移动皮带机桁架轻量化设计研究＊

王海瑞，薛子闯

（鹤壁职业技术学院 机电工程学院，河南 鹤壁458030）

桁架即桁架梁，是格构化的一种梁氏结构。它由轴心受力构件（拉杆和压杆）组成的格构式构件，按截面形式分为平面桁架和空间桁架，平面桁架和空间桁架通过纵横方向的可靠连接（如系杆、支撑或此桁架等）组成桁架结构用以承受竖向荷载和跨越较大的空间。桁架结构具有良好的支撑性能的同时，还应追求轻量化、低成本。因此，在设计桁架时，需考虑桁架选材、桁架结构及加工工艺[1]。

当今世界市场竞争异常激烈，低成本就显得尤为重要。桁架式臂架的强度问题和架式臂架的轻量化问题日益突出。本文主要是对美国史密斯公司（以下简称史密斯）和芬兰美卓公司（以下简称美卓）的移动皮带机桁架进行分析，通过对几种移动皮带机桁架从工艺、生产制造、装配、调试、运行以及维护等进行全面的跟踪和理论分析计算，结合它们在实际使用中的表现来分析判断他们的优劣，消化吸收总结好的桁架设计经验。通过对比分析、计算，获得最优结构，用更少的材料和人工成本达到性能要求，取得良好的社会效益和经济效益。

1 两种移动皮带机桁架的简介

史密斯移动皮带机（带宽1 200 mm）的桁架由后段、中间段和前段组成，三段桁架的长度均为10 800 mm，质量分别为1 709.4 kg、1 697.8 kg和2 467 kg。桁架组装后的总长为32 400 mm，总质量为5 874.2 kg，单位长度的质量为181.3 kg/m，桁架两个支撑点之间的距离为29 948 mm。史密斯移动皮带机的桁架如图1所示。

图1史密斯移动皮带机的桁架

美卓移动皮带机（带宽1 200 mm）的桁架由后段、中间段和前段组成，三段桁架的长度分别为11 980 mm、11 944 mm和11 984 mm，质量分别为1 910 kg、1 874 kg和1 872.4 kg。桁架组装后的总长为35 590 mm，总质量为5 656.4 kg，单位长度的质量为158.9 kg/m，桁架两个支撑点之间的距离为35 610 mm。同时，考虑到弦杆受到桁架输送物料时所产生的均布载荷弯矩的作用，把后段与前段的桁架做成上弦杆倾斜。美卓移动皮带机的桁架如图2所示。

图2美卓移动皮带机的桁架

2 两种桁架的主型材参数

史密斯移动皮带机桁架的主型材为角钢140 mm×90 mm×10 mm，材料为Q235B，结构设计为140 mm的长边水平放置，其截面面积为22.261 cm2，理论质量17.475 kg/m，它在水平方向的抗弯截面系数为47.31 cm3，但在竖直方向的抗弯截面系数仅为21.22 cm3。

美卓移动皮带机桁架的主型材为方管80 mm×80 mm×6.3 mm，材料为Q345B，由于这种方管国内没有厚度为6.3 mm的，按照使用国标牌号代替时“以高代低”的原则，用80 mm×80 mm×7 mm的代替，其截面面积为19.61 cm2，理论质量15.39 kg/m，无论水平方向还是竖直方向抗弯截面系数均为44.63 cm3；

从上述两种桁架主型材的参数可以看出，单位长度的角钢140 mm×90 mm×10 mm比方管80 mm×80 mm×7 mm更重，但其在竖直方向的抗弯刚度只有后者的47.5%。

以空心方钢管为基材的桁架结构，由于空心管有着较高的强度和较大的截面惯性半径，可以提供优良的柱特性并使设备结构轻量化，有效降低结构件的质量[2]。在结构合理的情况下，空心钢管桁架结构可以达到较高的刚度。

3 结构设计

图3为史密斯桁架轴测图。图4为美卓桁架轴测图。图3、图4中，主型材在桁架上、下弦杆中起到主要作用，拉撑、两侧竖撑、两侧之间的横撑以及斜撑作为两侧、中部以及下部的腹杆起辅助作用。

图3史密斯桁架轴测图

图4美卓桁架轴测图

史密斯的桁架采用平面三角形角钢结构，宽度为1 778 mm，高度为1 638 mm，所有托辊总成以及皮带等全部在整个桁架的上方，使得整个移动皮带机的高度更高。桁架选材均为角钢，所有拉撑为角钢70 mm×70 mm×8 mm，其整体的结构设计是，两侧为拉撑角钢的一个边与主型材角钢的一个边进行焊接连接，两侧的框架之间的连接完全是通过拉撑角钢两端的一个边用一个或两个螺栓连接起来，并没有将角钢的两个边进行充分利用来提高整体刚度，没有充分发挥出角钢的作用。

