为了解决物料输送过程中粉尘、颗粒物造成的环境污染问题，在一般带式输送机的基础上，作者设计了一种封闭式圆管带式输送机，使用过程中不扬尘、不漏料，安全性极高。地球减少灰尘污染。桁架作为输送机的支撑结构，影响着输送机的性能和制造成本。因此，对其结构的研究就显得尤为重要。为此，范涛等人将ANSYS应用于桁架梁的结构分析。他们通过建立桁架梁的有限元模型，分析了桁架梁主要构件在各种工况下的应力、应变和位移变化；张向辉等结合管状带式输送机的具体应用实例，简要介绍了圆管带式输送机桁架设计的工艺方法和基本思路。以平顶山某煤矿圆管带式输送机为例，以跨度为24 m的桁架结构为研究对象，对其进行静力风载模拟分析，研究其弦杆和腹杆受力情况。桁架。特点和功能，并优化桁架所用角钢的尺寸，实现桁架结构的轻量化设计。
1 输送机基本参数及桁架结构尺寸 1.1 输送机基本参数
圆管带式输送机连接煤矿和选煤厂，其基本参数见表1。
表1 圆管带式输送机基本参数
1.2 桁架结构尺寸
桁架为六辊架，跨度24 m，高8.5 m，桁架高1.8 m，桁架宽0.9 m。桁架结构采用等边角钢，长弦∠100×100×8，侧斜腹杆∠75×75×6，上下腹杆∠63×63×5，横隔板厚度是8毫米。建模过程中对桁架结构中的行走平台、护栏、滚轮等进行了简化，重力以集中力的形式作用于隔板。桁架结构如图1所示。
图1 桁架结构图
2 桁架受力状态分析
工作状态下，桁架所受载荷由钢结构（包括桁架、滚轮、行走平台、栏杆）自重、输送带自重、输送物料自重组成、可移动荷载、风荷载、雪荷载等。
2.1 桁架自重
桁架结构由弦杆、腹板和横隔板组成。弦杆和腹板的总质量为 1,405 千克。单个隔膜的质量为110公斤。使用的 15 个隔膜的总质量为 1,650 kg。
2.2 输送带自重
1 200 mm宽的输送带质量为13 kg/m。考虑到传送带的前进和返回，传送带的总质量为624公斤。
2.3 材料单位长度质量
材料单位长度质量
式中：Iv为设计输送量，t/h； v为皮带速度，m/s。
2.4 滚筒自重
圆管带式输送机的托辊安装在隔板输送带孔周围，每个托辊质量为5.78 kg。六辊架每组横向隔板装有12个辊子。每组横向隔板支撑的滚轮集中质量为69.36公斤，整个滚轮架质量为1040.4公斤。
2.5 平台及栏杆自重、移动荷载、雪荷载
由于积雪和行人活动主要分布在桁架两侧的走道上，因此将走道和栏杆的主动荷载、雪荷载和自重一起计算。平台及栏杆总质量为1920公斤，单位长度平台及栏杆自重为80公斤/米。根据GB/T 50009-2012《建筑结构荷载规范》的规定，确定当地基本雪压为0.35 kN/m2。假设每米可移动荷载一人，估计可移动荷载约为0.7 kN/m2，平台宽度为1.4 m。单位长度可移动荷载与雪荷载之和为147 kg/m。
2.6 风荷载
风荷载是作用于桁架水平方向的荷载。力的大小与当地风压和作用面积有直接关系。风压的大小随桁架结构的高度和形式而变化。根据GB/T 50009-2012《建筑结构荷载规范》，风荷载标准值按下式确定：
式中：wk为风荷载标准值，kN/m2； βz为z高度处的风振系数钢结构设计规范50017-2024，取1.63； μs为风荷载系数，取0.65； μz为风压高度变化系数，取1.23； w0 为基本风压，取0.35 kN/m2。
经计算，桁架风荷载标准值为0.46 kN/m2。
3 仿真计算 3.1 桁架建模
利用SolidWorks软件对桁架结构进行建模，并利用Simulation模块对桁架结构进行静态分析。为了便于绘图和分析，对圆管带式输送机的桁架结构进行了简化，省略了对桁架结构刚度影响有限的行走平台、栏杆、滚筒等部件。
3.2 桁架材料特性
桁架采用的角钢为Q235A，材料性能为：密度7 800 kg/m3，泊松比0.28，弹性模量210 GPa，屈服强度235 MPa。
3.3 桁架网格划分
