基于皮带机钢结构的局部改造分析

靳文博

（河北港口集团港口机械有限公司，河北秦皇岛 066000）

0 引言

曹妃甸矿石码头一期采用高桩梁板式结构，总长808 m，其中靠泊岸线长度735 m，码头前沿停泊水域底标高-25 m。码头堆场区有效长度1481 m，有效宽度399 m，面积58 万平方米，共布置6 条堆存场地，堆存能力500 万吨。曹妃甸矿石码头一期装卸系统现配置有6 台桥式卸船机，单机卸船能力2500 t/h；码头至堆场布置2 条卸船线，每条线最大运输能力为7500 t/h，最大运输能力8630 t/h，在装卸系统中，由卸船机将物料直接接卸到BM1/2 线皮带机，再经下游皮带机倒运至堆场。在生产过程中，BM1/2 线皮带机能否正常运行，直接影响下游作业流程的进行，对于该皮带机的维护与维修，在整个生产流程中起着至关重要的作用。

1 BM1/2 皮带机的不足

由于接卸量大，BM1/2 线皮带机运转频繁，其皮带需要定期更换，但是BM1/2 线皮带机的基础钢结构设计紧凑（图1）。BM1/2 线皮带机的基础结构特点有：①BM1/2 线皮带机由基础立柱支撑皮带机机架梁；②皮带机机架梁置于底梁上方，基础立柱与托辊架的中心线垂直相交；③机架梁贯穿于BM1/2 线皮带机托辊架组的正下方。在对BM1/2 线皮带的维护与维修过程中，更换该皮带机的皮带时，由于基础结构的影响，BM1/2 线皮带机的牵引位置狭窄，皮带在由机架底部牵引时，不能顺利地由托辊架正下方拖出，并会产生折叠，极大增加了牵引力，而且维修过程耗时费力，导致影响正常生产时长，造成较大的损失。针对其基础结构特点，急需对BM1/2 线皮带机的主体钢结构进行局部改造，以满足更换皮带的维护与维修要求，确保BM1/2 线皮带机在短时间内恢复正常运行，从而连结下游作业流程，缩减维护与维修所耗工时，提高作业效率。

图1 BM1/2 线皮带机局部改造

2 局部改造

改造皮带机局部钢结构后，焊接了相应的附属钢结构，结构特征发生改变，须对改造后的结构特性进行检验校核，同时考虑地震载荷对该部分改造后的结构特性的影响。

结合图1，在BM1/2 线皮带机局部改造方案中的主要改造部位有：①皮带机机架梁原为2 根梁，其纵向贯穿与托辊架组的水平中线下方；②经改造后，机架梁增加1 根，该处局部改造的位置为3 根机架梁；③增加的1 根机架梁位于皮带机机架的水平中线下方，利用原结构的基础立柱连结梁对其进行支撑；④皮带机机架梁一端使用螺栓进行定位与固定，另一端搭接在下机架梁端部位置；⑤原皮带机机架梁外移，放置基础立柱上的焊接附加支撑处，由螺栓进行定位与固定，轴线分别与BM1 与BM2皮带线的托辊架外端立柱的垂直线重合；⑥BM1/2 线皮带机整体分为86 跨，选取的局部改造位置为尾部第2 跨；⑦局部改造后皮带机机架梁与基础立柱的承力点由4 个增加到6 个；⑧局部改造后皮带机底梁与皮带机机架梁的整体承力点由6 个增加到9 个，经检核验算，各载荷为均布载荷。

2.1 BM1/2 线皮带机的载荷

BM1/2 线皮带机的载荷主要有基本载荷Ⅰ、地震载荷Ⅱ和风载荷Ⅲ。

（1）基本载荷Ⅰ：①基本载荷Ⅰ定义为始终或经常作用在BM1/2线皮带机结构上的载荷，这里主要呈现为自重载荷，由于BM1/2线皮带无爬坡，运转平稳，其在运行时的动载荷动力系数取1.1；②BM1/2 线皮带机的主要结构由基础立柱、机架梁，皮带梁等组成，其上还有托辊组、接料板等若干附件，改造部分的自重约13.19 t；③由于BM1/2 线皮带机的长期运行特点，不可避免地产生积垢，假设积垢载荷以均布积料呈现，取皮带机机架自重的5%；④经过计算可知，该局部改造位置的基本载荷Ⅰ为M=15.23 t。

