带式输送机加强型机罩设计探讨

夏光勇，汪 勇

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)

胶带输送机广泛应用于冶金、煤炭、电力、建材、码头等行业的散状料运输。冶金钢厂的原料场、烧结、焦化、球团、高炉、炼钢等单元均有配置，是原料场的主要输送设备。

胶带机通廊分为封闭和敞开两种型式。敞开通廊为了压尘、防雨、防晒，其上面应设置机罩，如图1所示。

图1 敞开通廊

机罩是成熟定型产品，作为胶带机的标准部件供货，一般由罩体和连接件组成(见图2)。连接件的挂钩扣在机罩把手上，连接件与机架采用紧定螺栓固定。

图2 机罩连接件

2015年强台风登陆某地，钢厂受台风袭击，采用了全封闭通廊的胶带机抗台风性能较好，其胶带、设备和电缆及桥架管线等均得到了有效保护而完好无损；而采用“桁架+机罩”型式通廊的胶带机，架空较低的或周边建筑物密集的胶带机机罩吹落受损较少，架空较高的或者周边空旷无遮挡的胶带机机罩大部分被吹落。这严重影响了台风后生产的恢复和正常生产，并对胶带机设备周边的其他建构筑物或设备和电缆等带来次生灾害。

位于台风高发区的敞开式胶带机机罩已不能满足当地气候条件和抗风要求，有必要对机罩的结构型式、强度等方面进行改进。

1 机罩受损原因分析

1.1 现场调研

强台风中机罩受损有三类情况。第一类是受损机罩的连接件与机架连接的紧定螺栓脱落，表明紧定力不足以抵抗强台风；第二类是机罩在强台风下的变形位移造成挂钩脱钩，甚至部分挂钩局部受力过大被拉平后，导致机罩脱落，见图3。

图3 台风后机罩脱落

除了上述挂钩脱落等原因外，机罩在超强台风中被吹落的另一个原因是投用时间过长的机罩发生锈蚀，降低了连接处强度所致，如：机罩螺栓连接处被拉裂、临时固定用的铁丝被拉断、螺栓孔受锈蚀后变大导致连接螺栓脱落等，如图4所示。

图4 机罩锈蚀

通过对机罩在强台风中受损情况分析来看，需要对机罩的强度、连接件结构型式等方面进行改进，以提高机罩的抗台风能力。

1.2 CAE变形分析

机罩活扣把手由于风力过大而发生弯曲变形，导致机罩被掀开，利用CAE对其进行仿真分析。

1)材料参数

机罩采用Q235钢材，其材料参数如下：

密度：7.8 kg/m3；弹性模量：2.06 GPa；泊松比：0.3；屈服值：235 MPa；屈服模量：3 900 MPa。

2)风荷载系数

取值如下：基本风压：0.86 kPa[1]；高度系数：1.79；阵风系数：1.51。

3)机罩挂钩位移示意图

胶带机机罩挂钩位移如图5所示。

图5 活口位移示意图

4) CAE分析

通过对机罩下部采用两端固定支点和一端固定支点，另一端铰接支点的两种工况进行CAE分析。

计算结果显示，机罩下部采用两端固定支点的工况比机罩一端固定支点一端铰接支点的效果要好，两端固定支点的工况机罩整体位移变形量约80 mm，连接部件(挂钩)变形量约5 mm；但机罩一端固定，一端铰接的工况其整体位移变形量约140 mm，连接部件(挂钩)变形量约34 mm。

从图5可以看出，当活扣挂钩发生大约30 mm的位移时，可能会发生松动、松扣，因此机罩设计时，底部要进行固定，限制其转动位移，防止出现活扣挂钩松动机罩被掀翻。

2 加强型机罩设计

根据前述对强台风中机罩受损原因分析，主要从机罩体和安装扣件两个方面对机罩进行增强和改进。

2.1 机罩体的增强措施

(1)增大机罩彩钢板的厚度。普通机罩钢板厚度偏小(带宽1 400 mm及以下厚度为0.6 mm，带宽1 600 mm及以上厚度为0.7 mm)，机罩厚度带宽1 400 mm的按照0 .8 mm，带宽1 600 mm的按照0.9 mm进行CAE计算分析验算。

(2)适当增大机罩体波高，提高机罩体的刚度。普通机罩的波纹高度为9 mm，增强型机罩波纹高度加大到11 mm，以改善机罩罩壳的强度和刚性。

(3)机罩体两端设置大波，提高机罩体刚度。普通机罩采用相同的波纹高度，增强型机罩每段罩体的两端各增加一道加大波纹，波纹高度为20 mm，有利于提高机罩体刚度，并提高安装定位的准确性。

