圆管带式输送机桁架梁PKPM分析

圆管带式输送机桁架梁PKPM分析 圆管带式输送机桁架梁PKPM分析

常小林1,2，廉自生1

(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.太原向明智能装备股份有限公司，山西 太原 030032)

摘要：对圆管带式输送机桁架梁内力进行分析。使用PKPM软件对工程实例中的桁架梁进行建模，并做应力比及节点位移分析，得出的结果完全符合实际使用要求。

关键词：圆管带式输送机；桁架梁；PKPM

0 引言

圆管带式输送机由于具有绿色、环保、可适应复杂地形、大输送倾角、节约成本等特点，已引起各行业的重视[1]。在实际工程中，由于现场实际地形复杂，常出现大倾角、大跨度、空间转弯等特殊情况，给圆管带式输送机桁架梁的设计带来许多不利因素。桁架梁的强度和稳定性将直接影响圆管带式输送机运行的安全性[2]，因此本文通过PKPM软件分析研究了桁架梁的受力，分析结果可作为桁架梁设计的参考。

1 桁架梁内力分析

在圆管带式输送机桁架梁诸多结构中，箱形桁架梁以承载能力高、自重轻、适合不同类型托辊组布置等特点已成为桁架梁结构的首选形式[3]。在工程中为了简化计算，常进行以下简化：①各杆件假设为铰链连接；②在桁架垂直面内，桁架所受的载荷作用在各节点上；③桁架各杆件自重平均分配在其两端的节点上；④各杆件均简化为二力杆，其受力均沿杆件的轴线方向，且仅受拉或压；⑤将空间桁架梁简化到平面进行计算。

为了分析桁架梁各杆件的内力，对其定义如下：①上弦杆所受的内力为NUi，其中，i为节点数，i=1，2，3，…，n；②下弦杆所受的内力为NDi；③斜杆所受的内力为Ni；④竖杆所受的内力为NHi;⑤上弦杆上节点所受的外力为PUi;⑥下弦杆上节点所受的外力为PDi。

图1为桁架梁其中一节的受力简图，其受均布载荷。其中，LH为一节桁架梁总长度，l为节点间的间距，RA、RB分别为桁架梁所受到的支反力，h为桁架梁的高度。由于桁架梁结构具有对称性，因此分析时把一节桁架梁从中点截断，本文分析右面一部分，其受力简图如图2所示。

图2中，用截面①、②把桁架从窗板节间截开，分别取截面①和截面②的右边部分进行内力分析，其内力简图如图3所示。

在桁架梁上，还安装有托辊窗用来支撑输送带自重和物料的重量，两组托辊窗之间的重量均匀分布在两个托辊窗上，然后再将载荷传递给桁架梁。在建模时，桁架梁自重、输送带重量、物料重量等载荷统一看作集中载荷，简化作用在桁架梁的节点上。

图1 桁架梁其中一节的受力简图

图2 一节桁架梁右半边梁的受力简图

图3 截面①和截面②右边部分的内力简图

2 工程实例分析

本文以常顺矿至上社矿管状带式输送机运煤系统为例来计算分析。该系统的最大设计运输能力为350 t/h，按工作制度为330天×2班×7小时，煤炭的松散密度为0.9 t/m3计算，系统的最大日处理能力为4 900 t/d，最大年处理能力为1 617 kt/a。该圆管带式输送机的主要参数为：水平长度Ls=4 901 m，总长度Lz=4 970 m，头尾高差H=-82 m，带速v=3.15 m/s，管径D=300 mm，线路最大倾角为16°，线路最大水平转角为29°，经过计算，驱动装置的配置为机头2×400 kW+机尾2×400 kW。

在实际工程中，桁架梁设计一般借鉴起重机钢结构设计规范和建筑钢结构设计规范，由于桁架梁是由输送机生产厂家设计制造，各厂家设计所参照的标准不同，本文在分析、计算桁架梁时选择建筑钢结构设计规范来设计。

