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摘要：近来由于加工、生产、运输设备螺栓失效导致的安全事故频发，带式输送机又是日常生产中的常用设备，因此本篇文章主要对带式输送机机架螺栓进行受力分析，找到引起螺栓连接失效的受力类型，进而提出螺栓失效的预防对策，确保带式输送机在使用过程中安全稳定。
关键词：带式输送机;螺栓;受力;失效;对策
中图分类号：TH222 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0096-02
0 引言
带式输送机是一种高效的运输设备，具有结构简单，操作运维方便，能耗低等特点，带式输送机的运用极大的提高了生产效率和生产产量。机架作为带式输送机的主体构架，要求具有一定的强度、刚度、稳定性和一定的承载能力。带式输送机机架采用钢材通过螺栓等方式连接，对其传动滚筒、输送带、改向滚筒等起支撑作用，机架的稳定性要求螺栓在连接过程中不产生失效。在实际生活中，由于螺栓失效而引起的安全事故频发，例如深圳“太空迷航”事件、风电行业由于螺栓问题导致倒塌等，因此需要对带式输送机机架螺栓连接进行受力分析，了解其受力类型，并对其可能产生的失效形式进行分析并提出相应对策。
1 螺栓概述
螺栓在机械设备的装配、安装、使用、运输过程中起连接作用，常用于被连接件都不需要切制螺纹的场合，使用过程中不受被连接件材料限制，它具有构造简单，装拆方便，成本低等特点，且可以用于通孔连接，能从被连接件的两边进行装配，属于可拆卸连接。但螺栓连接在实际运用过程中，会承受一系列的轴向、横向、挤压和剪切等载荷，会引起螺栓连接失效，造成螺栓螺纹部分的塑性变形，螺栓杆或孔壁被压溃，甚至造成螺栓杆断裂或剪断。
2 带式输送机机架概述
带式输送机的机架主要是由型钢、槽钢以及钢板，通过焊接和螺栓等方式连接起来的金属结构[1]。根据机架在带式输送机上作用的不同，主要设计了用于支承三种滚筒的滚筒机架、支承整个输送装置和中部传动滚筒的中间架及支腿还有拉紧装置架，三种滚筒机架包含传动滚筒机架、改向滚筒机架、卸载滚筒机架[2]。根据机架在带式输送机上布置位置的不同分为带式输送机头架、中间架以及尾架。
头架分为传动滚筒头架和改向滚筒头架[3]。头架主要用来承载传动装置，传动滚筒头架与基础间通过地脚螺栓进行连接，连接时应紧固，无异常振动，且其制造误差不得超过有关标准的要求。
中间架主要用来支撑整个输送装置和中部传动滚筒，为了提高中间架稳定性，中间架往往装有支腿，有I型支腿（无斜撑）和Ⅱ型支腿（有斜撑）两种。支腿与中间架采用螺栓联接，便于运输。
尾架主要用来支撑改向滚筒，位于带式输送机输送线路末端。一般在设计计算中，没有特殊要求且为了设计简单方便，一般认为尾架的材料形状同头架。改向滚轮尾架与基础间也是通过地脚螺栓进行连接。
3 带式输送机机架螺栓受力分析
本文以角形传动滚筒头架为例，建立力学模型，将组成带式输送机机架的钢材简化成没有横截面积的杆进行受力分析，并假设机架上各杆件都是刚性连接，在外载荷作用下，忽略各杆件在连接点处产生的微小变形[4]。将带式输送机头架所受的力简化成一个平面力系，通过对头架受力进行水平方向、竖直方向进行分解以及力矩转化，即得头架螺栓的受力情况，带式输送机头架前后两侧相对中心平面对称，每侧有2排螺栓，总共4排螺栓，每排各设4个螺栓，带式输送机头架通过16个螺栓与基础间连接。头架的受力情况及螺栓的分布情况见受力图1。注：在对带式输送机机架螺栓进行受力分析时，因其尾架与头架材料、结构相似，故择一进行分析即可。
