大跨度橋式雙斗輪混勻取料機橋梁設計

胡 昊

（沈陽職業技術學院，沈陽 110045）

0 引言

橋梁是橋式雙斗輪混勻取料機的重要鋼結構，由兩個等距的工字梁為主體并沿長度方向布置有隔板，在隔板間采用型鋼斜拉聯接。

橋梁的載荷狀態分為三種，即自重狀態、承重狀態和負載狀態。不同載荷狀態對應產生不同的撓度值，為保證橋梁在最終負載狀態下的使用性能，在設計時，對橋梁的生產工藝進行了分析研究，確定了在不同載荷狀態下的預拱度值。

1 橋梁結構及受力分析

橋梁兩端固定在50米跨度上的行走機構端梁上，橋梁上套有雙斗輪裝置且雙斗輪裝置帶動料耙在橋梁上往復行走。橋梁上部還設有受料膠帶機，斗輪裝置挖取的物料通過落料斗卸入橋梁上的受料膠帶機，并交運給地面膠帶機，完成取料作業，如圖1所示。

圖1 HQL1200/50橋式雙斗輪混勻取料機

橋梁要承受自身重力載荷；承受雙斗輪、雙料耙的集中載荷；承受膠帶、托輥、物料等均布載荷。

2 初步確定橋梁的主截面尺寸

2.1 計算橋梁的慣性矩及抗彎截面模量

初定橋梁截面高H=3150mm,上下翼緣板寬度B=360mm,厚度為30mm,腹板厚度為t=16mm，如圖2所示。

圖2 橋梁截面

單片工字梁慣性矩：

式中b＝B－t＝36－1.6＝34.4cm

單片工字梁抗彎截面模量

2.2 計算橋梁在集中載荷作用下的最大應力及最大變形

當雙斗輪運行到橋梁中間位置時，集中載荷作用下的應力及變形最大，如圖3所示。

斗輪裝置單重35t,料耙單重6t，在每片工字梁上的載荷：

圖3 集中載荷作用于橋梁

最大彎矩：

M1max=P×a=20500kg×1500cm=30750000 kg ·cm

最大應力：

最大變形：

2.3 橋梁在自重及均布載荷作用下的最大應力及最大變形

橋梁自重90t，50米跨度內承重80t，如圖4所示。

圖4 均布載荷及自重作用于橋梁

每米長度上橋梁自重：q1=80000/50=1600kg/m

每米長度上膠帶重：

q2=1.2×(4×1.32+5.1+1.7)=14.5kg/m

膠帶機帶寬1200mm，膠帶型號：EP200×4 (4.5+1.5)。

每米長度上托輥重：q3=100.5 kg/m

每米長度上物料重：

q4=Q/(3.6V)=1200/(3.6×2) =166.7 kg/m

單片工字梁承受均布載荷為：

q= (q1+ q2+ q3+ q4) /2=941kg/m=9.41kg/cm

最大彎矩：

最大應力：

最大變形：

2.4 采用疊加法計算橋梁的最大應力和最大變形

將橋梁在集中載荷作用下和橋梁在均布載荷作用下的應力及變形進行疊加。

最大應力：

最大變形：fmax=f1+f2= 46+41.6=87.6 mm（未考慮橋梁跨度外伸端載荷會減少橋梁撓度）

3 應用有限元校核橋梁的剛度及強度

3.1 計算工況及結構載荷

取料機在工作狀態下橋梁主要承受斗輪、料耙的重量，及均勻分布在橋梁上的膠帶、托輥、物料等的重量。橋梁結構主要載荷情況如表1所示。

表1 橋梁結構載荷表

隨著斗輪裝置在橋梁上位置的變化，這里分為二種不同工況進行分析。

工況一：應力最大位置——兩斗輪對稱作用在橋梁相對中間位置；

工況二：撓度極值最大位置—— 一端斗輪作用在距橋梁極限位置a=3m處，如圖3所示。

3.2 計算模型

橋梁結構主要由上下翼緣、腹板、部分型鋼及行走軌道組成。根據橋梁結構特點，這里將上下蓋板及腹板抽象為shell單元，連接型鋼抽象為Beam單元，由于行走軌道作用在翼緣表面上，這里將其抽象為Shell單元。其余部分根據其受力狀況劃分為不同類型的單元。結構模型如圖5所示。

