带荷重传感器钢仓的设计计算

1 带荷重传感器钢仓的设计计算 由于工艺升级 越来越多的业主要求生料调配站 水泥调配站 煤粉制备 水泥散装 及生料 水泥库底的钢仓带荷重传感器 因为这样不仅可以提高自动化程度 另外还便于 减小钢仓体积 节约钢材用量 降低仓顶高度 减小向仓内喂料的提升输送设备规格及厂 区面积 因此可以减小基建投资和投产后的生产电耗 推进水泥工业向低碳化发展 我们在与一些设计单位合作过程中发现 他们的钢仓设计缺乏设计计算 把钢仓设计 得既笨重又高大 经我们进行强度计称 并优化设计后 在装载量相同的情况下 有的仓 只需要原设计的一半重量即可 因此 优化带荷重传感器钢仓的设计计算就尤其显得越来 越重要 这里将我们的设计计算介绍如下 钢仓的外形图如图 1 所示 1 壳体受力 1 1 支座以上圆柱仓壁的应力为 因为钢仓上部自重很小 可以忽略不计 这一般的应 力可看做是在物料压力作用下 仓壁产生的环向拉应力为 t 1 计焊 t K RgPK t 式中 g 重力加速度 R 钢仓半径 t计 仓壁计算厚度 K焊 焊缝系数 K焊 0 8 K 侧压力系数 2 2 45 2 tgK 式中 贮藏物料的内摩擦角 见表 1 3 hxCP 式中 P 计算点水平面承受物料的压应力 贮藏物料的容重 见表 1 x 仓顶至计算点的垂直距离 h 贮料顶锥的高度 4 2 tgRh 式中 2 物料休止角 见表 1 C 冲击影响系数 对于我们研究的钢仓由于没有大块物料的冲击 故 1C 2 图 1 钢仓外形 表表 1 水泥厂钢仓常用物料的有关参数 水泥厂钢仓常用物料的有关参数 容重 t m3 休止角 2内摩擦角 石灰石 0 20mm 1 45 30 35 石灰石 0 450mm 1 5 39 35 粘土 水分 15 以下 1 7 45 干粘土 35 煤粉0 5 37 45 25 30 湿矿渣0 65 35 干矿渣0 4 1 0 35 45 30 铁粉1 5 35 33 碎石膏1 4 35 熟料1 45 33 33 碎煤块0 9 27 25 40 水泥生料 一般常用 库内1 0 1 3 35 30 水泥 一般常用 库内1 1 1 4 30 30 块状火山灰1 3 40 45 1 1 2 支座以下一段仓壁受力分析 即图 1 中高度为 Hz y 的一段仓壁 除按上式计算出的环向应力外 还承受贮料等重力 引起的纵向拉应力 m 3 5 计 tR G m 2 式中 G 仓壁承受的计算载荷 6 锥柱料 GGGG 式中 仓内顶锥 圆柱体和底锥贮存的物料总重 料 G 计算面以下 仓体圆柱部分重量 柱 G 锥体及膨胀节以上设备重量 锥 G 总应力 7 2 m 2 t 1 2 底部锥体的应力计算见图 1 底部锥体的最大应力发生在锥体与圆柱壳体联接处 在时 3 K z H H 8 K K z H H H int ctgg 3 s2 1 1 max 计 9 1 tgRHK 式中 1 仓底锥溜角 Hk 仓底锥三角形的高度 2 支座环梁受力计算 前面我们已经说过 这里研究的是带荷重传感器的称重钢仓 一般是在钢仓外壁设计 一个连续 水平 圆形环梁 这个环梁支撑在 3 12 个均布支点上 环梁受均布载荷作用 如图 2 所示 我们先计算出它的弯矩 剪力 扭矩 再计算出梁的截面模数 由此可以算 出梁承受的应力 设计应保证实际应力小于许应力 按此顺序 下面分别介绍它们的计算 4 图 2 连续圆弧环梁受力图 2 1 连续环梁在均布载荷作用下 支点数为 3 12 个常用的 7 种钢仓特征点的剪力 弯矩和 扭矩如表 2 所示 设计者根据需要由表 2 选用合适的公式进行计算 10 R G q 2 图及式中 两相邻支座间中心角之半 支座与扭矩最大处夹中心角 q 环梁承受均布载荷的计算值 表 2 钢仓的剪力 弯矩和扭矩 特征点最大弯矩最大扭矩处特征数值 序 号 支 柱 数 最大剪 力 