堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)支撐裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造

趙利軍，蔣巍

（神華黃驊港務(wù)公司,河北 滄州 061000）

1 前言

神華黃驊港一期工程斗輪堆取料機(jī)于2001年投入使用，其取料堆料能力為6000/4400噸每小時(shí)，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 DQL6000/6400.50型斗輪堆取料機(jī)總圖

此堆取料機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)和回轉(zhuǎn)軌道形式，共四組臺(tái)車(chē)和8個(gè)回轉(zhuǎn)輪。回轉(zhuǎn)支撐裝置是堆取料機(jī)中核心支撐部件，負(fù)責(zé)完成堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)以上部分的在水平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作。承受整機(jī)重量和各種組合載荷，其結(jié)構(gòu)形式影響整個(gè)堆取料機(jī)能否安全可靠的運(yùn)行。回轉(zhuǎn)支撐裝置結(jié)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)小齒輪、回轉(zhuǎn)大齒圈、回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)、回轉(zhuǎn)軌道、水平輪和軌道等。

自投產(chǎn)以來(lái)，回轉(zhuǎn)軌道頻繁損壞，且于2010年對(duì)其軌道重新升級(jí)更換，由原國(guó)產(chǎn)QU120更換為進(jìn)口A150軌。但使用3年時(shí)間后又陸續(xù)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)軌道頻繁損壞、回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)開(kāi)裂嚴(yán)重、回轉(zhuǎn)輪變形等問(wèn)題，此隱患已影響到設(shè)備的安全及穩(wěn)定運(yùn)行。為保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，我們對(duì)該機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)改造。

2 回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)損壞的原因分析

回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)總支撐載荷計(jì)算。

2.1 死載荷 G1

表1 取料機(jī)各部分重量

取料機(jī)各部分重量見(jiàn)表1。

通過(guò)上表可以得出：

取料機(jī)鋼結(jié)構(gòu)總重量為688．4噸，配重重量為284噸，回轉(zhuǎn)下部鋼結(jié)構(gòu)重量為236噸則回轉(zhuǎn)上部總重量，死載 G1=688．4+284-236=736．4 噸（7216．72kN）。

圖2 皮帶機(jī)橫截面結(jié)構(gòu)圖

2.2 活載荷 G2

2.2.1 皮帶機(jī)上煤重量計(jì)算

懸臂皮帶機(jī)寬度=2m，速度=4．6m/s， 托 輥 槽角=35°（如圖3），煤在皮帶上的堆積角為30°。皮帶長(zhǎng)度L=52m，皮帶機(jī)能力Q=6000T/H。

煤在皮帶上的物理截面積S，參照DTII標(biāo)準(zhǔn)中的皮帶機(jī)帶寬與物料橫截面積對(duì)應(yīng)表，其數(shù)值為0．554m2，則皮帶上的煤最大重量為G皮=L×S×ρ=52×0．554×0．8=23 噸 (225kN)。

2.2.2 斗輪處的最大負(fù)載F

斗輪減速機(jī)輸出扭矩為330KNm, 斗輪直徑9．6m，則最大取料力F=330×9．6/2=68KN，則總的活載為G2=G皮+F=225+68=293kN。

2.2.3 最大計(jì)算工作輪壓

最大工作輪壓按照當(dāng)懸臂取料位置與支撐輪重合時(shí)（即取料機(jī)臂架水平取料狀態(tài)）計(jì)算， 則最大的單個(gè)輪壓值是：P=(G1+G2)/8=938kN。