美卓桁架考虑到弦杆受到桁架输送物料时所产生的均布载荷弯矩的作用，把首段与末端的桁架做成上弦杆倾斜，并在每一个托辊总成安装的位置都形成一个箱型结构，这种结构形式整体刚度更好。宽度和高度均为1 500 mm，并且把托辊总成以及皮带等全部纳入桁架内部，使整个移动皮带机的结构非常紧凑，节省了材料。桁架选材均为方管，桁架两侧的所有竖撑为方管80 mm×80 mm×5 mm，对接时在没有类似V形口的边角处须打坡口，要求全熔透焊接，每个托辊总成安装的位置均有竖撑；桁架两侧之间连接的横撑中，前后两端的横撑为方管80 mm×80 mm×5 mm，它对接时在没有类似V形口的边角处须打坡口，要求全熔透焊接，其余的横撑为方管50 mm×50 mm×5 mm，桁架中所有斜撑为方管50 mm×50 mm×5 mm，所有规格为50 mm×50 mm×5 mm的方管均为5 mm的角焊缝，减少了用于打坡口和熔透焊的人工成本。

美卓设计的桁架采用结构性能稳定的平面三角形方管桁架结构，其受压腹杆可以利用空心管有效的受压特性，因此在合理控制腹杆数量的基础上可极大地节约材料与工时[3]。角钢与等截面的方管相比本身弯曲刚度就差，角钢只有一个边的焊接结构与方管4个边的焊接相比，其结构刚度差很多。

桁架的高度与桁架总跨度距离、载荷情况、最大变形情况等有关，如果单纯地增加桁架高度会减少弦杆中的载荷，但是却增加了拉撑的长度，使得经济性受到影响，同时移动皮带的高度过高和宽度过宽会使相应的连接设备高度和宽度增加，进一步增加了整个设备及其工艺系统的设备成本，所以，桁架的高度和宽度在满足使用的情况下应尽量紧凑。

4 各桁架段之间的铰接方式

史密斯的各桁架段之间为法兰连接，由许多螺栓连接起来，设计考虑是螺栓群同时受力。但实际情况是螺栓在设备运行过程中被一根一根的剪断，被剪断的螺栓往往不被发现，等到剩余的螺栓承受不住时桁架就会忽然断裂，造成非常大的损失。在移动设备的具体使用中，由于实际情况非常复杂，不能用螺栓群同时受力进行分析，这种连接方式非常不好。

美卓的各桁架段之间为螺栓连接，此处螺栓既相当于销轴的作用，又起到螺栓的作用，即把铰接处完全夹紧形成一个刚性整体，效果非常好。

5 简化模型后采用类比的方法进行计算

由于桁架的受力主要由主型材决定，因此本文针对两种桁架的主型材进行对比研究是合理的，可以反映出两种桁架的刚度大小。

另外，综掘机配套的移动皮带机桁架（最初也是引进国外的）在国内煤矿普遍应用，为了满足向煤矿井下运输的需要，它由多段桁架组成，主型材为矩形管70 mm×50 mm×5 mm，材料为Q235B，结构设计为70 mm的长边竖直放置，它在竖直方向的抗弯截面系数为18.124 cm3，桁架两个支撑点之间的距离为9 665 m，各桁架段之间用销轴连接，通过改变连接板的孔距可以调节桁架的拱起程度。综掘机配套的移动皮带机桁架如图5所示，与史密斯桁架相比，其安全系数为：

图5综掘机配套的移动皮带机桁架

从上述可知，史密斯移动皮带机桁架质量更大，但桁架整体刚度却很差，原因就在于：①型材选型。截面积相等的角钢和方管，由于方管是箱形截面，其弯曲刚度比角钢更大。②结构设计。史密斯移动皮带机桁架的所有拉撑都是角钢的一个边与另一个角钢的一个边进行焊接和螺栓连接，角钢两个边只利用了一半，它的整体弯曲刚度差一些。③材料的选择。史密斯桁架材料为Q235B，美卓桁架材料为Q345B。尽管Q345B的材料价格更贵，但相比其性能的提高，选用Q345B的性价比更高。

美卓移动皮带机的桁架和综掘机配套移动皮带机桁架结构类似，在实际应用中表现优异，它们与史密斯桁架相比，计算结果显示安全系数几乎一样，具有一定的参考价值。

结合在工程现场的使用情况，尽管史密斯的桁架在现场实施了许多加固措施，还是表现不好且并不能从根本上解决整体设计上存在的缺陷，既使桁架质量更大但整体刚性却很差，移动皮带机在现场移设时扭曲变形还是很明显的。

6 结论

通过以上分析和计算，对移动皮带机桁架设计得出如下结论：①桁架型材选型为方管或矩形管，对于既受到向下的重力又受到设备转移时的侧推力或拉力的建议选方管，对于主要克服设备向下重力的桁架建议选用矩形管，且在结构设计时矩形管的长边竖直放置；②桁架采用拱形结构，一般由三段桁架组成，中间桁架段向上拱起，两侧桁架段与中间的桁架段成177°～179°；③桁架宽度和高度在满足使用空间的情况下尽量紧凑，以便节省材料和减轻设备重量；④移动皮带机桁架设计时的安全系数取值，可以与史密斯公司的桁架相比较，安全系数取值2.65左右，具有一定的参考价值；⑤桁架铰接处建议用销轴或等强度的铰制孔用螺栓；⑥在设计开发可移动的产品时，受力结构件尽可能采用Q345B的材料，少用Q235B，这样可以减轻所用材料的重量，达到既能满足产品结构性能要求，又能起到降低生产成本和减轻设备重量的作用。