iData_煤矿单轨吊轨道内力计算及选型_张小俊
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doi :10.11799/ce201404010收稿日期:2013-06-15作者简介:张小俊(1984-),男,重庆人,硕士研究生,工程师,现主要从事煤矿设计工作,E -mail :zhangxiaojungf@ 。
引用格式:张小俊.煤矿单轨吊轨道内力计算及选型[J ].煤炭工程,2014,46(4):29-31.煤矿单轨吊轨道内力计算及选型张小俊(中煤科工集团重庆设计研究院,重庆400016)摘要:在设计煤矿单轨吊轨道运输系统时,需准确获取单轨吊轨道受力情况,以便对轨道进行选型,但目前主要是采用经验类比法对轨道进行选型,没有确凿的理论支撑。
文章根据钢结构设计原理对单轨吊轨道复杂受力情况作了详细分析和计算,最后还给出了不同轨道型号、不同跨度条件下轨道能承受的最大荷载,以供设计人员参考。
关键词:单轨吊;轨道内力;I140E 轨道;运输系统中图分类号:TD524文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2014)04-0029-03Internal Force Calculation and Selection on MineMonorail CraneZHANG Xiao -jun(CCTEG Chongqing Design and Research Institute Company Limited ,Chongqing 400016,China )Abstract :In the design of monorail crane transportation system ,precise force analysis was required for the selection of monorail crane.Aiming at the current condition of monorail crane selection using experience analogies without certain theoretical support ,and according to the principal of steel structure ,the complicated stress condition of monorail crane was analyzed and calculated in detail ,obtaining the peak load of the monorail with different rail types and different spans ,providing references for designers.Keywords :monorail crane ;internal force ;I140E rail ;rail transportation system 为了适应大型矿井现代化快速辅助运输需求[1,2],单轨吊需考虑不同运输对象,如运送人员、辅助材料、支架等,分析认为当整体运输支架时,单轨吊轨道需承受最大荷载,运输支架需要专用的起吊梁设备进行起吊运输,其原理是起吊梁吊起支架,将重量传递给轨道。
具体为起吊梁通过多个承载小车与轨道下翼缘联接,各个承载小车均分支架及起吊梁的重量,当单轨吊机车牵引起吊梁运行时,各个承载小车(每个承载小车可等效为一个集中荷载)在轨道下翼缘滚动,使得轨道受力较为复杂。
目前主要是采用经验类比法对轨道进行选型,没有确凿的理论支撑。
为此,本文将对单轨吊轨道受力情况进行分析和计算[3,4]。
1单轨吊专用轨道型号及参数目前国内外常用的单轨吊专用轨道型号主要有两种:I140E (轻轨)及I140V (重轨),其中大部分矿井采用轻轨,均为德国标准制造,材质为S355J2G3(DIN20593标准[5])。
对于运输荷载较小时,国内有采用14号工字钢来代替的。
轨道长度主要有1.8m 、2.0m 、2.4m 、3.0m ,弯道处采用较小长度,如1.0m 、1.5m 。
轨道截面尺寸特性见表1。
表1轨道截面特性型号高度h /mm 宽度b 1/mm 腰厚d /mm 翼缘t/mm 理论重量/(kg ·m -1)抗弯模量W x/cm 3抗弯模量W y /cm 3I140E 155697.016.222.8152.623.5I140V 15569816.232.4217.8649.39I140140805.59.116.910216.1从表1中可以直观地看出单轨吊专用轨道翼缘厚度比国产型钢厚得多,抗弯模量也较国产型钢大得多。
2轨道受力计算2.1抗弯强度计算单轨吊轨道受力按简支梁进行简化后如图1所示,显然,当荷载移动到跨中时,轨道承受最大弯矩及挠度。
轨92第46卷第4期2014年第4期煤炭工程COAL ENGINEERINGVol.46,No.4No.4,2014道抗弯强度按式(1)计算:σ=M x ΨW nx=K 1.4ˑ14Fl +1.2ˑ18ql ()2)7W nx≤f (1)式中,M x 为在竖向荷载作用下绕强轴(X 轴)的弯矩设计值;Ψ为考虑截面磨损的折减系数,可取0.9;K 为附加安全系数,由于井下情况复杂,并考虑动力因素,附加安全系数取1.1 1.4;W nx 为梁绕X 轴的净截面抵抗矩;f 为钢材的抗弯强度设计值。
