基于皮帶機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的局部改造分析

靳文博

（河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

曹妃甸礦石碼頭一期采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)808 m，其中靠泊岸線長(zhǎng)度735 m，碼頭前沿停泊水域底標(biāo)高-25 m。碼頭堆場(chǎng)區(qū)有效長(zhǎng)度1481 m，有效寬度399 m，面積58 萬平方米，共布置6 條堆存場(chǎng)地，堆存能力500 萬噸。曹妃甸礦石碼頭一期裝卸系統(tǒng)現(xiàn)配置有6 臺(tái)橋式卸船機(jī)，單機(jī)卸船能力2500 t/h；碼頭至堆場(chǎng)布置2 條卸船線，每條線最大運(yùn)輸能力為7500 t/h，最大運(yùn)輸能力8630 t/h，在裝卸系統(tǒng)中，由卸船機(jī)將物料直接接卸到BM1/2 線皮帶機(jī)，再經(jīng)下游皮帶機(jī)倒運(yùn)至堆場(chǎng)。在生產(chǎn)過程中，BM1/2 線皮帶機(jī)能否正常運(yùn)行，直接影響下游作業(yè)流程的進(jìn)行，對(duì)于該皮帶機(jī)的維護(hù)與維修，在整個(gè)生產(chǎn)流程中起著至關(guān)重要的作用。

1 BM1/2 皮帶機(jī)的不足

由于接卸量大，BM1/2 線皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻繁，其皮帶需要定期更換，但是BM1/2 線皮帶機(jī)的基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊（圖1）。BM1/2 線皮帶機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：①BM1/2 線皮帶機(jī)由基礎(chǔ)立柱支撐皮帶機(jī)機(jī)架梁；②皮帶機(jī)機(jī)架梁置于底梁上方，基礎(chǔ)立柱與托輥架的中心線垂直相交；③機(jī)架梁貫穿于BM1/2 線皮帶機(jī)托輥架組的正下方。在對(duì)BM1/2 線皮帶的維護(hù)與維修過程中，更換該皮帶機(jī)的皮帶時(shí)，由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，BM1/2 線皮帶機(jī)的牽引位置狹窄，皮帶在由機(jī)架底部牽引時(shí)，不能順利地由托輥架正下方拖出，并會(huì)產(chǎn)生折疊，極大增加了牽引力，而且維修過程耗時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致影響正常生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)，造成較大的損失。針對(duì)其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，急需對(duì)BM1/2 線皮帶機(jī)的主體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改造，以滿足更換皮帶的維護(hù)與維修要求，確保BM1/2 線皮帶機(jī)在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行，從而連結(jié)下游作業(yè)流程，縮減維護(hù)與維修所耗工時(shí)，提高作業(yè)效率。

圖1 BM1/2 線皮帶機(jī)局部改造

2 局部改造

改造皮帶機(jī)局部鋼結(jié)構(gòu)后，焊接了相應(yīng)的附屬鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)特征發(fā)生改變，須對(duì)改造后的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行檢驗(yàn)校核，同時(shí)考慮地震載荷對(duì)該部分改造后的結(jié)構(gòu)特性的影響。

結(jié)合圖1，在BM1/2 線皮帶機(jī)局部改造方案中的主要改造部位有：①皮帶機(jī)機(jī)架梁原為2 根梁，其縱向貫穿與托輥架組的水平中線下方；②經(jīng)改造后，機(jī)架梁增加1 根，該處局部改造的位置為3 根機(jī)架梁；③增加的1 根機(jī)架梁位于皮帶機(jī)機(jī)架的水平中線下方，利用原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)立柱連結(jié)梁對(duì)其進(jìn)行支撐；④皮帶機(jī)機(jī)架梁一端使用螺栓進(jìn)行定位與固定，另一端搭接在下機(jī)架梁端部位置；⑤原皮帶機(jī)機(jī)架梁外移，放置基礎(chǔ)立柱上的焊接附加支撐處，由螺栓進(jìn)行定位與固定，軸線分別與BM1 與BM2皮帶線的托輥架外端立柱的垂直線重合；⑥BM1/2 線皮帶機(jī)整體分為86 跨，選取的局部改造位置為尾部第2 跨；⑦局部改造后皮帶機(jī)機(jī)架梁與基礎(chǔ)立柱的承力點(diǎn)由4 個(gè)增加到6 個(gè)；⑧局部改造后皮帶機(jī)底梁與皮帶機(jī)機(jī)架梁的整體承力點(diǎn)由6 個(gè)增加到9 個(gè)，經(jīng)檢核驗(yàn)算，各載荷為均布載荷。

2.1 BM1/2 線皮帶機(jī)的載荷

BM1/2 線皮帶機(jī)的載荷主要有基本載荷Ⅰ、地震載荷Ⅱ和風(fēng)載荷Ⅲ。

（1）基本載荷Ⅰ：①基本載荷Ⅰ定義為始終或經(jīng)常作用在BM1/2線皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)上的載荷，這里主要呈現(xiàn)為自重載荷，由于BM1/2線皮帶無爬坡，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，其在運(yùn)行時(shí)的動(dòng)載荷動(dòng)力系數(shù)取1.1；②BM1/2 線皮帶機(jī)的主要結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)立柱、機(jī)架梁，皮帶梁等組成，其上還有托輥組、接料板等若干附件，改造部分的自重約13.19 t；③由于BM1/2 線皮帶機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行特點(diǎn)，不可避免地產(chǎn)生積垢，假設(shè)積垢載荷以均布積料呈現(xiàn)，取皮帶機(jī)機(jī)架自重的5%；④經(jīng)過計(jì)算可知，該局部改造位置的基本載荷Ⅰ為M=15.23 t。