2.1 桁架梁模型的建立

PKPM软件是目前国内建筑行业应用最广的计算机辅助设计软件，现选择PKPM软件对结构进行受力分析。

取桁架梁上弦杆材料为110×110×8的角钢，下弦杆材料为100×100×8的角钢，斜拉杆选择70×70×6的角钢，竖拉杆选择75×75×6的角钢，其桁架梁一节标准长度为24 000 mm，窗板间距L窗=1 600 mm，包括走廊及其上附属部件(护栏、灯杆、监控器等)在内其标准24 m桁架梁的质量为6 632 kg，则桁架梁每米质量m梁=276 kg/m，单个托辊重量m辊=6.4 kg，所使用的ST2000输送带的质量为m带=82 kg/m。

由于桁架梁上窗板间距L窗=1 600 mm，且每个窗板上需要安装的托辊数n=12，因此，对桁架梁进行建模时，桁架梁每米所承受的托辊重量为：M=m辊×n/L窗=6.4×12/1.6=48 kg/m。

利用PKPM建立的桁架梁模型[4]如图4所示。其中，带圈数字为桁架梁节点编号，不带圈数字为桁架梁杆件编号，节点数为36个，桁架梁上的杆件数为67个。

2.2 桁架梁各杆件应力比分析

桁架梁每个节点所受的力为F=(m带+ M+m梁)×g/2=(82+48+276)×10/2=1 510 N。对其进行结构应力比分析，可得到如图5所示的结果。其中，一组数据(5个数值)左边数值为该杆件的强度应力比(正应力与强度设计值的比)，右边上部括号外数值为平面内稳定应力比(与载荷作用方向一致的方向上其稳定应力与强度设计值的比)，括号内数值为平面内长细比；右下部括号外数值为平面外稳定应力比(与载荷作用方向垂直的方向上其稳定应力与强度设计值的比)，括号内数值为平面外长细比。稳定应力可定义为：正应力(平面内)或剪应力(平面外)与稳定系数的乘积。

图4 利用PKPM建立的桁架梁模型

由图5可知，其应力比最大值为0.66，在工程设计中，一般规定其比值不大于1为结构合理，所以，从以上分析结果可以看出对于选择的材料是合理的。

图5 桁架梁结构应力比分析结果

2.3 桁架梁节点位移分析

对桁架梁做节点位移分析，可得出如图6所示的结果。

图6 桁架梁受载节点位移分析结果

图6中，实线为变形前桁架梁各节点与杆件的位置，虚线为桁架梁在受力变形后各节点及杆件的位置，数值为位移值，其中，竖向数值为节点竖向位移，横向数值为节点横向位移，负值为压缩，正值为拉伸。

由图6可以看出，其最大竖向位移在桁架梁中部

位置，其位移为28.2 mm，相对其长为24 000 mm的桁架梁，挠度基本为长度的千分之一，所以桁架梁的选材、结构均合理。

3 结语

使用PKPM分析软件可以更便捷、快速地完成桁架梁的设计，其强度和刚度、稳定性也能满足工程实际的需要，所以，在设计时，使用PKPM分析软件对桁架梁进行适当的简化设计，可以提高设计效率，得到完整的设计所需数据。

参考文献：

[1] Loeffier F J. Pipe/tube conveyors-a modem method of bulk materials transport[J].Bulk Solids Handling,2000,20(4):431-435.

[2] 郭遐.圆管带式输送机金属结构受力分析与计算[D].太原：太原科技大学,2009:2-5.

[3] 王坚,韩刚,樊涛.圆管带式输送机桁架梁载荷确定及杆件内力计算[J].起重运输机械,2012(7)：7-9.

[4] 王建,董卫平.PKPM结构设计软件入门与应用实例(钢结构)[M].北京:中国电力出版社,2008.

PKPM Analysis of Truss Beam of Circular Pipe Conveyor

CHANG Xiao-lin1，2, LIAN Zi-sheng1

(1.Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024, China; 2.Taiyuan Xiangming Intelligent Equipment Corp., Taiyuan 030032, China)

Abstract：The internal force of truss beam of pipe conveyor is analyzed, and an engineering example of truss beam is modeled using the PKPM software, and the stress ratio and node displacement are analyzed. The results show the structure can fully meet the requirements of actual use.

Key words：circular pipe conveyor; truss beam; PKPM

文章编号：1672- 6413(2017)01- 0110- 02

收稿日期：2016- 04- 11；

修订日期：2016- 11- 29

作者简介：常小林(1978-)，男，山西太原人，工程师，在读工程硕士，主要研究方向为机械设计及理论。

中图分类号：TP391.7∶TH222

文献标识码：A