門座式起重機象鼻梁局部改造設計分析

高志軍

（曹妃甸港集團股份有限公司，唐山 063200）

門座式起重機作為吊裝、搬運、卸載、堆碼專用設備，在港口運輸、建筑施工多領域中占據重要地位。其因具備低成本、靈活性強和通用性強等優勢，具有良好的應用前景。若能加強象鼻梁的合理改造，便可深化設備應用的影響力，賦予設備使用者良好的操作體驗。

1 門座式起重機結構特征

裝卸是門座式起重機的用途之一，港口運輸及露天堆料場裝卸作業中起重量多在25 t 以內，幅度變化時起重量不改變，整體呈現高速運輸狀態。在造船作業中，運用該設備可以完成吊裝任務，起重量為300 t。門座式起重機主要包括運行機構、變幅機構、回轉機構、起升機構，其結構如圖1 所示。在運行機構部分設有門座結構，通過帶式輸送機和伸縮漏斗等裝置完成裝卸、搬運任務，實現物料高效轉運，同時可以利用平衡臂調整升降作業重心，進而實現安全運行。象鼻梁結構由前過橋、后過橋、滑輪支架、中間橋以及主梁、步道等組件拼合而成，在拼板部分能夠借助固定對接板焊接成固定尺寸，往往具有輔助支撐的效果。考慮現有門座式起重機的象鼻梁已經無法滿足實際裝卸操作需求，立足結構特征針對象鼻梁進行改造。

圖1 門座式起重機結構

2 門座式起重機象鼻梁局部改造設計內容

2.1 改造卸扣連接模式

門座式起重機象鼻梁局部改造計劃的實施，要求設計人員從象鼻梁卸扣連接模式著手，使改造后新連接模式具有更高的穩固度，防止因卸扣連接不穩影響運行效果。通過觀察改造前設備的運行狀況可知，在從事裝卸、搬運作業時，設備開啟后能夠達到17.5 m的起升高度，但是將其應用于港口運輸現場時，碼頭漲潮現象會導致起重設備起升高度與抓斗出艙口形成3.5 m 高差，難以體現自適應特性。如果能以C 形扣連接模式替代鋁套壓制連接模式，那么就有望提升起升高度，在原有基礎上順應漲潮規律操控抓斗[1]。

在應用卸扣連接模式作為改造后起重設備象鼻梁連接元件時，可以對C 形扣加以改進，選擇帶有葉輪、底蓋、扣體配件的C 形扣產品。此類產品可以在底蓋遭受流體作用時，因摩擦作用而出現移動，在小偏移狀況下依舊能夠保持有效連接，以免在搬運、裝卸物料期間出現脫落情況。同時，改造后所用C 形扣設有溝槽，可在雙頭導軌高低不同頂點中通過溝槽嵌入形式產生加固效果。此時導軌受扣體材質影響自動嵌入溝槽。改造后所用C 形扣還可以通過配套工具增設圓孔洞，在凹凸匹配下可在高低頂點變動范圍內實現扣體與底蓋充分制動。

2.2 改造滑輪組樣式

除了要改造門座式起重機象鼻梁連接結構，還需要改造原有滑輪組樣式，以便增強滑輪的順暢度，同時為新連接模式提供配套配件。此次研究中，改造前滑輪組直徑為1 200 mm，所用輪緣繩槽直徑為75 mm，采取卡簧定位方式與卸扣連接。為實現提升改造的目標，可以考慮選擇寬槽滑輪組替代原滑輪組，通過增加滑輪組直徑延伸有效滑動范圍。原有滑輪組直徑增加280 mm，配套的輪緣繩需拓寬148 mm，并選擇端蓋定位固定軸承。滑輪組改造后，起重設備中象鼻梁無論是穩固度還是提升高度都得到顯著改善，可見滑輪組改造具有重要價值。

為了順利運行改造后的滑輪組，原用于收納輪緣繩的槽位也要進行改造，否則容易出現繩索回收失敗的問題。具體選擇2 mm深且經過淬火處理的鋼轂繩槽，端蓋定位軸承結構所能承受的軸向載荷、靜態載荷和動態載荷分別不低于212 kN、2 120 kN、1 170 kN。改造滑輪組形式時，配置的寬槽滑輪繩槽還可以增設防脫槽[2]。配備防脫槽后，輪緣繩數量保持2 根，套筒為2 個，門座式起重機象鼻梁配置2 個。

2.3 改造局部箱型梁

箱型梁是象鼻梁較為重要的結構形式，因此要對其進行合理改造。為進一步提升改造設計的合理性，應參照門座式起重機象鼻梁箱型梁參數標準，保證改造后滿足相關標準，以免降低適用性。一般要求水平彎曲度不大于箱型梁長度的1/2 000 且不超過8 mm，上翼緣板翹曲應在8 mm 以內，其垂直彎曲應低于10 mm。對于改造后的箱型梁，相關人員需要在距離坡口邊緣30 mm 以外進行清污，然后結合箱型梁板厚標準確定預熱時機，使其在150 ～200 ℃溫度下保持材料性能均衡。一般厚度小于16 mm 的箱型梁板材料宜在-10 ℃溫度下進行焊接預熱處理；16 ～24 mm 的材料選擇-5 ℃預熱溫度；24 ～40 mm 可在0 ℃下預熱，大于40 mm 沒有特定的預熱溫度。在預熱操作中，相關人員還要及時檢查箱型梁配件結構的完整性，避免變形導致無法采用超聲波探傷技術實施全面檢測[3]。