（2）地震载荷Ⅱ：①结合当地的地形特点，在此引入了地震载荷对改造后结构的影响；②相应地震烈度情况下，在峰值加速度与基础加速等多方面进行综合考量；③进一步验证局部改造后的结构特点，确保在极端环境下的使用安全。地震载荷Ⅱ的峰值加速度、基本加速度值与重力加速度的对用系数见表1。

表1 相应烈度对应的峰值加速度平均值系数

（3）风载荷Ⅲ：由于BM1/2 线皮带机的横向迎风面基本不变，在此处风载荷对改造后的结构影响忽略，在改造后的校核过程中不予考虑。

因此，BM1/2 线皮带机的局部改造后的机构载荷为组合载荷，基本载荷与地震载荷共同组成了组合载荷Ⅱ。

2.2 材料与焊接

用于局部改造的结构选用材料Q235，其综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛，常轧制成角钢、工字钢、H 形钢、槽钢等型钢，大量应用于工程结构。结构材料的化学成分和力学性能均应符合GB 700—1988《碳素结构钢》、GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》的规定，并应具有碳、硫、磷含量和抗拉强度、伸长率、屈服点、冷弯试验等的合格保证。Q235 的基本许用应力见表2。

表2 Q235 的基本许用应力 MPa

设计过程中对钢材、焊接材料等做出了严格的设计要求：

（1）手工焊：①采用E43或E50 型焊条，性能应符合GB/T 5117—1995《碳钢焊条》及GB 5118—1995《低合金钢焊条》的规定；②所选用的焊条型号应与主体金属相匹配；③不同强度的钢材焊接时，焊接材料的强度应按强度较低的钢材采用；④自动焊或半自动焊接采用的焊丝和焊剂，应与主体金属强度相适应，且其熔敷金属的抗拉强度不应小于相应手工焊条的抗拉强度。

（2）焊接要求为：①对接焊、坡口焊焊接质量等级为二级；②角焊缝外观质量等级为三级；③焊接后整形，保证结构的平行度、垂直度和平面度公差要求后拼装。

（3）表面处理：①所有钢结构应按要求进行车间保护性表面处理，包括喷丸、底漆、中间漆和面漆；②所有构件在涂装前表面进行喷丸除锈，结构件达到Sa2 级；③应清除影响钢结构漆膜质量的油脂、水、粉、尘、焊渣、飞边毛刺等异物。

2.3 附加支撑及结构校核

附加支撑为焊接结构，局部改造的附加支撑载荷与各截面如图2 所示，将附加支撑定义为件1 与件3，立柱连结梁定义为件2。此时局部改造后皮带机机架梁与基础立柱的承力点由4 个增加到6 个，在校核过程中为均布载荷受力。附加支撑焊接到皮带机立柱上，BM1/2 线皮带机局部改造如图1 所示，附加支撑与基础立柱的节点简化为刚性节点，改造后的结构特征简化为刚架，其几何稳定性依靠节点的刚性，且各部件主要受弯曲应力影响。

图2 局部改造的附加支撑载荷与各截面

其中，w1=1370w3cm3，w2=2096.4 cm3，A1=A3=120.4 cm2，A2=144.32 cm2，L1=L3=1250 cm，L2=1850 cm，M1=M3=P1×L1，M2=P2×L2。基础载荷：P1=P2=P3≈25.38 kN经计算，结构校核检验结果见表3、表4。

表3 件1 与件3 在组合载荷Ⅱ的应力校核结果 MPa

表4 件2 在组合载荷Ⅱ的应力校核结果 MPa

2.4 底梁结构校核

BM1/2 皮带线局部改造后皮带机底梁与皮带机机架梁的整体承力点由6 点增加到9 点，在校核过程中为均布载荷受力，将其定义为件4（图3）。

图3 皮带机机架梁载荷与截面

其中，W4=884 cm3，A4=81.12 cm2，Lmax=L1+L2=L3+L4=4500 mm，M4max=P×Lmax。基础载荷：P1=P2=P3≈16.23 kN经计算，结构校核检验结果见表5。

表5 件4 在组合载荷Ⅱ的应力校核结果MPa

3 结束语

经过结构校核，考虑地震载荷下，Ⅸ（包括Ⅸ）级以下烈度，BM1/2 皮带线局部改造后的结构符合使用条件。因此，针对BM1/2 线皮带机进行局部改造的方案是可行的。