2.3 原因分析

綜上理論計(jì)算可以得出，神華黃驊港一期6000噸堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)支撐為4組臺(tái)車(chē)，每組臺(tái)車(chē)有2個(gè)支撐輪，總支撐輪數(shù)量為8組，上部鋼結(jié)構(gòu)總載荷為736．4噸，平均每個(gè)支撐輪載荷為約92．05噸。考慮到載荷分布的不均性、物料重量等動(dòng)載、其他附加載荷的影響，特別當(dāng)懸臂取料位置與支撐輪重合時(shí)（即取料機(jī)臂架水平取料狀態(tài)），單個(gè)輪壓最大約為938kN。最大輪壓已超出GB3811-1983《起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范要求的》A150型軌道的許可使用抗拉強(qiáng)度極限890MPa，從而逐漸導(dǎo)致軌道踏面壓潰并斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)歪曲、變形。

另外，不正確的軌道焊接工藝也是軌道頻繁損壞的直接原因。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)軌道焊接方法極易造成局部加熱溫度過(guò)高而產(chǎn)生軌道接頭內(nèi)部過(guò)燒缺陷，軌道外部由于局部區(qū)域加熱升溫，導(dǎo)致軌道表面電極灼傷，增加接頭脆性；現(xiàn)場(chǎng)焊接也容易產(chǎn)生軌道預(yù)熱溫度不夠造成軌道接頭未焊透缺陷；現(xiàn)場(chǎng)焊接極易受外界環(huán)境影響造成不連續(xù)焊接軌道接頭形成疏松缺陷，降低軌道的機(jī)械性能；由于焊前對(duì)軌操作不規(guī)范，執(zhí)行操作工藝部嚴(yán)格，容易造成軌道接頭錯(cuò)位；由于軌道焊接材料選型不當(dāng)，造成接頭強(qiáng)度低于鋼軌母材強(qiáng)度，形成低踏現(xiàn)象損壞鋼軌。

3 回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 改造方案

此問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)在于輪壓過(guò)高，因此提出以下優(yōu)化方案：在保證堆取料機(jī)高度不發(fā)生變化的前提下，將現(xiàn)有的每組臺(tái)車(chē)由2個(gè)輪改為4個(gè)輪，即總輪數(shù)量由8輪改為16輪，采用平衡梁式的結(jié)構(gòu)形式，使得每一組臺(tái)車(chē)的單輪輪壓均相等。則單個(gè)車(chē)輪輪壓為原先結(jié)構(gòu)的二分之一，從而從根本上解決輪壓過(guò)大導(dǎo)致軌道壓潰的情況。改造后回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)的接口尺寸與現(xiàn)設(shè)備一致。

黃驊港一二期取料機(jī)的回轉(zhuǎn)軌道都是采用國(guó)產(chǎn)QU120軌道或日本標(biāo)準(zhǔn)CR100軌道，事實(shí)證明如取料機(jī)因設(shè)計(jì)輪壓過(guò)大，國(guó)標(biāo)軌道和日本標(biāo)準(zhǔn)軌道不能滿足需要，通過(guò)仔細(xì)查閱歐洲起重機(jī)軌道標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)A150（DIN536）軌道無(wú)論截面尺寸還是強(qiáng)度方面都要大于上述兩種軌道，因此考慮采用A150 軌道代替QU120和 CR100軌道。

3.2 許用輪壓計(jì)算校核

3.2.1 回轉(zhuǎn)支撐裝置車(chē)輪輪壓應(yīng)滿足下面公式（1）

式中：Pc為計(jì)算輪壓；K1為與車(chē)輪材質(zhì)相關(guān)的許用比壓（N/mm2）；K為車(chē)輪或滾輪的許用比壓，單位為N/mm2，鋼質(zhì)車(chē)輪或滾輪按表3選取。

對(duì)于具有突起承壓面的軌道或車(chē)輪，許用比壓K可增加10%，因?yàn)檫@樣能改善輪軌的接觸。

車(chē)輪與滾輪的許用比壓K見(jiàn)表2。

表2 車(chē)輪與滾輪的許用比壓K

D 為車(chē)輪直徑；L為車(chē)輪與軌頭的接觸長(zhǎng)度，mm；C為計(jì)算系數(shù)（進(jìn)行車(chē)輪踏面疲勞校核時(shí)，C=C1C2；進(jìn)行車(chē)輪強(qiáng)度校核時(shí)，C=CMax）；C1為轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)，按照表47或48表選取（《GB/T3811起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》）；C2為工作級(jí)別系數(shù)，按照表49選取。

