电动螺旋溜槽槽钢支架弯曲变形的原因分析及解决措施

和云敏

(长江工程职业技术学院，湖北武汉430212)

电动螺旋溜槽槽钢支架弯曲变形的原因分析及解决措施

和云敏

(长江工程职业技术学院，湖北武汉430212)

本文在分析电动螺旋溜槽在工作时4根支撑槽钢发生抖动和变形的原因基础上，提出了影响梁弯曲变形的关键因素及提高其强度的措施，为工程实际中解决类似问题提供了参考。

电动螺旋溜槽；槽钢；圆钢管；梁；强度

一、问题的提出

螺旋溜槽是一款利用矿流在螺旋向下流动过程中受到离心力和重力作用分成精矿、中矿和尾矿的选矿设备。传统的螺旋溜槽由四根槽钢将若干个螺片从上到下连接成一体，螺片固定不动，矿流从上端引入，在下端用聚积斗分别收集精矿、中矿和尾矿。

我国某选矿设备厂为提高螺旋溜槽的选矿性能和生产效率，将传统的螺旋溜槽设备进行了技术升级和改进，具体做法为：将所有的螺片用4根槽钢固定连接，同时在其上端安装电动机带动整个螺片进行旋转，外部钢架仍然采用4根槽钢进行支撑。这样一来，矿流在重力作用下向下流动受离心力的同时，还在电动机的带动旋转下增加了矿物与螺片面板的摩擦力，提高了选别的效率。

但当该厂进行样机试运行时，发现整个机身抖动非常严重，支撑钢架发生了一定扭曲，开始认为是电动机功率太大，可更换小功率电动机后问题依然存在。后更换了更高强度的起支撑作用的4根槽钢，仍然于事无补。后经设计人员重新计算整个设备工作动载荷后，发现虽然槽钢价格低，可起到支撑钢架之用，但此处槽钢不光受到向下的重力，还要受到来自电动机旋转所带来的弯曲和扭曲的作用力。因此，在此动负载环境之下，便不再适合使用槽钢作为支撑，应采用圆钢。后更换圆钢管，问题得到解决。

基于此，本文将在分析电动螺旋溜槽槽钢发生抖动变形原因的基础上，进一步探讨影响梁弯曲强度的关键因素，找到提高梁弯曲强度的具体方法。

二、分析问题产生的原因

槽钢价格低廉，质量轻，可作为中小型设备的钢架。传统螺旋溜槽在4根槽钢支撑下固定不动，但电动螺旋溜槽在工作时产生较大的旋转惯量，使4根槽钢由原先的压缩变形转变成了压扭弯组合变形。此时，槽钢将产生很大的抖动和变形，不利于设备的工作。

而在实际工程中，经常会遇到一些构件，如齿轮轴、桥式起重机的大梁、受气流冲击的汽轮叶片等，它们在工作时受到的外力往往是垂直于杆轴线的横向力或作用在其轴线内的力偶，使杆轴线发生变形，由直线变成曲线，这类构件统称为梁。如若齿轮轴线弯曲变形过大，将造成轴承严重磨损，齿轮啮合不良，并产生振动和噪声。桥式起重机弯曲变形过大将使梁上的小车行走困难。因此在正常工作时，这些发生弯曲变形的构件要具备一定的抗弯曲能力。本文从构件的工作情况出发，分析提高其强度的措施。

通过对这些发生弯曲变形的构件进行分析，发现弯曲正应力是影响强度的主要因素。计算公式为：

分析提高弯曲强度，要从最大弯矩Mmax、抗弯截面系数Wz及材料的性能三方面入手，想办法减小最大弯矩，提高抗弯截面系数，选择合适的材料来获得较高的强度，从而满足工程上即安全又经济的要求。

三、解决问题的方法

首先分析影响梁弯曲强度的关键因素，包括抗弯截面系数、材料、最大弯矩等。根据本实例的具体情况，做如下分析：

（1）抗弯截面系数对梁弯曲强度的影响

将弯曲正应力条件公式进行变形，得Mmax≤[σ]Wz，可知当梁的材料选定时，梁在工作时承受的最大弯矩与抗弯截面系数成正比，梁消耗材料的多少与截面面积A成正比，为了节约材料、减轻自重，合理的截面形状应该是截面面积小而截面系数大，为了便于比较，可用Wz/A来衡量，此值越大，抗弯曲能力越强，也就越经济。表1是不同截面的Wz/A值：