图1单轨吊轨道梁简化受力图(mm )2.2抗剪强度计算抗剪强度按式(2)计算:τ=VSIt w≤f v (2)式中,V 为剪力设计值;S 为中和轴以上毛截面对中和轴的面积矩;I 为毛截面惯性矩;t w 为腹板厚度;f v 为钢材抗剪强度设计值。
若为型钢,可采用近似方法,忽略翼缘板的作用,按式(3)进行验算:τ=Vh w t w≤f v(3)式中,h w 为腹板高度。
当梁的翼缘有削弱时应加大一些,可将V 乘以系数1.2 1.5。
2.3挠度计算挠度包括两部分:集中力产生的挠度和自重产生的挠度,两部分叠加,可按式(4)计算:v =Fl 348EI x +5ql4384EI x≤[v ]=l /400(4)2.4稳定性验算轨道梁的稳定性满足式(5)的要求。
M xφb ΨW x<f(5)式中,φb 为当集中荷载作用在工字钢下翼缘时梁的整体稳定系数。
当工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度与其宽度之比不超过规范所规定的数值时,梁的整体稳定可以得到保证,不必计算,否则需要进行稳定性验算。
2.5局部应力及折算应力验算单轨吊悬挂在轨道下翼缘并沿轨道行驶,此时轨道下翼缘不仅产生整体应力,还产生轴轮压作用造成的横向和纵向局部应力。
所以轨道下翼缘是在一种复杂的应力状态下工作,对于运输重物或支架时,轨道梁需要进行下翼缘折算应力补充验算。
图2单轨吊局部受力图在轮压集中力P max 作用下,工字钢轨道梁的腹板根部点1及下翼缘外边点2的局部应力分别按下式计算[6],单轨吊局部受力图如图2所示。
点1:σx 1=-k x 1P maxt 2σy 1=k y 1P maxt 2点2:σy 2=k y 2P maxt 2式中,P max 为梁一侧一个最大轮压设计值;t 为翼缘计算厚度;k x 1、k y 1、k x 2、k x 2为系数,可按ξ值查k -ξ值曲线图中各曲线图获得,k -ξ值曲线图如图3所示。
图3k -ξ值曲线图轨道下翼缘下表面各危险点的应力是由整体应力和局部应力合成的折算应力,可按第四强度理论进行计算,分别按下式计算:点1:σ1=σ2x 1+(σy 1+σy 0)2-σx 1(σy 1+σy 0槡)≤β1f点2:σ2=σy 2+σy 0<β2f式中,σy 0为轨道整体应力,即轨道跨内最大弯矩引起的应力,最大弯矩考虑影响线作用;σx 1、σy 1分别为腹板根部点1局部应力;σy 2为下翼缘外边点2局部应力;β1、β2分别为折算应力的强度设计值增大系数,分别取1.2、1.1。
3算例设计资料:轨道选用I140E (S355J2G3),轨道常用跨度l =3.0m (如图1所示),轨道自重均布荷载标准值q =0.228kN /m ,轨道所受最大集中荷载标准值F =30kN ,E =200GPa ,轨道所受最大剪力标准值V 标准=30kN (两个最大集中荷载位于同一轨道),承载小车(每个承载小车均有4个轮子)最大轮压P max =30/4=7.5kN 。
3煤炭工程2014年第4期1)抗弯强度验算。
σ=1.1ˑ(1.4ˑ14ˑ30000ˑ3.0+1.2ˑ18ˑ228ˑ3.02)0.9ˑ152.6=254.8MPa≤325MPa(满足要求)2)抗剪强度验算。
τ=Vhwtw=1.5ˑ(1.4ˑ30000)(155-16.2ˑ2)ˑ7=73.4MPa≤fv=190MPa(满足要求)3)挠度验算。
v=30000ˑ3000348ˑ200ˑ103ˑ(152600ˑ1552)+5ˑ2281000ˑ30004384ˑ200ˑ103ˑ(152600ˑ155 2)=7.2mm≤[v]=3000/400=7.5mm(满足要求)4)稳定性验算。
由于l1b1=300069=43.5>16.5ˑ槡235/345,所以需要进行稳定性验算。
查轧制工字钢简支梁的φb[4](根据工字钢型号,轨道长度,跨中有无侧向支承,集中力作用位置情况查表),得φb=1.95>0.6,应采用下式计算的φ'b代替φb。
φ'b=1.07-0.282φb=1.07-0.2821.95=0.93将φ'b=0.93代入式(5)得:MxφbΨW x=273.9MPa≤325MPa(满足要求)5)局部应力及折算应力验算。
根据单轨吊制造厂家提供的轮子数据估算:c=26.5mm,则ξ=c/a=26.5/31=0.85,查图3中各曲线得:kx1=1.8,ky1=0.5,ky2=2.5。
Pmax=1.05ˑ7.5=7.9kN(动力系数取1.05)局部应力验算如下:点1:σx1=-kx1Pmaxt2=-1.8ˑ10.5ˑ10316.22=-54.2MPaσy1=ky1Pmaxt2=0.5ˑ10.5ˑ10316.22=15.0MPa点2:σy2=ky2Pmaxt2=2.5ˑ10.5ˑ10316.22=75.2MPa折算应力验算如下:由前计算可知,轨道整体应力为:σy0=σ=254.8MPa点1:σ1=(-54.2)2+(15.0+254.8)2-(-54.2)ˑ(15.0+254.8槡)=300.6MPa≤1.2ˑ325MPa(满足要求)点2:σ2=75.2+254.8=330MPa≤1.1ˑ325MPa(满足要求)通过以上计算表明,轨道跨度为3m时,I140E能承受30kN的荷载要求。
6)轨道选型。
不同轨道类型、轨道材质、轨道长度下轨道能承受的最大荷载见表2。