（2）地震載荷Ⅱ：①結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)，在此引入了地震載荷對(duì)改造后結(jié)構(gòu)的影響；②相應(yīng)地震烈度情況下，在峰值加速度與基礎(chǔ)加速等多方面進(jìn)行綜合考量；③進(jìn)一步驗(yàn)證局部改造后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確保在極端環(huán)境下的使用安全。地震載荷Ⅱ的峰值加速度、基本加速度值與重力加速度的對(duì)用系數(shù)見表1。

表1 相應(yīng)烈度對(duì)應(yīng)的峰值加速度平均值系數(shù)

（3）風(fēng)載荷Ⅲ：由于BM1/2 線皮帶機(jī)的橫向迎風(fēng)面基本不變，在此處風(fēng)載荷對(duì)改造后的結(jié)構(gòu)影響忽略，在改造后的校核過程中不予考慮。

因此，BM1/2 線皮帶機(jī)的局部改造后的機(jī)構(gòu)載荷為組合載荷，基本載荷與地震載荷共同組成了組合載荷Ⅱ。

2.2 材料與焊接

用于局部改造的結(jié)構(gòu)選用材料Q235，其綜合性能較好，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能得到較好配合，用途最廣泛，常軋制成角鋼、工字鋼、H 形鋼、槽鋼等型鋼，大量應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能均應(yīng)符合GB 700—1988《碳素結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，并應(yīng)具有碳、硫、磷含量和抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服點(diǎn)、冷彎試驗(yàn)等的合格保證。Q235 的基本許用應(yīng)力見表2。

表2 Q235 的基本許用應(yīng)力 MPa

設(shè)計(jì)過程中對(duì)鋼材、焊接材料等做出了嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求：

（1）手工焊：①采用E43或E50 型焊條，性能應(yīng)符合GB/T 5117—1995《碳鋼焊條》及GB 5118—1995《低合金鋼焊條》的規(guī)定；②所選用的焊條型號(hào)應(yīng)與主體金屬相匹配；③不同強(qiáng)度的鋼材焊接時(shí)，焊接材料的強(qiáng)度應(yīng)按強(qiáng)度較低的鋼材采用；④自動(dòng)焊或半自動(dòng)焊接采用的焊絲和焊劑，應(yīng)與主體金屬?gòu)?qiáng)度相適應(yīng)，且其熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于相應(yīng)手工焊條的抗拉強(qiáng)度。

（2）焊接要求為：①對(duì)接焊、坡口焊焊接質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)；②角焊縫外觀質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)；③焊接后整形，保證結(jié)構(gòu)的平行度、垂直度和平面度公差要求后拼裝。

（3）表面處理：①所有鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)按要求進(jìn)行車間保護(hù)性表面處理，包括噴丸、底漆、中間漆和面漆；②所有構(gòu)件在涂裝前表面進(jìn)行噴丸除銹，結(jié)構(gòu)件達(dá)到Sa2 級(jí)；③應(yīng)清除影響鋼結(jié)構(gòu)漆膜質(zhì)量的油脂、水、粉、塵、焊渣、飛邊毛刺等異物。

2.3 附加支撐及結(jié)構(gòu)校核

附加支撐為焊接結(jié)構(gòu)，局部改造的附加支撐載荷與各截面如圖2 所示，將附加支撐定義為件1 與件3，立柱連結(jié)梁定義為件2。此時(shí)局部改造后皮帶機(jī)機(jī)架梁與基礎(chǔ)立柱的承力點(diǎn)由4 個(gè)增加到6 個(gè)，在校核過程中為均布載荷受力。附加支撐焊接到皮帶機(jī)立柱上，BM1/2 線皮帶機(jī)局部改造如圖1 所示，附加支撐與基礎(chǔ)立柱的節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為剛性節(jié)點(diǎn)，改造后的結(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)化為剛架，其幾何穩(wěn)定性依靠節(jié)點(diǎn)的剛性，且各部件主要受彎曲應(yīng)力影響。

圖2 局部改造的附加支撐載荷與各截面

其中，w1=1370w3cm3，w2=2096.4 cm3，A1=A3=120.4 cm2，A2=144.32 cm2，L1=L3=1250 cm，L2=1850 cm，M1=M3=P1×L1，M2=P2×L2。基礎(chǔ)載荷：P1=P2=P3≈25.38 kN經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)校核檢驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表3 件1 與件3 在組合載荷Ⅱ的應(yīng)力校核結(jié)果 MPa

表4 件2 在組合載荷Ⅱ的應(yīng)力校核結(jié)果 MPa

2.4 底梁結(jié)構(gòu)校核

BM1/2 皮帶線局部改造后皮帶機(jī)底梁與皮帶機(jī)機(jī)架梁的整體承力點(diǎn)由6 點(diǎn)增加到9 點(diǎn)，在校核過程中為均布載荷受力，將其定義為件4（圖3）。

圖3 皮帶機(jī)機(jī)架梁載荷與截面

其中，W4=884 cm3，A4=81.12 cm2，Lmax=L1+L2=L3+L4=4500 mm，M4max=P×Lmax。基礎(chǔ)載荷：P1=P2=P3≈16.23 kN經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)校核檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 件4 在組合載荷Ⅱ的應(yīng)力校核結(jié)果MPa

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過結(jié)構(gòu)校核，考慮地震載荷下，Ⅸ（包括Ⅸ）級(jí)以下烈度，BM1/2 皮帶線局部改造后的結(jié)構(gòu)符合使用條件。因此，針對(duì)BM1/2 線皮帶機(jī)進(jìn)行局部改造的方案是可行的。