在箱型梁改造期間，有關人員應選擇優質焊條，如E50、E43 控制焊接強度。焊接后在箱型梁表面噴漆，底部噴涂70 μm 厚的環氧富鋅漆，中間噴涂100 μm厚的厚漿型漆料，同時可以噴涂70 μm 厚的聚氨酯漆。通過對改造后的象鼻梁箱型梁進行合理的焊接制作，在有效噴漆后能夠保證門座式起重機獲得更高的起升高度，從而在多個領域中具備更強的適用性。

3 門座式起重機象鼻梁局部改造優化設計路徑

3.1 構建仿真分析模型

門座式起重機象鼻梁局部改造設計，不僅可以提升起升高度，還可以延長設備使用年限。基于局部改造設計計劃，可以通過建模方式實施優化設計。以MQ4040 型象鼻梁為研究對象，在仿真分析模型支撐下將下翼緣板厚度控制在6 ～10 mm，記錄不同工況條件下的模擬分析結果。例如，在40 t 載荷和40 m 幅度條件下，按照9.78 m·s-2重力加速度進行起升作業，假設在仿真分析模型中繩子所承受的載荷為6.946 7 kN，風荷載為7.358 kN，進行裝卸作業時觀察風荷載作用下象鼻梁搖晃程度和承載能力。另外，可以模擬大載荷工況。以0.358 kN 風荷載和392 kN 起升載荷進行起升作業，該工況下若未出現象鼻梁失效情況，證明改造后的象鼻梁確實有推廣意義。建模環節除了區分不同工況條件，還應對門座式起重機整體結構進行仿真分析，防止單純構建象鼻梁仿真模型難以動態分析改造后象鼻梁的運行規律。

3.2 客觀評估疲勞壽命

為獲得更可靠的象鼻梁結構，應客觀評估改造后象鼻梁的疲勞壽命，若有延長跡象，則證實改造后結構抗疲勞性能良好。分析疲勞壽命時，應先行確保結構的靜強度符合要求，即

式中：σ、σs、n分別為象鼻梁結構危險部位的應力值、材料屈服極限和安全系數；[σ]為許用應力。

應力循環特性值為

式中：r為應力循環特性值；σmin、σmax分別為改造后象鼻梁結構應力循環某疲勞點的最小和最大應力值。

根據應力循環特性值的不同區間確定疲勞許用應力，清楚改造后象鼻梁不同部位的應力變化范圍，再結合仿真分析結果確定改造后起重設備的使用范圍。參照董熙晨等人的既有研究成果[4]，確定鉸支座、前拉桿、后拉桿的應力分別為2.05 ～239.16 MPa、1.25 ～60.89 MPa、0.74 ～84.68 MPa，在超過182.60 MPa 后象鼻梁將出現失效情況，針對有失效風險的象鼻梁部位需要進行加固處理。

通過統計不同工況條件下失效部位的最小循環次數（見表1），可知在周期性循環作業中，改造后的象鼻梁確實能夠適當延長循環周期，降低起重機設備的故障率，并且在相同載荷條件下，幅度越大失效部位最小循環次數越小，這也是控制厚薄板厚度參數的重要原因[5-8]。

表1 不同模擬工況下象鼻梁厚薄板對接部位疲勞檢測結果

3.3 設置性能測試實驗

為了解局部改造設計后象鼻梁抗疲勞性能是否有所提升，還應設置性能測試實驗，可以根據裂紋形成循環次數N的計算結果預判抗疲勞性能提升幅度。

式中：pi為失效狀態下循環次數；Ni為失效狀態下每次運行循環周期，min。若N值相比改造前有所增加，則表示抗疲勞性能得到提升。

在象鼻梁局部改造優化設計環節，考慮改造后使用厚薄板容易引起對接處失效，其成因與應力循環作用下疲勞壽命縮短有關，因此可以嘗試在改造象鼻梁結構時采用輕質化象鼻梁的改造方法，在原有基礎上減輕象鼻梁質量，進而消除疲勞強度的不良影響[9-12]。另外，可以采用縱向連接方式搭接主梁、前拉桿，用于減小應力，提升起升高度，延長設備使用年限。

4 結語

門座式起重機需要從象鼻梁卸扣連接模式、滑輪組樣式、箱型梁結構方面進行局部改造，按照仿真分析模型、疲勞壽命評估和性能測試實驗方法驗證局部改造計劃的可行性，提升設備使用的安全性與適用性。