桥式刮板取料机桥梁的拱度设计及计算

王辉　冯学慧 刘冬梅

摘 要：桥梁的拱度设计是桥式刮板取料机设计过程中非常重要的环节，并且暂时还没有统一的标准规范进行参考，设计部门一般均参照机械设计手册中的推荐曲线进行设计及生产，但由于其曲线方程相对复杂，工程图的绘制及生产工作周期较长。该文以QG150/31型桥式刮板取料机的桥梁拱度设计为例，利用以往的设计经验并结合电算的方式确定出一种切实可行的拱度设计方法即圆弧曲线法，经实际验证后，该方法既可以满足设备稳定工作要求，又大大提高了桥梁的设计及生产效率，是一种简单易行的设计方法。

关键词：桥梁 拱度 有限元分析 曲线

中图分类号：U67 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（c）-0050-03

作为水泥建材行业的散料输送设备，桥式刮板取料机的混匀效果突出，被广泛的应用在原料，石灰石，砂岩等物料的混匀输送工作，大部分的的水泥工业现场工况比较恶劣，设备工作时间长，为保证设备长期稳定的工作，料耙系统运行过程中的阻力最小，降低设备故障率，保证钢结构部分的使用寿命，桥梁的预拱值的设计至关重要，下面就运用在华润集团某水泥项目上的QG150/31型桥式刮板取料机的桥梁进行分析，并用ANSYS软件电算进行校核，以确定合理实用的拱度曲线。

1 桥式刮板取料机的结构组成及工作原理

（1）桥式刮板取料机的组成如图1所示，由箱形桥梁、刮板输送部分、料耙系统、固定端梁、摆动端梁、动力电缆卷盘等主要部分组成。其中，桥梁为箱型结构，在长度方向上有若干个空心隔板起抗扭作用，内壁四周每边设有2道由槽钢组成的加强筋，用来提高箱形梁的稳定性。该梁由三段组成，段与段之间的连接在工地焊接。在段之间的连接处设有定位块，用螺栓预联接，以保证各段连接到位。桥梁的下面设若干个支架座，用以悬吊刮板吊架。桥梁头部下面有安装头部链轮组及改向链轮组的头架及溜槽。梁头部与固定端梁上的固定支座连接，梁尾部下面设刮板尾部链轮组和拉紧装置的吊架。尾部端头下面与摆动端梁的球铰支承相接，纠偏装置用槽钢现场焊在摆动端梁侧面及桥梁端面。人可以通过桥梁上部的小门利用脚登架垂直进出桥梁内部，以便铺设电缆等用。梁的头、尾部上面设有护栏。梁头部上面放置控制室。

（2）取料机的工作原理：与之配合的堆料机在按规定程序将物料堆成标准堆高后，取料机从料场中间开始进行全断面取料。料耙沿桥梁长度方向往复移动，将物料耙松后滚落至料堆底部，刮板沿桥梁长度方向转动，大车并进行进给，将物料刮走至导料槽，通过出料皮带将物料运出。

2 桥梁拱度值的确定方法

拱度的设计目的是消除桥梁结构自重及所受载荷引起的下挠，尽可能的减小料耙小车的运行阻力，使其能够在桥梁上大致呈水平状态运行。这样料耙系统在启动和制动时就会相对平稳，减少了能耗及冲击对整机的影响。理论上，理想的等截面简支梁的预拱度值应该保证小车在桥梁上进入挠度最大点和离开挠度最大点时的阻力相等，小车在梁端时，设预拱度值为S，小车运行至挠度最大点时，挠度也为S。这样梁的受力也较为合理。据相关资料推导，这样的曲线为一条关于桥梁轴线位置的4次方变化曲线，制作起来相对复杂，不适用于实际生产，并且长时间的使用下，拱度会逐渐较少，一些设计手册推荐采用二次曲线（抛物线）下料，预拱度为跨度值的0.9‰～1.4‰，使桥梁在使用寿命的期限内一直在拱度大于零的状态下服役，稳定受力状态。

然而，由于设备体积庞大，并考虑到生产率的影响，2次曲线的下料方法依然相对复杂，为解决这个问题，设计上采用圆弧曲线下料，参照相关标准并结合设计经验，拱度值采用跨度的1.5‰，这样可以保证桥梁在使用后，即使拱度有所减少，但仍会保留拱度值。使设备在规定寿命之内稳定运行。现用两种下料方法对本设备中跨度31米的简支桥梁进行各坐标点下料尺寸的详细对比，其中拱度y0=1.5‰L=1.5‰×31000=46.5（mm）

（1）二次曲线法的曲线方程取各参数意义见图2。

（2）圆弧曲线法的曲线方程采用3点圆弧法，通过坐标点A（-L/2，0），B（0，），C（L/2，0）3点做圆弧，3点位置见图3。

根据桥梁结构取如下坐标位置，经过计算后，将两种方法确定的下料尺寸汇总于表1，其中Y1是二次曲线法确定的下料尺寸值，Y2是圆弧曲线法确定的下料尺寸值。

对表1进行比较后可知，两种下料方法的结果高度吻合。其中下料尺寸差值最大的坐标值在X=4800 mm处，差值△=0.000105mm，误差极小，可忽略不计。所以从上例看出，用圆弧曲线法对桥梁进行拱度设计和下料是可行的。

3 运用ANSYS软件对桥梁的拱度进行校验

ANSYS是近些年来比较流行的通用有限元软件，通过电算的方式对结构进行优化设计是现代机械设计不可缺少的先进手段，为了更加真实的反应桥梁实际的变形状态，对该项目中的31m桥梁进行建模分析，确定工作状态下拱度值，已验证设计拱度值的正确性。整个桥梁采用SHELL63單元，网格尺寸采用50 mm，简支约束，工况采用挠度最大状态，受力分析过程从略，计算模型见图4，计算结果见图5。

计算结果中，桥梁的最大变形为27.6 mm.本桥梁施工图纸拱度设计值为46 mm，即在料耙小车运行至桥梁中点时的理论拱度值为46-27.6=18.4（mm），约为跨度值的6‰，把它作为随着设备使用时间的增加，对拱度减少的补偿值是合理的。该设备安装投产后，运行稳定，实测的工作状态下的拱度值与理论拱度值误差不超过理论值的15%。

4 结论

（1）经过长时间的设计及生产实践，对于水平布置的桥式刮板取料机的桥梁的拱度设计，

圆弧曲线下料法与机械设计手册推荐的二次曲线下料法相比，下料尺寸误差极小，并且便于施工图的设计，大大提高了设计及生产效率。

（2）利用大型通用有限元分析软件ANSYS进行分析计算，结合实际工程项目验证了拱度值取跨度值的1.5‰是合理可行的。

（3）为今后的类似产品的桥梁结构拱度曲线的设计生产积累了经验和数据。

参考文献

[1] 王新敏.ANSYS结构分析单元与应用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2] 成大先.机械设计手册第5卷[M].4版.北京：化学工业出版社，2006.

[3] 徐克晋.金属结构[M].北京：机械工业出版社，1982.