2.2 机罩安装扣件结构的增强改进措施

普通机罩的安装扣件为挂钩把手形式，机罩罩体在风力作用下发生位移变形时，易造成挂钩脱落，增强型机罩如图6所示，进行了如下改进：

图6 加强型机罩本体断面图

(1)机罩体双侧压板，增强连接强度。普通机罩罩体内侧无压板，增强型机罩罩体外侧采用通长的安装角钢、内侧采用通长的压紧扁钢，每侧通过14颗螺栓连接固定。增大安装连接件与机罩间的接触面积和摩擦力，避免机罩连接孔处被破坏的可能性。

(2)增强机罩固定方式。每段机罩安装固定方式由原来的两点固定改为四点固定方式，增加了机罩安装固定的可靠性。避免由于安装固定方式失效而导致机罩脱落。

(3)改进机罩连接件结构型式。固定方式由普通的挂钩把手式改为采用简单、方便、可靠的楔块压紧(楔块斜角按5°设计，具有可靠的自锁功能)形式，如图7所示。

图7 加强型机罩扣件图

(4)增加机罩加强抱箍，提高机罩整体强度。每个机罩设置两道扁钢制作的加强抱箍，加强扁钢与安装扣件及机罩螺栓连接，如图8所示，进一步防止机罩的脱落。

图8 加强型机罩加强抱箍图

3 CAE分析验算

3.1 计算分析条件

为便于机罩CAE分析，确定以下几个基本条件：

(1)通廊高度范围一般为5～50 m，其中主要集中在20～30 m，CAE分析按30 m计算。

(2)根据机罩增强型措施，对需要计算的带宽1 600 mm和带宽1 400 mm胶带机的机罩罩体和安装扣件分别建模。其中机罩彩钢板的厚度带宽1 400 mm的按照0.8 mm，带宽1 600 mm的按照0.9 mm分别计算分析。

(3)基本风压、阵风系数、高度系数的取值同2.2节中第(2)条。

(4)选取最不利工况的端部节段机罩和中部节段机罩，因端部节段机罩体型系数比中部节段机罩体型系数大的很多，所以分别计算各板厚的端部节段机罩罩体在风载荷作用下的最大位移量以及风载荷卸载后残余塑性变形量。

(5)分别选取最不利工况的端部节段机罩，计算安装扣件区域相关构件的强度。

3.2 机罩罩体的CAE计算结果

带宽1 400 mm彩板厚度0.8 mm的端部节段机罩风载荷下最大变形为19.68 mm，风荷载卸载后残余塑性变形2.93 mm；带宽1 600 mm彩板厚度0.9 mm的端部节段机罩风载荷下最大变形为15.96 mm，风荷载卸载后残余塑性变形2.0 mm。

3.3 安装扣件的CAE计算分析结果

对于安装扣件，根据《胶带运输机机罩风压特性风洞试验研究》结果[2]：端部节段机罩在-15°，135°风向作用下，安装支座在竖直方向的支反力最大，现按此最不利状态考虑，将每个机罩的合力平均分配到两个扣件上，且楔块与楔块支座间按线接触考虑。不同钢板厚度的机罩，其安装扣件的受力情况是一致的。计算结果为安装扣件区域相关构件受力计算结果最大值为210.27 MPa。

4 结 论

胶带机机罩变形限值国家规范没有做出明确规定，考虑到强台风出现的概率以及胶带机机罩的功能使用要求 ，参考《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)5.5.5条规定多、高层钢结构弹塑性层间位移角限值为1/50，将机罩在超强台风作用下的弹塑性变形限值定为机罩高度的1/50。带宽1 600 mm的机罩体高度1 165 mm，其允许的弹性塑性变形值最大为23.3 mm；BW1400机罩体高度1 065 mm，其允许的弹性塑性变形值最大为21.3 mm。

结合CAE分析，带宽14 00 mm的机罩罩体板厚按0.8 mm，带宽1 600 mm的机罩罩体板厚按0.9 mm，同时提高机罩罩体波高等因数下，理论上抵抗一定强度台风是可行的。

安装扣件区域相关构件受力最大值为210.27 MPa，小于构件材料(Q235A)的许用公称强度235 MPa，安装扣件不会产生失效问题，加强型机罩的安装扣件满足设计要求。

但机罩和扣件在加工制造、安装调试和生产维护的每个步骤均会对机罩使用性能有影响，而且台风特性千差万别，胶带机机罩又受安装位置、周围遮挡物情况、生产维护等一系列复杂因素的综合影响。所以，虽然加强型机罩相对于普通机罩，在罩体和连接结构型式都有改进，抗风能力也显著提高，但仍然存在少量机罩因各种原因受台风破坏局部受损，甚至被吹掉的可能性。