軌道式集裝箱起重機箱形梁焊接翻身裝置

薛 健 康向飛

無錫華東重型機械股份有限公司 無錫 214161

0 引言

軌道式集裝箱起重機是用于吊裝集裝箱進行堆放、移位的一種大型起重設備，在大型港口自動碼頭的集裝箱堆場內得到了普遍的應用。為滿足現代化大型碼頭的需求，起重機整體機構逐漸向著大型化發展，而自身整體質量也在大幅提高，導致其制造成本不斷提升。因此，降低起重機的生產成本、提高產品質量、提升產品的市場競爭力對起重機生產企業來說非常重要。

起重機的主梁、支腿、橫梁等均為長條箱形梁結構，各部件因機型不同而大小不同，長度常規達到50 m以上，高度達到3 m以上，質量可達50 t以上。箱形梁由面腹板拼裝而成，軌道安裝面腹板位置T形鋼焊縫都為UT焊縫，其他底部位置角焊縫焊接時也需多次翻身才能保證焊縫的合格率。箱形梁結構的焊縫要求高，多次翻身會降低焊接效率；由于車間本身高度限制，車間內起重機起升高度不夠，對大型箱形梁翻身產生了一定限制。另外，車間內箱形梁翻身使用鋼絲繩對構件進行捆扎翻身，鋼絲繩翻身三四次之后就會出現扭曲斷絲現象，從安全考慮需要更換，使得制作成本升高。因此，設計一種大型箱形梁翻身裝置，并無碼化裝配，對提高起重機生產效率，降低生產成本有非常重要的意義。圖1為軌道式集裝箱起重機箱形梁結構示意圖。

1 設計思路

通常，罐體、管道、筒狀機構件的廠內制作焊接均已實現半自動化，基本上都是利用電動機帶動焊接滾輪架完成自動定速、翻轉焊接，既保證了焊接質量，又提高了生產效率。焊接滾輪架是利用主動滾輪與工件間的摩擦輪，帶動焊接旋轉的變位機械，國內外已形成規模化、系列化生產，可根據用戶需求進行定制。在箱形梁制作時，可參考焊接滾輪架進行翻身，提高翻身效率，但滿足滾輪架使用的前提是機構件截面外形為圓形。雖然箱形梁外形不能直接使用滾輪架進行翻滾，但可在箱形梁外側裝夾一個裝置滿足滾輪架翻滾要求。該裝置應滿足以下要求：1）應具有足夠的剛度，滿足構件裝夾質量不變形，并長期使用及頻繁拆卸仍不變形保證使用及安全的要求；2）外形應呈標準圓形，可帶動箱形梁在滾輪架上完成圓周運動進行翻身；3）裝夾到箱形梁上必須簡單方便，滿足快速安裝要求。

2 具體結構設計

2.1 翻滾支架設計

首先，確定箱梁翻身支架外形為圓形，內部結構為長方形，類似于箱形梁截面結構，整體為一個圓形箱梁結構，用于裝夾箱形梁。內部尺寸篩選最大箱形梁的截面尺寸，以最大尺寸確定內部截面2 000 mm×3 800 mm，其中預留夾具空間。

然后，放大確定外圓尺寸，根據結構強度并參考電動托輥架常規尺寸，確定箱梁翻身支架外圓為4 800 mm。根據結構穩定性確定性及電動滾輪架車輪寬度，確定夾具厚度約為400 mm。整個夾具因減重需要，在面板位置開設多個減重孔，降低整個支架的自重。在余量安裝夾具位置增加筋板，增強支架整體強度。為安裝吊裝需要，在支架上下位置開設2個吊裝孔，按照箱梁最大100 t計算，按單個支架承重50 t開設吊裝孔130 mm，位于端部箱體中間。翻滾支架結構如圖2所示。

圖2 翻滾支架結構

按照單主梁最重100 t計算，2個支架裝夾1根主梁，單個支架受力為50 t，材料選擇為Q235，經過受力核算，安全系數為4.1倍，滿足強度設計要求。翻滾支架應力分析如圖3所示。另外，為了便于安裝，支架在中間分成2件，中間采用螺栓連接，采用M24螺栓8.8級20個螺栓兩側均勻分布，受力按照單個支架50 t計算。經過螺栓校核，安全系數為4.25，滿足強度要求。

圖3 翻滾支架應力分析

2.2 夾具設計

在翻轉焊接裝置內，起重機箱形梁穿過采用夾緊的方式對結構箱體進行固定，一方面需保證焊接過程中的夾緊牢度，另一方面需要能夠適應不同大小的結構箱體的夾緊固定，且要不傷及箱體的母材。

