[发明专利]一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法

权利要求书

1.一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，包括：

步骤一、建立胶带输送机机头简化模型并对胶带输送机机头载荷进行受力分析；

步骤二、运用受力平衡方程和力矩平衡方程计算获取地脚螺栓预埋板处垂直载荷和水平载荷的受力；

步骤三、建立地脚螺栓受力简化模型，计算出受压区长度值，确定锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围。

2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述步骤一中建立胶带输送机机头简化模型是将胶带运输机头简化为包括传动滚筒、改向滚筒、底座及三角结构梁的力学模型，所述传动滚筒为外力变量输入单元，改向滚筒、底座及三角结构梁为外力稳定输入单元，传动速率发生变化时外力输入单元存在差异性变化。

3.根据权利要求2所述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述受力平衡方程在建立过程中引入外力变化系数ξ，所述受力平衡方程具体为公式(1)：

式中：G₁为头部滚筒的重量，G₂为改向滚筒的重量，G₃为底座及三角结构梁的重量，S₁为头部滚筒奔离点的张力，S₂为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，F_AY为A预埋板所受到的垂直载荷，F_BY为B预埋板所受到的垂直载荷，F_CY为机头处整体所需锚固力。

4.根据权利要求2所述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述力矩平衡方程在建立过程中引入外力变化系数ξ，所述力矩平衡方程具体为公式(2)：

式中：G₁为头部滚筒的重量，G₂为改向滚筒的重量，G₃为底座及三角结构梁的重量，S₁为头部滚筒奔离点的张力，S₂为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，H₁为三角结构梁高度，D为头部滚筒直径，H₂为改向滚筒高度，d为改向滚筒直径，L为A、B点水平距离，L₁为头部滚筒距A点距离，L₂为改向滚筒距A点距离，L₃为头架重心距A点距离，ξ为外力修正系数。

5.根据权利要求3所述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述受力平衡方程还包括水平受力平衡方程，所述水平受力平衡方程为公式(3)：

∑F_X＝0

式中：S₁为头部滚筒奔离点的张力，S₂为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，F_AX为A预埋板所受到的水平载荷，F_BX为B预埋板所受到的水平载荷，S为胶带所受张拉力在水平方向上的分力；

所述水平受力平衡方程中F_AX＝F_BX，通过上述公式的计算可得到胶带输送机机头处最大所需锚固力。

6.根据权利要求3所述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述计算出受压区长度值具体如下：

根据地脚螺栓受力简化模型可得到方程(4)

式中：R为混凝土压应力合力，M为锚固力矩，L_x为螺栓锚固距离，Z为巷道硬化层及其上所施加力，N为机头对地脚螺栓的拉拔力，l_x为螺栓至平行螺栓压力最大侧底板边的距离，f为地脚螺栓和混凝土或巷道底板最小摩擦力的合力，λl_x为螺栓至压应力图形重心的距离，e为系数，e＝M/Z；

根据外加力对地脚螺栓锚固性能的影响，引入受拉端最大应力公式(5)和最小应力公式(6)；

所述受拉端最大应力公式(5)为：

σ_max＝Z/L_xb+6M/bL_x²≤η_lf_c(1-γ_k) (5)

式中：M为锚固力矩，L_x为螺栓锚固距离，b为螺栓锚固宽度，Z为巷道硬化层及其上所施加力，σ为混凝土压应力，f_c为基础混凝土的轴心抗压强度设计值、η_l为局部承压时的提高系数，γ_k为巷道应力破坏系数；

所述受拉端最小应力公式(6)为：

σ_min＝-Z/bL_x+6M/bL_x² (6)

式中：M为锚固力矩，L_x为螺栓锚固距离，b为螺栓锚固宽度，Z为巷道硬化层及其上所施加力，σ为混凝土压应力；

由公式(5)和公式(6)可以计算出受压区长度值，确定螺栓轴心到混凝土压应力重心的距离a，将巷道对底板的作用力也列入分析范围可以得到公式(7)，所述公式(7)为：

式中：M为锚固力矩，Z为巷道硬化层及其上所施加力，a为螺栓轴心到混凝土压应力重心的距离，N为机头对地脚螺栓的拉拔力，f_d为巷道底板对地脚螺栓作用力，l_d为巷道底板作用力与地脚螺栓的水平距离，λl_x为螺栓至压应力图形重心的距离，β角为作用力在地脚螺栓侧与水平面的夹角；

针对单个具体巷道底板作用力矩在此处认为是一定值。则公式(7)式N值不满足竖向平衡条件。从而引入λ的固定关系式公式(8)，所述公式(8)为：

λ＝1-L_x/(6l_x)-L_x/(6l_xε) (8)

式中：L_x为螺栓锚固距离，l_x为螺栓至平行螺栓压力最大侧底板边的距离；

当压应力图形为三角形时，则混凝土受压长度最小值为3×0.181l_x＝0.543l_x；则锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围。