起重機(jī)互嵌式法蘭鉸接支座設(shè)計(jì)

任軍輝

湖南中鐵五新重工有限公司

1 引言

門座起重機(jī)、岸邊集裝箱起重機(jī)等起重設(shè)備，是目前港口碼頭及貨物堆場(chǎng)中應(yīng)用較廣泛的裝卸設(shè)備。起重機(jī)端梁或下橫梁連接大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的法蘭鉸接支座是設(shè)備主要的受力部件之一，其上端通過螺栓或焊接方式連接端梁或下橫梁部件，下端通過鉸軸連接大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，用于承受端梁或下橫梁及其以上部件自重、貨物載荷、整機(jī)啟停慣性力、工作機(jī)構(gòu)振動(dòng)沖擊載荷、風(fēng)載荷等，受力較復(fù)雜[1]。該結(jié)構(gòu)目前均采用鋼板焊接的方式制造，鋼板材料多為Q355B，其焊接質(zhì)量與焊接變形量的控制直接影響部件及整個(gè)設(shè)備的安全與可靠性。

2 現(xiàn)有支座結(jié)構(gòu)缺陷分析

2.1 結(jié)構(gòu)形式、制造工藝

目前行業(yè)通用的法蘭鉸接支座主要由耳板、封板、貼板、筋板、法蘭組成(見圖1)。與法蘭連接的各構(gòu)件均設(shè)置在法蘭的一側(cè)面，即所有焊縫也集中在該側(cè)面。耳板與法蘭連接處為主要受力位置，為“T”形接頭，焊縫為關(guān)鍵焊縫，須達(dá)到UT或RT一級(jí)焊縫質(zhì)量要求，采用在耳板端部開設(shè)“K”形坡口與法蘭焊接的方法[2]。在目前較為通用的起重設(shè)備中，耳板與法蘭的厚度為30～40 mm，耳板與法蘭采用多層多道焊接方式焊接。

1.耳板 2.封板 3.貼板 4.筋板 5.法蘭圖1 現(xiàn)法蘭鉸接支座結(jié)構(gòu)

2.2 存在的不足

2.2.1 焊縫受力復(fù)雜、裂紋機(jī)率增大

起重機(jī)端梁或下橫梁及其上部的載荷均由法蘭與耳板傳遞至大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置，耳板與法蘭連接處的焊縫承受所述主要載荷。除垂直作用于法蘭面的正壓力外，當(dāng)載荷作用方向與法蘭面成任意角度時(shí)，耳板與法蘭連接焊縫將受彎矩、剪切載荷，隨著工作時(shí)間的增加，耳板與法蘭連接處焊縫出現(xiàn)裂紋的機(jī)率增大[3]。

2.2.2 局部焊接熱能量高、焊接變形大

耳板與法蘭連接處為“K”形坡口焊縫，板厚較厚，采用多層多道焊接，焊接時(shí)局部熱能量高，焊接應(yīng)力集中，且焊接在法蘭一側(cè)面進(jìn)行，導(dǎo)致法蘭變形量大，可達(dá)6～20 mm。目前多采用在法蘭上施加反變形量的方式來控制變形，如將法蘭下方增加墊塊并固定于平臺(tái)。該方法不便于法蘭上其他零部件的焊接，進(jìn)而采用兩件支座的法蘭面相連接的方式來控制法蘭的焊接變形。

2.2.3 質(zhì)量控制難度大、成本高

因耳板與法蘭連接時(shí)，耳板端部直接抵接法蘭面，耳板位置需人為劃線或按下料時(shí)劃線位置確定，點(diǎn)裝時(shí)需設(shè)置多件輔助支撐固定耳板。耳板與法蘭連接處焊接熔池體積大，需多層多道焊接，每層須清除雜質(zhì)。即便采用兩件支座的法蘭面相連接的方式，當(dāng)兩件拆卸后，變形量依舊可達(dá)到5～13 mm。耳板外側(cè)筋板和兩耳板內(nèi)側(cè)，因空間限制，使焊接、打磨更困難，焊接質(zhì)量控制難度大，制造效率低，1件鉸接支座至少需要2～3天才可焊接完成。焊接完成后因變形較大，還需對(duì)法蘭面進(jìn)行切削加工，同時(shí)因變形大法蘭所留的余量較大，導(dǎo)致切削加工量也較大，在影響制造效率的同時(shí)大大增加了制造成本。