表1 不同截面的Wz/A值

从表1可以看出，实心圆形截面最不经济，也不合理，槽钢和工字钢最好，对于发生主要弯曲变形的轴类零件，可以用空心轴代替实心轴。对于矩形截面，为充分利用材料，可用槽钢和工字钢代替，但其截面高度不能过大，宽度不能过小，否则容易丧失稳定性。

虽然圆形材料并不比槽钢经济。但比值相差无几，而且圆形的抗扭截面系数相比槽钢要大的很多，因此在弯扭组合变形的动载荷下，采用圆钢管（环形）是最佳的选择。

（2）材料性能对梁弯曲强度的影响

材料不同，性能也不同，对于塑性材料，由于抗拉强度和抗压强度不同，采用对称于中性轴的截面，可使截面上下边缘的最大拉应力和最大压应力相等，同时达到材料的许用应力值，这时可以选择矩形、圆形、工字形截面比较合理。

对于脆性材料，其抗拉能力往往小于抗压能力，如设计为对称的截面，材料的最大拉应力和最大压应力没有同时体现出来，不能充分利用材料的性能，这时可改变中性轴的位置，使中性轴偏于受拉的一侧，位置可以这样确定

式中：σymax、σlmax分别为最大压应力和最大拉应力，[σby]、[σbl]分别为抗压许用应力和抗拉许用应力。

（3）内力的分布情况对梁弯曲强度的影响

梁的横截面是根据最大弯矩确定的，在较小弯矩的截面上，最大应力没有达到需用应力值，此时材料出现浪费情况，为了利用材料、减轻重量，从强度的角度考虑，可在弯矩较大处采用较大的横截面，弯矩较小处采用较小的横截面。

因此对于轴类零件，考虑到加工方便以及轴上零件的定位，通常选用阶梯等强度轴。对于桥式起重机的大梁，通常做成两端尺寸较小、中间尺寸较大的鱼腹式，甚至做成空腹鱼腹式横梁，去除靠近中性轴附近未发挥作用的材料，同时减轻了自重，提高结构的使用性能。圆钢管采用内空结构，既减轻了自重，又保证了构件的刚度。

（4）载荷与支撑的分布对梁弯曲强度的影响

如图2（a）所示，当集中载荷作用在梁中点位置时，Mmax=FL/4，把集中载荷往支撑一端移动，改变集中载荷的作用位置，图b所示，此时，梁上最大弯矩Mmax=5FL/36，如果条件允许，可以将一个集中载荷分成几个较小的集中载荷，图c所示，或改变成线分布的载荷，图d所示，可见载荷的分布以及载荷的形式对梁的弯曲强度也有影响。图d中，最大弯矩Mmax=PL2/8，若支座A和B向中间移动0.2L后，最大弯矩Mmax=PL2/40，此时，最大弯矩仅为前者的1/5。可见，改变支座的位置也可提高梁的弯曲强度。

图2 不同载荷与支撑下梁的受力情况

（5）采用特殊结构提高梁的弯曲强度

在图2（a）中，作用在直梁上的最大弯矩为Mmax=FL/4，如果把直梁改为图3的拱形梁，当拱受到压力时，拱两端的支座除产生垂直支反力yA外，还产生阻止拱端向外移动的水平支反力xA，使得梁中间截面的最大弯矩Mmax=FL/4-xAh，可见拱形梁最大弯矩比直梁最大弯矩减少了xAh，如果设计得当，可使两弯矩之差减小到最低程度，大大提高梁的抗弯能力。

图3 拱形结构梁受力情况

本文通过分析电动螺旋溜槽在采用槽钢作为支撑钢架时发生抖动变形原因，进一步厘清了影响梁弯曲强度的关键因素，并提出了解决措施。可以得出结论，选择合理的截面以及选择合理的结构都可以提高梁的抗弯曲能力，但在实际工程中，要根据具体的情况进行分析，以便充分发挥材料的性能。

[1]王璐.如何提高梁的弯曲强度[J].煤，2014（9）.

[2]季敬能，杨军伟.增加约束对提高梁抗弯强度的探讨[J].机电工程技术，2013（7）.

TH

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1673-0046（2016）11-0185-02