桁架结构主体采用等边角钢焊接而成，滚轮与桁架采用横隔板连接。它是梁和板的组合模型。为了提高仿真计算速度，桁架中的角钢按梁单元划分，横隔板按壳单元划分，并将弦杆、腹杆和横隔板之间的接触点定义为组合状态。这种线和面相结合的网格划分形式相比单元网格划分节省了计算成本。网格尺寸设置为40 mm，总共生成了56 157个壳单元和梁单元网格。
3.4 桁架应力加载
建模过程中省略了传送带、走道、护栏等部件。因此，这些结构的自重以及它们所承受的风荷载、雪荷载和主动荷载，以集中力的形式作用在隔板、弦杆和腹杆上。
3.5 桁架约束
桁架两端通过高强螺栓与支架连接。它是一种半刚性连接，被视为梁柱铰链。因此，梁的受力形式可视为简支梁。桁架一端限制三个方向的位移，另一端限制位移。桁架的所有位移均垂直于弦向，且允许沿弦向移动。
4 结果分析
对圆管带式输送机桁架进行风载静力分析，结合梁单元上的轴向力和弯曲力，得到桁架整体结构的应力分布，如图2所示。由图2可知，弦杆承受的拉应力和压应力最大。这是因为弦杆承受大跨荷载引起的弯矩。背风侧下弦中部最大拉应力为100.91 MPa，迎风侧上弦最大拉应力为100.91 MPa。中部最大压应力为92.64 MPa，弦杆受力中部大，两端小；腹杆主要承受桁架剪力，其中上下腹杆下端面承受最大应力为82.50 MPa，侧腹杆承受最大应力为82.50 MPa。迎风端最大应力为84.25 MPa，腹杆应力两端大、中间小。由于Q235A的屈服应力为235 MPa，安全系数为1.5，所以许用应力为156 MPa，满足强度要求，但余量较大。
图2 桁架应力云图
桁架位移云图如图3所示。桁架结构的最大位移位于结构中部28.29 mm处。根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）规定，桁架的整体位移不允许超过总跨度的1/500，因此位移不允许超过48毫米，桁架刚度满足设计要求。
图3 桁架位移云图
5 桁架结构尺寸优化
由于桁架结构在刚度和强度设计上有较大余量钢结构设计规范50017-2024，因此以角钢宽度为变量，利用SolidWorks的设计案例尺寸优化功能进行轻量化设计。
定义优化尺寸变量：长弦角钢宽度为80、90、100 mm；横向斜腹板角钢宽度为63、70、75毫米；上下斜腹板角钢宽度分别为50、56、63 mm，共27种类型，其组合见表2。
表2 桁架尺寸优化
优化后的约束桁架整体位移小于许用变形48 mm，桁架最大应力小于许用应力156 MPa。优化目标是最小化桁架结构的质量。
不同优化条件下桁架的最大应力、最大位移和总质量如图4~图6所示。
图4 不同优化条件下桁架最大应力
图5 不同优化条件下桁架最大位移
图6 不同优化条件下桁架总质量
从图4至图6可以看出，不同的优化情况满足了桁架的刚度和强度要求。腹杆对桁架整体刚度和强度的影响远小于弦杆。弦杆的尺寸决定了桁架的整体刚度和强度，而腹杆对桁架的整体刚度和强度的影响要小得多。能承受局部剪力，满足强度要求。优化后弦杆∠80×80×8、侧腹杆∠65×65×6、上下腹杆∠50×50×5，桁架最大应力为123.38 MPa，最大位移为34.40 mm，桁架质量为1 472.14 kg，优化后的前桁架最大应力为100.91 MPa，最大位移为28.29 mm，桁架质量为1818.28 kg，桁架质量减少了19.03%。
6 结论
作者在Simulation模块中采用了梁单元和壳单元相结合的网格划分方法，大大提高了模拟计算速度。基于仿真计算的静态分析避免了复杂的理论计算过程并获得力学分析结果。分析结果揭示了弦杆和腹板的受力特征及其对桁架整体刚度和强度的影响。还发现目前圆管带式输送机桁架强度设计存在较大余量，利用尺寸优化模块可实现桁架结构的轻量化。通过设计，最终实现桁架减重19.03%，为今后圆管带式输送机桁架的设计和仿真研究提供了参考。
引文格式：
[1] 王向东，褚金龙，王伟静，等。圆管带式输送机桁架结构尺寸优化[J].矿山机械, 2024, 52(3): 65-67.
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