本文以某钢铁厂高炉带式上料机为例，对带式输送机机架螺栓进行受力分析，其参数如图1：传动滚筒质量m1=823kg，改向滚筒质量m2=350kg，头架质量m3=439kg。
3.1 螺栓所受的水平外力
水平方向上，上下两边输送带对传动滚筒头架的作用张力分别为方向向右的S1、S2，下边输送带对改向滚筒的作用张力分别为方向向左的S2和方向向右的S3，很显然传动滚筒和改向滚筒所受的输送带张力S2是一对作用力与反作用力，因此整个带式输送机头架螺栓在水平方向上所受的外力为：
∑Fx=S1+S2=29239N+13941N=43180N
3.2 螺栓所受的竖直外力
头架主要来支撑传动滚筒和改向滚筒重量，因此头架与基础间连接的螺栓主要承受的竖直方向方向外力有：传动滚筒重力G1、改向滚筒重力G2及机架本身的重力G3，因此整个带式输送机头架螺栓在竖直方向上所受的外力为：
∑Fy=G1+G2+G3=（823+350+439）*9.8=15797.6N
3.3 螺栓所收到的倾覆力矩
带式输送机机架的螺栓所受到的倾覆力矩位于机架的对称平面内，是由带式输送机的头部传动滚筒紧边张力S1、改向滚筒奔离点张力S3、传动滚筒的重力G1、改向滚筒的重力G2以及整个机架重力G3对螺栓形心所产生的。带式输送机机架支座在承受倾覆力矩之前，由于各个螺栓均已拧紧，螺栓在预紧力的作用下，有均匀的伸长;在带式输送机机架受到倾覆力矩之后，机架支座会绕着螺栓形心所在轴线倾转一个角度，此时轴线左侧的头架螺栓被进一步拉伸，右侧头架螺栓被放松。在计算螺栓所收到的倾覆力矩之前需要先求得螺栓的形心位置。 螺栓形心位置：
=967mm
倾覆力矩：
M=S1*h-m1*gx0*-m2g*（x0-x）+m3*g*（xJ-x0）-S1*sin？茁*x0-s3*sin？茁（x0-x）=24976.8312N*m[5]。
3.4 倾覆力矩产生的轴向力
作用在带式输送机底座两侧的各个力，对螺栓形心所在轴线形成了一个力矩，这个力矩与倾覆力矩平衡，即：M=∑■■FiLi，因各螺栓的变形与其到轴线的距离成正比，又因各螺栓的刚度相同，所以螺栓和基础间所受工作载荷与该螺栓到轴线的距离也成正比，即：=D[6]。
根据公式：，得出同一排的四个螺栓因倾覆力矩而产生的轴向力，分别为：F′1y=2292N（方向向下），F′2y=1945（方向向下），F′3y=1945N（方向向上），F′4y=2292N（方向向上）。
3.5 螺栓所受的总力
在进行螺栓的设计计算时，螺栓所承受的最大应力与螺栓的许用应力有对应的安全系数，且由于带式输送机在启动、运行和停止时输送带的张力是变化的，同时还要考虑设备中的故障及其他因素的影响，因此在进行带式输送机机架螺栓受力分析时需要选用一个动载系数。根据濮良贵等人主编的《机械设计》表5-10可知，承受变载荷的紧螺栓连接，动载系数可选1.2-1.5，在本次计算中，选取数值K=1.5。
因此，带式输送机机架单个螺栓所承受的水平力为：
=4048N
带式输送机机架单个螺栓所承受的轴向力为：
得：F″1y=4919N（方向向下），F″2y=4398.5（方向向下），F″3y=1957N（方向向上），F″4y=1436.5N（方向向上）。
对于单个普通螺栓受横向力，通过预紧后产生的摩擦力来抵抗横向载荷，螺栓受剪，若横向力过大会造成螺栓压溃或者螺栓桿剪断;对于单个螺栓受轴向力，螺栓受拉，若轴向力过大会造成螺栓螺纹部分发生断裂;除此之外，在带式输送机的工作振动中，螺栓还会发生松动。
4 带式输送机机架螺栓失效对策分析
