件(掛鉤)變形量約34 mm。

從圖5可以看出，當活扣掛鉤發生大約30 mm的位移時，可能會發生松動、松扣，因此機罩設計時，底部要進行固定，限制其轉動位移，防止出現活扣掛鉤松動機罩被掀翻。

2 加強型機罩設計

根據前述對強臺風中機罩受損原因分析，主要從機罩體和安裝扣件兩個方面對機罩進行增強和改進。

2.1 機罩體的增強措施

(1)增大機罩彩鋼板的厚度。普通機罩鋼板厚度偏小(帶寬1 400 mm及以下厚度為0.6 mm，帶寬1 600 mm及以上厚度為0.7 mm)，機罩厚度帶寬1 400 mm的按照0 .8 mm，帶寬1 600 mm的按照0.9 mm進行CAE計算分析驗算。

(2)適當增大機罩體波高，提高機罩體的剛度。普通機罩的波紋高度為9 mm，增強型機罩波紋高度加大到11 mm，以改善機罩罩殼的強度和剛性。

(3)機罩體兩端設置大波，提高機罩體剛度。普通機罩采用相同的波紋高度，增強型機罩每段罩體的兩端各增加一道加大波紋，波紋高度為20 mm，有利于提高機罩體剛度，并提高安裝定位的準確性。

2.2 機罩安裝扣件結構的增強改進措施

普通機罩的安裝扣件為掛鉤把手形式，機罩罩體在風力作用下發生位移變形時，易造成掛鉤脫落，增強型機罩如圖6所示，進行了如下改進：

圖6 加強型機罩本體斷面圖

(1)機罩體雙側壓板，增強連接強度。普通機罩罩體內側無壓板，增強型機罩罩體外側采用通長的安裝角鋼、內側采用通長的壓緊扁鋼，每側通過14顆螺栓連接固定。增大安裝連接件與機罩間的接觸面積和摩擦力，避免機罩連接孔處被破壞的可能性。

(2)增強機罩固定方式。每段機罩安裝固定方式由原來的兩點固定改為四點固定方式，增加了機罩安裝固定的可靠性。避免由于安裝固定方式失效而導致機罩脫落。

(3)改進機罩連接件結構型式。固定方式由普通的掛鉤把手式改為采用簡單、方便、可靠的楔塊壓緊(楔塊斜角按5°設計，具有可靠的自鎖功能)形式，如圖7所示。

圖7 加強型機罩扣件圖

(4)增加機罩加強抱箍，提高機罩整體強度。每個機罩設置兩道扁鋼制作的加強抱箍，加強扁鋼與安裝扣件及機罩螺栓連接，如圖8所示，進一步防止機罩的脫落。

圖8 加強型機罩加強抱箍圖

3 CAE分析驗算

3.1 計算分析條件

為便于機罩CAE分析，確定以下幾個基本條件：

(1)通廊高度范圍一般為5～50 m，其中主要集中在20～30 m，CAE分析按30 m計算。

(2)根據機罩增強型措施，對需要計算的帶寬1 600 mm和帶寬1 400 mm膠帶機的機罩罩體和安裝扣件分別建模。其中機罩彩鋼板的厚度帶寬1 400 mm的按照0.8 mm，帶寬1 600 mm的按照0.9 mm分別計算分析。

(3)基本風壓、陣風系數、高度系數的取值同2.2節中第(2)條。

(4)選取最不利工況的端部節段機罩和中部節段機罩，因端部節段機罩體型系數比中部節段機罩體型系數大的很多，所以分別計算各板厚的端部節段機罩罩體在風載荷作用下的最大位移量以及風載荷卸載后殘余塑性變形量。

(5)分別選取最不利工況的端部節段機罩，計算安裝扣件區域相關構件的強度。

3.2 機罩罩體的CAE計算結果

帶寬1 400 mm彩板厚度0.8 mm的端部節段機罩風載荷下最大變形為19.68 mm，風荷載卸載后殘余塑性變形2.93 mm；帶寬1 600 mm彩板厚度0.9 mm的端部節段機罩風載荷下最大變形為15.96 mm，風荷載卸載后殘余塑性變形2.0 mm。

3.3 安裝扣件的CAE計算分析結果

對于安裝扣件，根據《膠帶運輸機機罩風壓特性風洞試驗研究》結果[2]：端部節段機罩在-15°，135°風向作用下，安裝支座在豎直方向的支反力最大，現按此最不利狀態考慮，將每個機罩的合力平均分配到兩個扣件上，且楔塊與楔塊支座間按線接觸考慮。不同鋼板厚度的機罩，其安裝扣件的受力情況是一致的。計算結果為安裝扣件區域相關構件受力計算結果最大值為210.27 MPa。

4 結 論

膠帶機機罩變形限值國家規范沒有做出明確規定，考慮到強臺風出現的概率以及膠帶機機罩的功能使用要求 ，參考《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)5.5.5條規定多、高層鋼結構彈塑性層間位移角限值為1/50，將機罩在超強臺風作用下的彈塑性變形限值定為機罩高度的1/50。帶寬1 600 mm的機罩體高度1 165 mm，其允許的彈性塑性變形值最大為23.3 mm；BW1400機罩體高度1 065 mm，其允許的彈性塑性變形值最大為21.3 mm。

結合CAE分析，帶寬14 00 mm的機罩罩體板厚按0.8 mm，帶寬1 600 mm的機罩罩體板厚按0.9 mm，同時提高機罩罩體波高等因數下，理論上抵抗一定強度臺風是可行的。

安裝扣件區域相關構件受力最大值為210.27 MPa，小于構件材料(Q235A)的許用公稱強度235 MPa，安裝扣件不會產生失效問題，加強型機罩的安裝扣件滿足設計要求。

但機罩和扣件在加工制造、安裝調試和生產維護的每個步驟均會對機罩使用性能有影響，而且臺風特性千差萬別，膠帶機機罩又受安裝位置、周圍遮擋物情況、生產維護等一系列復雜因素的綜合影響。所以，雖然加強型機罩相對于普通機罩，在罩體和連接結構型式都有改進，抗風能力也顯著提高，但仍然存在少量機罩因各種原因受臺風破壞局部受損，甚至被吹掉的可能性。