選取值如下：Pc為最大輪壓為938kN；K1為車(chē)輪材料為42CrMo（抗拉強(qiáng)度為1080MPa），軌道為DIN536 A150進(jìn)口軌（抗拉強(qiáng)度為890MPa），則K1取近似值為 8．5×1．1=9．35；D 為車(chē)輪直徑為 710mm；L為車(chē)輪寬度為200mm，A150軌道寬度150mm，r角為8mm，則有效接觸寬度為134mm；C為計(jì)算系數(shù)，取最大 1．9。

對(duì)于公式（1），則：Pc（=938,000Nmm)≤K1DLC（=9．35×710×134×1．9=1,690162Nmm）

上述不等式成立，則輪壓滿足要求；冗余系數(shù)為1．8。

3.2.2 鉸點(diǎn)軸載荷計(jì)算

現(xiàn)臺(tái)車(chē)一級(jí)鉸點(diǎn)軸直徑D1=250=mm，按照等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，二級(jí)鉸點(diǎn)軸D2＞=176．7766953mm，軸選180mm，滿足要求；三級(jí)鉸點(diǎn)軸D3＞=125mm，軸選145mm，滿足要求。

3.3 優(yōu)化方案

為了提高回轉(zhuǎn)輪和回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)強(qiáng)度和使用壽命，要求回轉(zhuǎn)輪材質(zhì)選用42CrMo，鍛造處理，鍛件符合JB/T5000．8-1998 IV級(jí)要求，整體調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后抗拉強(qiáng)度達(dá)到900～1100MPa。軸承選用進(jìn)口SKF產(chǎn)品，軸承座的密封效果良好。輪踏面進(jìn)行工頻淬火處理，硬度HB320-350，淬透層不低于15mm。新設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)金屬結(jié)構(gòu)做有限元法的分析，充分考慮應(yīng)力集中區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命到達(dá)300萬(wàn)次，并有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)處理措施以消除或分散應(yīng)力。為保證A150與原QU120軌底寬度一致，A150軌底需在機(jī)床上加工；軌道原材料采用國(guó)外進(jìn)口優(yōu)質(zhì)材料，材料等級(jí)采用90Va，軌道采用整體調(diào)質(zhì)處理，最小硬度HB321，軌道彎曲成型需在工廠內(nèi)完成，彎曲成型過(guò)程不許退火處理，由連續(xù)冷彎滾壓成型，成型后的軌道保持機(jī)械性能不變，曲率半徑平滑一致，無(wú)螺旋彎曲變形，無(wú)直線硬彎；成型后應(yīng)采取有效措施去除軌道殘余應(yīng)力；軌道曲率半徑及安裝形式與原設(shè)備保持一致，成型后的軌道在半徑方向上的偏差不超過(guò)10mm，側(cè)向偏差不超過(guò)5mm；軌道分為3段，軌道接口采用45°斜面對(duì)接，不采用焊接形式，相連接的兩段軌道端面加工成45°垂直斜面，組裝后兩段貼合緊密，接縫最大間隙不超過(guò)0．5mm，兩軌道中心錯(cuò)位和軌頂高度差不超過(guò)0．5mm。

3.4 改造范圍（表3）

表3 回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)改造范圍

4 回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)改造安裝工藝

4.1 施工機(jī)械準(zhǔn)備

施工機(jī)械準(zhǔn)備，如表4所示。

4.2 拆除和安裝

將堆取料機(jī)SR錨定于一固定位置。

放下夾軌器，打好鐵鞋。

拆除回轉(zhuǎn)軌道的保護(hù)罩及支架等。

用2個(gè)500噸千斤頂和3個(gè)300噸千斤頂將堆取料機(jī)上部頂起大概20mm。

表4 施工機(jī)械準(zhǔn)備

拆除鞍形支座與上部鋼結(jié)構(gòu)的連接螺栓等。

將1#舊回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)總成拆除。

安裝1#回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)總成，鞍形支座與上部鋼結(jié)構(gòu)用螺栓連接。