跨中支点处最大扭矩弯矩 与支点夹中 心角 131 047gR0 209200gR2 0 395400 gR20 082768gR21 2944x10 6gR2 25 47 28 240 785gR0 110721gR2 0 214602 gR20 033125gR21 95 x10 6gR2 19 11 59 350 6283gR0 068959gR2 0 135194 gR20 016567gR20 15 18 26 460 524gR0 047198gR2 0 093100 gR20 009470gR2 4 708 x10 5gR2 12 43 26 580 393gR0 026172gR2 0 051941 gR20 003945gR2 2 84 x10 8gR2 9 31 55 6100 314gR0 016641gR2 0 033118 gR20 002009gR2 7 237 x10 7gR2 7 37 8 7120 262gR0 011514gR2 0 022953 gR20 001159gR20 2 x10 8gR2 6 20 47 2 2 环梁的截面模数 常用的环梁截面形状如图 3 所示 图 3 常用环梁截面形状 工程上可用下列公式计算环梁的截面模数 口 字形及槽钢型环梁截面模数公式 11 H bhBH Wx 6 33 5 裙边型环梁截面模数公式 12 2 12 4 2 12 4 222222 ba babah BA BABAH Wx 2 3 计算截面的环梁应力 梁 13 x W M 梁 式中 M 所计算截面的弯矩或扭矩 2 4 环梁的优化设计 我们在检查实际工程的钢仓计算中 发现某7 5m 钢仓 仓壁 t 12mm 在仓壁外面 再加一个由 t 30mm 钢板焊成高 1000mm 宽 300mm 的 口 字形环梁 如图 4 a 所示 设 计者未考虑仓壁增强环梁的因素 他们的截面模数和钢材用量如下 图 4 两个不同截面形状环梁的比较 截面模数 cm316777 1006 942410030 6 3333 H bhBH W a x 钢材用量 285 7 3 04 27885 7 783 05 7 3 012 0 10 a G t309 1616309 kg 将设计进行优化 钢梁由 口 字形改为槽钢形 钢梁与仓壁共用一段 t 12mm 厚的 钢板 梁上 下缘宽 400mm 厚 30mm 高 1300mm 如图 4 b 所示 他们的截面模数和钢 材用量如下 截面模数 cm318271 1306 124401302 41 6 3333 H bhBH W b x 6 钢材用量 t5 77502285 7 43 07885 7 7512 0 13 kgGb 用于跨度计算的截面模数由 16777cm3增加到 18271cm3增大 39 所用的钢材由 16 3t 减 少到 7 5t 节约了一半以上 裙边式截面应稍优于槽钢形截面 为了节省篇幅这里不再计 算 结果分析 原设计 口 字形环梁 由于钢梁大部分钢材受力过小 没有充分发挥其能力 浪费了材料 而优化后槽钢形和裙边形环梁 将材料尽量集中在受力大的上下两侧 材料 利用充分 所以节省了大量的钢材 另外很多钢仓都是在水泥厂安装现场制造 口 字形 环梁也现场加工 尤其是海外工程 虽然安装公司都带了小型卷板机到现场 但环梁 t 30mm 钢板太厚 超过现场卷板机的加工极限卷不动 给现场制造带来很大困难 所以 在淘汰落后产能 推进水泥低碳化发展和实现工艺升级的今天 口 字形环梁应当淘汰 3 仓壁和环梁的许用应力 3 1 许用应力为 一般没有特殊要求的钢仓 仓壁和环梁都要用 Q235 B 制造 钢板厚 度 t 40mm 温度小于 150 时 113N mm2 当 t 40mm 温度等于 150 时 107N mm2 3 2 对于钢仓壁厚 因为计算公式中 