3.3 加載分析

將表1所列各項載荷以所給的作用效果分別加載到橋梁上。

橋梁自重為均布載荷，通過程序自動生成，均勻分布在橋梁上各點。斗輪、料耙總重41.7噸，由于料耙的偏心，使斗輪裝置對橋梁產生一個扭矩，這里通過車輪在橋梁兩片腹板上作用力的差值來模擬該扭矩的效果。經過計算作用兩片腹板上的作用力為11.61噸、54.31噸，分別作用在500mm×360mm的面積上，面載荷大小分別為0.363N/mm2和－1.698N/mm2，其作用位置隨著工況的不同發生變化。

圖5 橋梁結構模型

圖6 約束及載荷圖

膠帶、托輥和物料的載荷均勻作用在橋梁的上蓋板上，以線載荷形式加載。

司機室、左端改向滾筒、右端改向滾筒、傳動滾筒、驅動裝置和漏斗對橋梁的作用力分別以線載荷的形式作用在橋梁的相對位置上，其大小分別為7.5 N/mm，19.8 N/mm，38.5 N/mm，20.4 N/mm，1.3 N/mm和2.7 N/mm。具體加載及約束情況如圖6所示。

3.4 計算結果

工況一：兩斗輪作用在橋梁相對中間位置。

加載分析，最后得出橋梁應力圖如圖7所示。從圖中可以看出橋梁最大應力為109MPa，位置如圖7所標記。

橋梁變形前后對比圖形如圖8所示。從圖中可以看出橋梁最大變形產生在中間位置，撓度值為75.1mm。

圖7 橋梁應力圖

圖8 橋梁變形圖

工況二：一端斗輪作用在距橋梁極限位置a=3m處(工作極限位置)。

加載分析，得出橋梁應力圖如圖9所示。從圖中可以看出去除應力集中橋梁最大應力為106MPa，位置如圖9所標記。

橋梁變形前后對比圖形如圖10所示。從圖中可以看出橋梁最大撓度值為77mm，位置如圖10所標記。

通過有限元計算結果可以看出，在工況一即兩個斗輪作用在橋梁相對中間位置的情況下，橋梁應力及變形最大。最大應力為109MPa，撓度為77mm。

圖9 橋梁應力圖

圖10 橋梁變形圖

經計算變形量為1/650，應力及變形均在允許范圍內（橋梁主要結構件材質為Q345-B）。

4 大跨度橋梁的預拱分析研究

在橋梁施工圖設計中，要考慮在安裝現場五段橋梁焊為一體后，在自重狀態下應保持一定的拱度值，用來指導現場橋梁焊接后的檢驗驗收。一般情況下，在現場安裝完橋梁及雙斗輪裝置后，橋梁在自重和雙斗輪的重力作用下應有4/10000的拱度，其拱度值為50000×4/10000＝20mm。因此，在設計時，橋梁的預拱度值為：

5 結論

橋梁是橋式斗輪混勻取料機重要鋼結構部件，橋梁結構大，跨距長，橋梁的受力對其自身和整個取料機的強度、剛度和穩定性都有較大影響。

在設計中采用傳統的力學方法初步確定橋梁的主截面尺寸，為有限元計算提供必要的結構參數，然后利用有限元對橋梁的強度、剛度和重心位置三個主要方面進行優化設計，確定橋梁合理的截面及型式，使橋梁的設計合理，經濟可靠。

[1] 邵明亮.斗輪堆取料機[M].北京:化工工業出版社.2007.

[2] 成大先.機械設計手冊[Z].北京: 化工工業出版社.2008.