3 互嵌式法蘭鉸接支座

3.1 結(jié)構(gòu)與制造工藝

通過對(duì)法蘭鉸接支座受力特點(diǎn)、工況、結(jié)構(gòu)形式及制造工藝的研究分析，對(duì)鉸接支座進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)(見圖2)。

1.凸臺(tái)耳板 2.封板 3.貼板 4.筋板 5.帶孔法蘭圖2 互嵌式法蘭鉸接支座

對(duì)互嵌式法蘭鉸接支座的耳板與法蘭連接處進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使耳板與法蘭在結(jié)構(gòu)上形成相互嵌入式結(jié)構(gòu)(見圖3)。連接時(shí)凸臺(tái)耳板直接插入帶孔法蘭的槽孔即可。帶孔法蘭筋板、封板側(cè)與凸臺(tái)耳板焊縫采用角焊縫，對(duì)側(cè)采用單“V”形坡口焊縫或塞焊縫，帶孔法蘭槽孔寬度方向與凸臺(tái)耳板厚度方向采用單“V”形坡口焊縫。

圖3 互嵌式法蘭鉸接支座耳板、帶孔法蘭設(shè)計(jì)

3.2 互嵌式法蘭鉸接支座優(yōu)點(diǎn)

3.2.1 力學(xué)性能良好、破壞機(jī)率降低

凸臺(tái)耳板與帶孔法蘭為相互嵌入式結(jié)構(gòu)，大部分載荷由耳板與法蘭配合的結(jié)構(gòu)部分承載，焊縫部分受力減少，力學(xué)性能良好，焊縫破壞機(jī)率降低。

圖4、圖5為輪壓25 t四輪大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)門座起重機(jī)互嵌式法蘭鉸接支座應(yīng)力與位移云圖[4]。材料為Q355B，許用應(yīng)力為267 MPa。從應(yīng)力云圖中可知，除去因加載、約束導(dǎo)致的局部點(diǎn)位應(yīng)力達(dá)到175.2 MPa外，其余位置應(yīng)力均不超過140 MPa，大部分位于20～110 MPa范圍，遠(yuǎn)少于材料許用應(yīng)力267 MPa。從位移云圖可知，最大變形量發(fā)生于垂直帶孔法蘭平面方向，為帶孔法蘭的4個(gè)角，其最大位移為0.4 mm，其余位置均不超過0.3 mm。因此，互嵌式法蘭鉸接支座滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 互嵌式法蘭鉸接支座應(yīng)力云圖

圖5 互嵌式法蘭鉸接支座位移云圖

1.帶孔法蘭 2.凸臺(tái)耳板圖6 凸臺(tái)耳板與帶孔法蘭連接焊縫示意

3.2.2 焊接應(yīng)力降低、焊接變形小

凸臺(tái)耳板與帶孔法蘭焊接時(shí)帶孔法蘭筋板、封板側(cè)與凸臺(tái)耳板焊縫為角焊縫，對(duì)側(cè)為單“V”形坡口焊縫或塞焊縫(見圖6)。焊縫對(duì)稱設(shè)置于帶孔法蘭兩側(cè)，其焊接時(shí)大部分焊接應(yīng)力可相互抵消平衡，帶孔法蘭焊接變形減小，配合適當(dāng)反變形措施，帶孔法蘭變形量可控制在不超過3 mm范圍，切削加工量大大減少。

3.2.3 制造便捷、質(zhì)量易保證、生產(chǎn)效率提高

帶孔法蘭上槽孔下料時(shí)即可一同完成，凸臺(tái)耳板與帶孔法蘭點(diǎn)裝時(shí)不需再人為劃線，因凸臺(tái)耳板底端與帶孔法蘭槽孔下料時(shí)采取了尺寸保證措施，只需將凸臺(tái)耳板插入對(duì)應(yīng)槽孔即可，定位準(zhǔn)確可靠。

帶孔法蘭與凸臺(tái)耳板連接處焊縫的對(duì)稱設(shè)置、由多層多道焊的“K”形坡口焊縫至角焊縫加單“V”形坡口焊縫或塞焊縫，制造工藝簡單、便捷，焊接質(zhì)量容易保證，生產(chǎn)效率高，1～1.5天即可完成1件法蘭鉸接支座制造。

4 結(jié)語

互嵌式法蘭鉸接支座從受力情況、制造工藝、制造質(zhì)量、制造效率及降低制造工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等方面均較現(xiàn)有法蘭鉸接支座有顯著改善和提高，可為同類結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)品、零部件的設(shè)計(jì)、制造提供參考。