拆除對(duì)應(yīng)1#處軌道及軌道壓板（底板不拆除）。

去除軌道裝置的焊接墊板，并將軌道支撐面打磨平整，并用水平尺找平。

將軌道焊接墊板就位，同時(shí)用水平尺找平，將新軌道安裝至原位，軌道壓板螺栓先就位但是不扭緊。

同樣方法進(jìn)行2#、3#、4#回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)以及另2段軌道的拆除和安裝工作。

3段軌道對(duì)好位，扭緊軌道壓板螺栓，準(zhǔn)備焊接軌道，焊接軌道要嚴(yán)格按照軌道焊接工藝進(jìn)行。

軌道焊接保溫后，將焊接接口軌頂處打磨平整。

調(diào)整好4組回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)總成位置。

逐個(gè)將液壓千斤頂撤出。

恢復(fù)夾軌器、保護(hù)罩等裝置。

空載試車(chē)。

重載試車(chē)。

清理現(xiàn)場(chǎng)。

4.3 液壓千斤頂頂升位置

2個(gè)500噸液壓千斤頂，3個(gè)300噸液壓千斤頂，備用2～3個(gè)液壓千斤頂，小型液壓站保持良好運(yùn)行狀態(tài)。

4.4 軌道焊接工藝

A150進(jìn)口鋼軌采用三段軌道對(duì)接，其對(duì)接焊縫工藝如下。

4.4.1 軌道焊接接口處理

對(duì)于新的軌道在車(chē)間用鋸床切出規(guī)則的斷面接口；現(xiàn)場(chǎng)軌道用火焰切割出所需斷面。

4.4.2 制作坡口

軌道焊接坡口采用氧乙炔切割，切割前需進(jìn)行預(yù)熱，切割后清理氧化鐵并用砂輪打磨平整，檢查合格方可使用。

4.4.3 焊接前的定位和約束

（1）將對(duì)接的兩段軌道按照坡口要求定位。

約束固定：按圖3所示對(duì)軌道進(jìn)行約束，避免接口錯(cuò)邊。

圖3 軌道約束方式

所有的固定工裝必須在焊接完成沖鋒冷卻后方可拆除。

4.4.4 焊前準(zhǔn)備工作

焊接開(kāi)始前將接口兩側(cè)150mm范圍內(nèi)清除雜質(zhì)，軌道內(nèi)部焊條選用E6015，焊縫表面最后一層使用JH-40B（φ4mm）工焊電焊條，保證軌道踏面的硬度。焊條焊前恒溫烘焙處理，使用時(shí)放在恒溫桶內(nèi)，隨用隨取。雨雪、大風(fēng)天氣不得露天焊接，每條軌道焊縫必須一次焊接成型。

4.4.5 焊接溫度控制

軌道焊接開(kāi)始前，先用氧乙炔中性焰均勻加熱軌道接頭兩端各200mm范圍，加熱溫度在250～300℃之間，保持15分鐘。焊接過(guò)程中層間溫度與加熱溫度相同。預(yù)熱處理溫度和層間溫度根據(jù)可根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度上下浮動(dòng)。

4.4.6 焊接注意事項(xiàng)

正式焊接前確認(rèn)各項(xiàng)條件滿足焊接工藝要求。

打底焊縫焊接順序?yàn)橄葍蓚?cè)角焊縫，后焊中間部分。

軌道中間部位焊接：將焊渣清理干凈后，安裝銅襯墊，間隙在6～8mm之間，連續(xù)施焊，焊接過(guò)程中注意排出電焊藥粉，直至本層焊接完成。

軌道頂部焊接：頂部焊接方法與腹部基本相同。此外要特別注意電弧不要與銅襯墊碰，防止銅金屬滲入焊縫中出現(xiàn)裂紋。軌道焊縫踏面層用JH-40B或HF-350焊條焊接，注意每層堆焊厚度不宜超過(guò)3mm，否則容易產(chǎn)生裂紋。

