帶式輸送機機架螺栓受力分析及失效對策分析

王雪飛

摘要：近來由于加工、生產、運輸設備螺栓失效導致的安全事故頻發，帶式輸送機又是日常生產中的常用設備，因此本篇文章主要對帶式輸送機機架螺栓進行受力分析，找到引起螺栓連接失效的受力類型，進而提出螺栓失效的預防對策，確保帶式輸送機在使用過程中安全穩定。

關鍵詞：帶式輸送機;螺栓;受力;失效;對策

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

0? 引言

帶式輸送機是一種高效的運輸設備，具有結構簡單，操作運維方便，能耗低等特點，帶式輸送機的運用極大的提高了生產效率和生產產量。機架作為帶式輸送機的主體構架，要求具有一定的強度、剛度、穩定性和一定的承載能力。帶式輸送機機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，機架的穩定性要求螺栓在連接過程中不產生失效。在實際生活中，由于螺栓失效而引起的安全事故頻發，例如深圳“太空迷航”事件、風電行業由于螺栓問題導致倒塌等，因此需要對帶式輸送機機架螺栓連接進行受力分析，了解其受力類型，并對其可能產生的失效形式進行分析并提出相應對策。

1? 螺栓概述

螺栓在機械設備的裝配、安裝、使用、運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，它具有構造簡單，裝拆方便，成本低等特點，且可以用于通孔連接，能從被連接件的兩邊進行裝配，屬于可拆卸連接。但螺栓連接在實際運用過程中，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? 帶式輸送機機架概述

帶式輸送機的機架主要是由型鋼、槽鋼以及鋼板，通過焊接和螺栓等方式連接起來的金屬結構[1]。根據機架在帶式輸送機上作用的不同，主要設計了用于支承三種滾筒的滾筒機架、支承整個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，三種滾筒機架包含傳動滾筒機架、改向滾筒機架、卸載滾筒機架[2]。根據機架在帶式輸送機上布置位置的不同分為帶式輸送機頭架、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間通過地腳螺栓進行連接，連接時應緊固，無異常振動，且其制造誤差不得超過有關標準的要求。

中間架主要用來支撐整個輸送裝置和中部傳動滾筒，為了提高中間架穩定性，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接，便于運輸。

尾架主要用來支撐改向滾筒，位于帶式輸送機輸送線路末端。一般在設計計算中，沒有特殊要求且為了設計簡單方便，一般認為尾架的材料形狀同頭架。改向滾輪尾架與基礎間也是通過地腳螺栓進行連接。

3? 帶式輸送機機架螺栓受力分析

本文以角形傳動滾筒頭架為例，建立力學模型，將組成帶式輸送機機架的鋼材簡化成沒有橫截面積的桿進行受力分析，并假設機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處產生的微小變形[4]。將帶式輸送機頭架所受的力簡化成一個平面力系，通過對頭架受力進行水平方向、豎直方向進行分解以及力矩轉化，即得頭架螺栓的受力情況，帶式輸送機頭架前后兩側相對中心平面對稱，每側有2排螺栓，總共4排螺栓，每排各設4個螺栓，帶式輸送機頭架通過16個螺栓與基礎間連接。頭架的受力情況及螺栓的分布情況見受力圖1。注：在對帶式輸送機機架螺栓進行受力分析時，因其尾架與頭架材料、結構相似，故擇一進行分析即可。

本文以某鋼鐵廠高爐帶式上料機為例，對帶式輸送機機架螺栓進行受力分析，其參數如圖1：傳動滾筒質量m1=823kg，改向滾筒質量m2=350kg，頭架質量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，因此整個帶式輸送機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及機架本身的重力G3，因此整個帶式輸送機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