1）結構設計

按以上要求設計了箱體的夾緊裝置，在翻身支架內側矩形空腔內每個面布置2對夾緊工裝，對稱布置，開檔按最小箱形梁高寬度篩選，兩側預留空間。夾緊工作主要由一組螺桿裝置組成，最下部為一塊底板，焊于翻身支架上，布置螺栓孔，為了便于拆卸用螺栓與夾緊裝置連接。底板上為底座，用螺栓連接，底座由連接底板、2塊立板、支撐塊組成，2塊立板是便于另外兩側空出觀察螺桿行程，支撐塊上布置受力較好的梯形螺紋，底座高度設置為螺桿高度的一半。底座上安裝調節螺桿，調節螺桿為對應的梯形螺紋，長度為翻身支架空腔到箱體距離加螺紋預留的安全長度。螺桿一端與壓頭連接，壓頭與螺桿連接為轉動活動連接，即壓頭壓緊時螺桿可轉動。壓頭外形為圓形，避免壓頭夾緊在結構箱體上時壓傷母材（壓頭與箱體間可墊橡膠皮保護）。為方便調節螺桿調節高度，調節螺栓上設置調節把手。

在夾緊較小尺寸的結構箱體時，調節螺桿長度不夠時（余量螺桿安全長度）可在夾緊裝置下端與底板之間設置調整墊塊，調整墊塊與翻身裝置和壓緊裝置為螺栓連接。根據箱體的大小，可增加或減少調整墊塊，單邊只安裝調整墊塊，另一側安裝夾緊裝置，根據箱體大小夾緊裝置和墊塊可自由組合。翻滾支架夾具結構如圖4所示。

圖4 翻滾支架夾具結構

2）螺桿校核

按照單根主梁最大質量100 t計算，單個裝夾支架承重為50 t，一個裝夾支架上安裝8個螺桿夾緊裝置，極限受力時2個螺桿支撐全部質量（考慮側面夾緊裝置夾緊時產生的摩擦力對構件的支撐），則單個螺桿受力為15 t。螺桿采用Tr65×8梯形螺紋，采用45號鋼調質處理，螺桿頂部受力，經過受力核算，安全系數為3.0，考慮到側面其他夾緊裝置的摩擦力存在，減輕部分質量，螺桿滿足設計強度。夾緊螺柱受力分析如圖5所示。

圖5 夾緊螺柱受力分析

3）整個翻身裝置的工作原理

當起重機箱形梁拼裝好后，若需翻身可將翻身工裝左右對稱安裝于箱體上，用螺栓連接成一個圓柱體。箱體兩端夾緊在左右對稱設計翻身工作的托輥架中，結構纖體的四面有夾緊工裝進行夾緊，受力強度需要壓頭對準隔板位置。翻身工裝在翻轉過程中，結構箱體不發生位移。圖6為翻滾支架裝配示意圖。

圖6 翻滾支架裝配示意

2.3 電動滾輪架選型

翻身裝置的滾動還需使用電動滾輪架實現，需對市場上成熟的電動滾輪架進行選型。根據制作箱體質量選擇最大承重為100 t，工件范圍根據翻身裝置外徑選擇4.8～5.2 m，滾輪直徑為0.5 m，外包橡皮或聚氨酯，減少翻身沖擊及增加與鋼結構件滾輪的摩擦力，提高安全系數。滾輪寬度根據翻身裝置選擇為0.5 m，翻轉滾輪線速度安全考慮為6～60 mm/s，電動機功率為2×3 kW。同時，2個滾輪架采用1套控制器，保證2個滾輪架的同步性，還有為安全性考慮，滾輪架的剎車性能需良好，停車后需有機械剎車保險。現場試驗如圖7所示。

圖7 現場試驗圖

3 結語

通過現有產品大噸位轉動剎車、多角度長時間動靜載試驗，翻身裝置滿足設計需求，且安全可靠。經過多個產品生產使用，通過了疲勞強度考核。翻身裝置投入使用后，裝夾簡單快捷，不同大小箱體均可通過調節裝夾使用，翻身效率大大提高，可滿足不同角度箱體焊縫焊接要求，焊縫質量也相應提高。翻身裝置的使用提高了生產效率，節約了生產成本，降低了安全隱患。同時，該裝置投資小，結構簡單，應用范圍廣，適用于車間起重條件差的箱形梁鋼結構制作廠。