为防止带式输送机机架螺栓在使用的过程中因受力导致压溃、断裂等现象而发生意外，需采用相应的措施提高螺栓的强度、刚度和使用过程中的稳定性，同时提高螺栓的防松能力，措施如下：①选用合适尺寸的螺栓。根据带式输送机的使用参数，求得螺栓所受的轴向力和水平力，进而根据螺栓剪切的许用应力和螺栓拉伸的许用应力求得螺栓的直径，查找螺栓标准及规格表，选取符合要求的螺栓型号。②降低螺栓的应力幅。根据理论与实践可知，在减小螺栓刚度或者增大带式输送机机架的刚度的同时，提高预紧力，可以使得螺栓在连接过程中的残余预紧力不致减小太多或保持不变，从而可以达到减小应力幅的目的，同时也可以改善连接的可靠性和紧密性。工程应用中，可以通过拧紧力矩、螺母转角、螺栓伸长量、液压拉伸器等方式提升螺栓的预紧力。③提高螺栓的疲劳强度，改善螺纹牙上载荷分布不均。一方面通过改进螺母的设计，将螺母悬置设计，使螺母转变为受拉螺母;或者在螺母的下部开设环槽，使螺母工作时下部受拉且富有弹性。另一方面采用螺套，由于螺套具有弹性，以它作为中介体，旋入被联接件的螺孔中可以改善螺纹牙间受力不均匀现象。④采用合理的制造工艺。
5 结束语
总结，通过对带式输送机机架螺栓受力分析可知，单个螺栓分别承受横向力和轴向力，在使用过程中，螺栓承受剪应力和拉应力，若螺栓所受的外力增大引起螺栓失效将会产生一系列的安全事故。因此，我们要针对带式输送机的使用场合对螺栓进行设计，采取相应的措施，提高螺栓的疲劳强度和防松能力，除此之外还要定期检查，排除隐患，做好螺栓使用过程中的防腐和保养工作。
参考文献：
[1]高英.带式输送机数据库的建立与设计选型软件开发[D].太原科技大学，2009.
[2]宋晓琨.DTⅡ（A）型带式输送机CAD系统的开发[D].太原理工大学，2007.
[3]北京起重运输机械研究所.DT Ⅱ（A）型带式输送机设计手册[M].2003.
[4]杨迪雄，徐先臣.超静定结构支座反力计算的单位支座位移法[J].力学与实践，2012（02）：68-71.
[5]梁菁.带式输送机机架受力分析和程序设计[D].太原科技大学，2016.
[6]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计基础[M].第九版.高等教育出版社，2013.
关键词：带式输送机;螺栓;受力;失效;对策
中图分类号：TH222 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0096-02
0 引言
带式输送机是一种高效的运输设备，具有结构简单，操作运维方便，能耗低等特点，带式输送机的运用极大的提高了生产效率和生产产量。机架作为带式输送机的主体构架，要求具有一定的强度、刚度、稳定性和一定的承载能力。带式输送机机架采用钢材通过螺栓等方式连接，对其传动滚筒、输送带、改向滚筒等起支撑作用，机架的稳定性要求螺栓在连接过程中不产生失效。在实际生活中，由于螺栓失效而引起的安全事故频发，例如深圳“太空迷航”事件、风电行业由于螺栓问题导致倒塌等，因此需要对带式输送机机架螺栓连接进行受力分析，了解其受力类型，并对其可能产生的失效形式进行分析并提出相应对策。
1 螺栓概述
螺栓在机械设备的装配、安装、使用、运输过程中起连接作用，常用于被连接件都不需要切制螺纹的场合，使用过程中不受被连接件材料限制，它具有构造简单，装拆方便，成本低等特点，且可以用于通孔连接，能从被连接件的两边进行装配，属于可拆卸连接。但螺栓连接在实际运用过程中，会承受一系列的轴向、横向、挤压和剪切等载荷，会引起螺栓连接失效，造成螺栓螺纹部分的塑性变形，螺栓杆或孔壁被压溃，甚至造成螺栓杆断裂或剪断。
2 带式输送机机架概述
带式输送机的机架主要是由型钢、槽钢以及钢板，通过焊接和螺栓等方式连接起来的金属结构[1]。根据机架在带式输送机上作用的不同，主要设计了用于支承三种滚筒的滚筒机架、支承整个输送装置和中部传动滚筒的中间架及支腿还有拉紧装置架，三种滚筒机架包含传动滚筒机架、改向滚筒机架、卸载滚筒机架[2]。根据机架在带式输送机上布置位置的不同分为带式输送机头架、中间架以及尾架。