焊接完成后檢查焊縫外觀質(zhì)量，如有缺陷必須對(duì)缺陷部位進(jìn)行打磨或用碳弧氣刨進(jìn)行處理，然后再按焊接工藝要求進(jìn)行補(bǔ)焊，直到缺陷消除。

4.4.7 焊后熱處理

軌道施焊完畢后應(yīng)立即對(duì)軌道接縫兩側(cè)側(cè)各200mm范圍內(nèi)進(jìn)行加熱至350℃，并持續(xù)30分鐘，然后用生石灰將焊縫兩側(cè)加熱區(qū)域埋起來(lái)進(jìn)行保溫緩冷，去除焊接內(nèi)應(yīng)力和熱影響區(qū)的硬脆現(xiàn)象。

4.4.8 焊后焊縫表面處理

焊縫保溫處理后，用磨軌機(jī)磨平軌面，24h后MT檢查。

4.5 安全措施

施工現(xiàn)場(chǎng)須嚴(yán)格遵守《進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全通則》《維修作業(yè)一般安全守則》，嚴(yán)格遵守各項(xiàng)安全操作規(guī)程；

現(xiàn)場(chǎng)施工人員熟悉并了解施工方案，特種作業(yè)必須持證上崗，有專(zhuān)門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)安全管理員。

交叉作業(yè)要有專(zhuān)人負(fù)責(zé)、指揮，嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)票制度，杜絕違章指揮、違章操作和違反操作規(guī)程。

施工前對(duì)工屬具認(rèn)真檢查，確保工屬具完好有效。

使用撬杠時(shí)，禁止將手、腳伸入重物底面，撬起重物后塞入硬物墊實(shí)，嚴(yán)禁騎在撬杠上。

氧乙炔氣瓶設(shè)置防傾倒措施，放置間距不小于5米，距動(dòng)火點(diǎn)不少于10米。

手拉葫蘆使用前應(yīng)實(shí)現(xiàn)檢查，轉(zhuǎn)動(dòng)部分必須靈活，鏈條應(yīng)完好無(wú)損，不得有卡阻現(xiàn)象，制動(dòng)器必須有效，銷(xiāo)子要牢靠。

設(shè)備吊裝前認(rèn)真檢查吊裝工具是否安全可靠；吊裝過(guò)程起升下降平穩(wěn)，嚴(yán)禁人員隨同設(shè)備升降。在吊裝過(guò)程中應(yīng)避免設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停留在空中。

嚴(yán)格動(dòng)火審批手續(xù)，每個(gè)動(dòng)火點(diǎn)不少于兩個(gè)滅火器；并配備消防桶不少于4個(gè)。現(xiàn)場(chǎng)看火人員不少于2名。

施工進(jìn)度計(jì)劃，具體見(jiàn)表5所示。

表5 施工進(jìn)度計(jì)劃

5 結(jié)語(yǔ)

2017年5月黃驊港一期堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)支撐裝置通過(guò)上述設(shè)計(jì)方案對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)進(jìn)行改造，經(jīng)過(guò)十個(gè)多月持續(xù)使用檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有任何變形。

該平衡梁式結(jié)構(gòu)增加車(chē)輪數(shù)量，降低了單個(gè)車(chē)輪輪壓，有效的延長(zhǎng)車(chē)輪和軌道的使用壽命，避免頻繁更換回轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)和回轉(zhuǎn)軌道備件，提高了堆取料機(jī)使用壽命，為堆取料機(jī)設(shè)備安全、穩(wěn)定提供了有力的保障。