帶式輸送機機架的螺栓所受到的傾覆力矩位于機架的對稱平面內，是由帶式輸送機的頭部傳動滾筒緊邊張力S1、改向滾筒奔離點張力S3、傳動滾筒的重力G1、改向滾筒的重力G2以及整個機架重力G3對螺栓形心所產生的。帶式輸送機機架支座在承受傾覆力矩之前，由于各個螺栓均已擰緊，螺栓在預緊力的作用下，有均勻的伸長;在帶式輸送機機架受到傾覆力矩之后，機架支座會繞著螺栓形心所在軸線傾轉一個角度，此時軸線左側的頭架螺栓被進一步拉伸，右側頭架螺栓被放松。在計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 傾覆力矩產生的軸向力

作用在帶式輸送機底座兩側的各個力，對螺栓形心所在軸線形成了一個力矩，這個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]。

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

3.5 螺栓所受的總力

在進行螺栓的設計計算時，螺栓所承受的最大應力與螺栓的許用應力有對應的安全系數，且由于帶式輸送機在啟動、運行和停止時輸送帶的張力是變化的，同時還要考慮設備中的故障及其他因素的影響，因此在進行帶式輸送機機架螺栓受力分析時需要選用一個動載系數。根據濮良貴等人主編的《機械設計》表5-10可知，承受變載荷的緊螺栓連接，動載系數可選1.2-1.5，在本次計算中，選取數值K=1.5。

因此，帶式輸送機機架單個螺栓所承受的水平力為：

=4048N

帶式輸送機機架單個螺栓所承受的軸向力為：

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

對于單個普通螺栓受橫向力，通過預緊后產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生斷裂;除此之外，在帶式輸送機的工作振動中，螺栓還會發生松動。

4? 帶式輸送機機架螺栓失效對策分析

為防止帶式輸送機機架螺栓在使用的過程中因受力導致壓潰、斷裂等現象而發生意外，需采用相應的措施提高螺栓的強度、剛度和使用過程中的穩定性，同時提高螺栓的防松能力，措施如下：①選用合適尺寸的螺栓。根據帶式輸送機的使用參數，求得螺栓所受的軸向力和水平力，進而根據螺栓剪切的許用應力和螺栓拉伸的許用應力求得螺栓的直徑，查找螺栓標準及規格表，選取符合要求的螺栓型號。②降低螺栓的應力幅。根據理論與實踐可知，在減小螺栓剛度或者增大帶式輸送機機架的剛度的同時，提高預緊力，可以使得螺栓在連接過程中的殘余預緊力不致減小太多或保持不變，從而可以達到減小應力幅的目的，同時也可以改善連接的可靠性和緊密性。工程應用中，可以通過擰緊力矩、螺母轉角、螺栓伸長量、液壓拉伸器等方式提升螺栓的預緊力。③提高螺栓的疲勞強度，改善螺紋牙上載荷分布不均。一方面通過改進螺母的設計，將螺母懸置設計，使螺母轉變為受拉螺母;或者在螺母的下部開設環槽，使螺母工作時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，旋入被聯接件的螺孔中可以改善螺紋牙間受力不均勻現象。④采用合理的制造工藝。

5? 結束語

總結，通過對帶式輸送機機架螺栓受力分析可知，單個螺栓分別承受橫向力和軸向力，在使用過程中，螺栓承受剪應力和拉應力，若螺栓所受的外力增大引起螺栓失效將會產生一系列的安全事故。因此，我們要針對帶式輸送機的使用場合對螺栓進行設計，采取相應的措施，提高螺栓的疲勞強度和防松能力，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工作。

參考文獻：

[1]高英.帶式輸送機數據庫的建立與設計選型軟件開發[D].太原科技大學，2009.

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

[3]北京起重運輸機械研究所.DT Ⅱ（A）型帶式輸送機設計手冊[M].2003.

[4]楊迪雄，徐先臣.超靜定結構支座反力計算的單位支座位移法[J].力學與實踐，2012（02）：68-71.

[5]梁菁.帶式輸送機機架受力分析和程序設計[D].太原科技大學，2016.

[6]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計基礎[M].第九版.高等教育出版社，2013.