未考虑腐蚀 磨损 板厚公差 地震 风载荷 当纵 向应力较小时 为简化计算只考虑环向应力引起计算误差 在支座及环梁附近的仓壁 由 于支座受力环梁变形后 传递给仓壁的附加力被忽略 因此在计算值的基础上 壁厚增加 4mm 一般最薄宜选用 t 6mm 3 3 环梁的许用应力 圆管 圆钢的抗扭截面模数可以推导出来或查表得到 但我们这种形 状的钢仓梁推导抗扭模数比较复杂 好在钢仓的圈梁不是悬空独立的 它与仓壁连在一起 梁扭转变形 势必带动仓壁一侧受拉伸 仓壁的拉力很好地克服了扭矩 由表 2 可知 扭 矩比弯矩小很多 因此梁的强度计算可以忽略扭矩不计 所以一般我们只按支点处的弯矩 进行强度计算 弯应力不超过许用应力即可 4 钢仓的支座 一般一个钢仓有 3 12 个支座 但以三个支点的用得最多 为什么三支点的钢仓用得最 多呢 这是由于三点定面 它允许安装误差大 三个支点即使不在同一平面 也不太会影 响测量精度 这种仓的设计要点是三个支座均布于 120 之间 如图 5 a 所示 7 图 5 三支点钢仓的支座 这种仓的出料还有电子皮带秤或冲板流量计等精度较高的设备控制出料量 仓本身设 置的荷重传感器如图 5 b 所示 要求称量精度并不高 一般控制极限是仓内物料不少到空 仓断料 多到不能让仓满后仍进料 使物料溢出仓外 这种仓的支座有以下三种形式 4 1 支座的 A B C 三点均设置荷重传感器 可由传感器输出信号准确测得料重 这一方 法优点是精度高 缺点是一个仓用三个荷重传感器使它的投资高 4 2 只在 A 支点设置荷重传感器 B C 两点用两个铰支承 如图 5 C 所示 代替传感器 这比用三个传感器的投资低 但机械加工量大 还需要定期加润滑油以防铰链处锈死 设 计这种铰支座要计算其接触应力和剪切应力 接触应力用下列公式计算 13 21 21 418 0 RR RR L EP 式中 P 每个支撑受的载荷 E 轴与孔接触面的弹性模量 碳钢GPaE206 196 L 接触面长度 R1 孔半径 R2 轴半径 当承受力为 100t 轴孔半径 R1 35 2mm 轴半径 R2 35mm 接触长度 L 80mm 代入公式 13 得 264N mm2 许用接触应力380N mm2 故合格 铰支座剪切应力 14 轴 2 1 4 Dn PK 式中 n 受剪切力作用面的数量 对于 5 c 的铰支座 n 4 D轴 铰链轴直径 K1 受力不均匀系数 K1 2 将已知代入公式 14 得N mm2 许用剪切应力127 N mm2 故合格 13137535 0 35 0 b 4 3 第三种方法是在图 5 a 中 只在 A 点设荷重传感器 在 B C 两点用脊支座代替荷重传 感器 脊支座如图 5 d 所示 因为垂直竖直的薄钢板相对于钢仓而言 刚度很小 可以起 到铰接的作用 这种支座机械加工量很少 自重也轻 一个能承受 100t 荷载的脊支座约 140kg 可以进一步节省投资 我们已投入使用收到良好效果 其强度验算可用下列公式 15 PK2 式中 K2 安全系数 K2 1 2 承压板宽 承压板厚 图 5 d 所示承压 100t 的脊轴承 用公式 15 计算出其承压应力为 112N mm2小于许用应力 113N mm2 故安全 超过 3 个支座的钢仓 环梁上的各支点均设荷重传感器 由荷重传感 器输出的信号测得仓内料重 8 5 计算实例 以储量为 500t 的熟料钢仓为例 经用上述公式计算结果为钢仓直径7 5m 仓顶3m 圆平面 接 33 倾角锥台的上锥台高 2 435m 钢板厚 6mm 圆柱体高 5 75m 仓壁厚 6mm 下椎体倾角 45 高 3 25m 钢板厚 8mm 钢仓总高 11 44m 支座处环梁的钢仓 壁厚 12mm 上下两法兰钢板厚 30mm 宽 400mm 两法兰间距 1300mm 将有关计算结 果列于表 3 由表 3 可知 这个钢仓设计是