头架分为传动滚筒头架和改向滚筒头架[3]。头架主要用来承载传动装置，传动滚筒头架与基础间通过地脚螺栓进行连接，连接时应紧固，无异常振动，且其制造误差不得超过有关标准的要求。
中间架主要用来支撑整个输送装置和中部传动滚筒，为了提高中间架稳定性，中间架往往装有支腿，有I型支腿（无斜撑）和Ⅱ型支腿（有斜撑）两种。支腿与中间架采用螺栓联接，便于运输。
尾架主要用来支撑改向滚筒，位于带式输送机输送线路末端。一般在设计计算中，没有特殊要求且为了设计简单方便，一般认为尾架的材料形状同头架。改向滚轮尾架与基础间也是通过地脚螺栓进行连接。
3 带式输送机机架螺栓受力分析
本文以角形传动滚筒头架为例，建立力学模型，将组成带式输送机机架的钢材简化成没有横截面积的杆进行受力分析，并假设机架上各杆件都是刚性连接，在外载荷作用下，忽略各杆件在连接点处产生的微小变形[4]。将带式输送机头架所受的力简化成一个平面力系，通过对头架受力进行水平方向、竖直方向进行分解以及力矩转化，即得头架螺栓的受力情况，带式输送机头架前后两侧相对中心平面对称，每侧有2排螺栓，总共4排螺栓，每排各设4个螺栓，带式输送机头架通过16个螺栓与基础间连接。头架的受力情况及螺栓的分布情况见受力图1。注：在对带式输送机机架螺栓进行受力分析时，因其尾架与头架材料、结构相似，故择一进行分析即可。
本文以某钢铁厂高炉带式上料机为例，对带式输送机机架螺栓进行受力分析，其参数如图1：传动滚筒质量m1=823kg，改向滚筒质量m2=350kg，头架质量m3=439kg。
3.1 螺栓所受的水平外力
水平方向上，上下两边输送带对传动滚筒头架的作用张力分别为方向向右的S1、S2，下边输送带对改向滚筒的作用张力分别为方向向左的S2和方向向右的S3，很显然传动滚筒和改向滚筒所受的输送带张力S2是一对作用力与反作用力，因此整个带式输送机头架螺栓在水平方向上所受的外力为：
∑Fx=S1+S2=29239N+13941N=43180N
3.2 螺栓所受的竖直外力
头架主要来支撑传动滚筒和改向滚筒重量，因此头架与基础间连接的螺栓主要承受的竖直方向方向外力有：传动滚筒重力G1、改向滚筒重力G2及机架本身的重力G3，因此整个带式输送机头架螺栓在竖直方向上所受的外力为：
∑Fy=G1+G2+G3=（823+350+439）*9.8=15797.6N
3.3 螺栓所收到的倾覆力矩
带式输送机机架的螺栓所受到的倾覆力矩位于机架的对称平面内，是由带式输送机的头部传动滚筒紧边张力S1、改向滚筒奔离点张力S3、传动滚筒的重力G1、改向滚筒的重力G2以及整个机架重力G3对螺栓形心所产生的。带式输送机机架支座在承受倾覆力矩之前，由于各个螺栓均已拧紧，螺栓在预紧力的作用下，有均匀的伸长;在带式输送机机架受到倾覆力矩之后，机架支座会绕着螺栓形心所在轴线倾转一个角度，此时轴线左侧的头架螺栓被进一步拉伸，右侧头架螺栓被放松。在计算螺栓所收到的倾覆力矩之前需要先求得螺栓的形心位置。 螺栓形心位置：
=967mm
倾覆力矩：
M=S1*h-m1*gx0*-m2g*（x0-x）+m3*g*（xJ-x0）-S1*sin？茁*x0-s3*sin？茁（x0-x）=24976.8312N*m[5]。
3.4 倾覆力矩产生的轴向力
作用在带式输送机底座两侧的各个力，对螺栓形心所在轴线形成了一个力矩，这个力矩与倾覆力矩平衡，即：M=∑■■FiLi，因各螺栓的变形与其到轴线的距离成正比，又因各螺栓的刚度相同，所以螺栓和基础间所受工作载荷与该螺栓到轴线的距离也成正比，即：=D[6]。
根据公式：，得出同一排的四个螺栓因倾覆力矩而产生的轴向力，分别为：F′1y=2292N（方向向下），F′2y=1945（方向向下），F′3y=1945N（方向向上），F′4y=2292N（方向向上）。
3.5 螺栓所受的总力
在进行螺栓的设计计算时，螺栓所承受的最大应力与螺栓的许用应力有对应的安全系数，且由于带式输送机在启动、运行和停止时输送带的张力是变化的，同时还要考虑设备中的故障及其他因素的影响，因此在进行带式输送机机架螺栓受力分析时需要选用一个动载系数。根据濮良贵等人主编的《机械设计》表5-10可知，承受变载荷的紧螺栓连接，动载系数可选1.2-1.5，在本次计算中，选取数值K=1.5。
因此，带式输送机机架单个螺栓所承受的水平力为：
=4048N
带式输送机机架单个螺栓所承受的轴向力为：
得：F″1y=4919N（方向向下），F″2y=4398.5（方向向下），F″3y=1957N（方向向上），F″4y=1436.5N（方向向上）。
对于单个普通螺栓受横向力，通过预紧后产生的摩擦力来抵抗横向载荷，螺栓受剪，若横向力过大会造成螺栓压溃或者螺栓桿剪断;对于单个螺栓受轴向力，螺栓受拉，若轴向力过大会造成螺栓螺纹部分发生断裂;除此之外，在带式输送机的工作振动中，螺栓还会发生松动。
4 带式输送机机架螺栓失效对策分析
为防止带式输送机机架螺栓在使用的过程中因受力导致压溃、断裂等现象而发生意外，需采用相应的措施提高螺栓的强度、刚度和使用过程中的稳定性，同时提高螺栓的防松能力，措施如下：①选用合适尺寸的螺栓。根据带式输送机的使用参数，求得螺栓所受的轴向力和水平力，进而根据螺栓剪切的许用应力和螺栓拉伸的许用应力求得螺栓的直径，查找螺栓标准及规格表，选取符合要求的螺栓型号。②降低螺栓的应力幅。根据理论与实践可知，在减小螺栓刚度或者增大带式输送机机架的刚度的同时，提高预紧力，可以使得螺栓在连接过程中的残余预紧力不致减小太多或保持不变，从而可以达到减小应力幅的目的，同时也可以改善连接的可靠性和紧密性。工程应用中，可以通过拧紧力矩、螺母转角、螺栓伸长量、液压拉伸器等方式提升螺栓的预紧力。③提高螺栓的疲劳强度，改善螺纹牙上载荷分布不均。一方面通过改进螺母的设计，将螺母悬置设计，使螺母转变为受拉螺母;或者在螺母的下部开设环槽，使螺母工作时下部受拉且富有弹性。另一方面采用螺套，由于螺套具有弹性，以它作为中介体，旋入被联接件的螺孔中可以改善螺纹牙间受力不均匀现象。④采用合理的制造工艺。
5 结束语
总结，通过对带式输送机机架螺栓受力分析可知，单个螺栓分别承受横向力和轴向力，在使用过程中，螺栓承受剪应力和拉应力，若螺栓所受的外力增大引起螺栓失效将会产生一系列的安全事故。因此，我们要针对带式输送机的使用场合对螺栓进行设计，采取相应的措施，提高螺栓的疲劳强度和防松能力，除此之外还要定期检查，排除隐患，做好螺栓使用过程中的防腐和保养工作。
参考文献：
[1]高英.带式输送机数据库的建立与设计选型软件开发[D].太原科技大学，2009.
[2]宋晓琨.DTⅡ（A）型带式输送机CAD系统的开发[D].太原理工大学，2007.
[3]北京起重运输机械研究所.DT Ⅱ（A）型带式输送机设计手册[M].2003.
[4]杨迪雄，徐先臣.超静定结构支座反力计算的单位支座位移法[J].力学与实践，2012（02）：68-71.
[5]梁菁.带式输送机机架受力分析和程序设计[D].太原科技大学，2016.
[6]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计基础[M].第九版.高等教育出版社，2013.