6000t/h裝船機結構制造和總裝技術研究

倪 國 春

（中船江南重工股份有限公司，上海 200023）

0 引 言

裝船機是散料碼頭裝船時使用的大型高效、自動化機械，用于把散料例如煤炭、鐵礦石、糧食等的裝船作業。隨著散貨海運貿易不斷攀升以及航運競爭導致的成本控制需要，對散貨船噸位、港口設備包括裝船機的裝卸能力都提出了更高的要求。目前國內秦皇島碼頭和曹妃甸碼頭都可以達到6000t/h裝載能力，已屬國內先進水平。同時，出口的最大裝船機已達到12000t/h裝載能力。

1 構造及主要參數

6000t/h裝船機包括主體和尾車兩部分，主體由門架、行走機構、塔架、臂架及穿梭、溜筒等部件組成，尾車采用直爬式單尾車，見圖1。主要參數及特點如下：

1) 門架軌道跨度為26m，橫跨5條皮帶運輸線，也就是說在同一碼頭運輸線下，可以容納5臺裝船機同時作業，為目前國內裝船效率最高的碼頭作業線；

2) 臂架最大伸縮行程達21m，可以滿足1.5萬～10萬dwt船舶的裝載要求，適用能力很強；

3) 臂架工作仰角從+15～–12°，可以滿足船舶在不同潮位情況的裝載要求，裝載適應性較好；

4) 溜筒可回轉±180°，端部拋料彎頭可擺動–16～+29°，可以滿足多種船艙的裝料任務。

圖1 裝船機結構

2 關鍵制造技術

2.1 穿梭耐磨軌道板的焊接

穿梭結構的上、下平面裝有四根通長軌道，與臂架導輪在行程內走合。上軌道并排裝有齒條，通過裝在臂架驅動裝置上的齒輪與齒條的嚙合，使穿梭結構在臂架框架內沿臂架軸線方向做直線運動，見圖2。

軌道材質為 S690QL[1]高強度結構鋼，采用歐洲標準 EN10025-6，最小屈服強度 690MPa，沖擊值 40J/–20℃。考慮到軌道焊接不同于其他高強結構焊接，為了確保軌道焊接后在強度、硬度、沖擊性能上能夠滿足要求，進行了專項焊接攻關。經對比國產高強度焊條和進口焊條后，最終選用了進口焊條E11018-G Phoenix SHNi2K100；通過焊接試驗，采用小線能量的滴狀熔滴過渡方式，確定焊接工藝參數見表1。

圖2 臂架和穿梭結構的機械總成

表1 焊接工藝參數

在施焊前制定了詳細的焊接指導書，對焊前準備、焊接要求、焊后保溫各方面作了規定。焊后經過無損探傷，焊縫質量符合設計要求。

2.2 穿梭結構精度控制

穿梭軌道長度34m，圖紙要求制造精度為：上下軌道面尺寸偏差0～–2mm，兩軌道中心距偏差±1mm，導軌上下左右的彎曲度偏差均不大于1mm。

穿梭本身為板梁結構，自身剛度差，通過分析整體制造工藝流程，將其拆解為結構精度控制和機加工精度控制兩個階段，以達到最終尺寸控制的要求。

在結構制造階段采用對稱組裝、對稱焊接的制造工藝，以降低框架件組裝的彎扭變形；選擇埋弧自動焊對稱焊接工字型大梁，確保結構件焊后應力均勻，變形較小。除了考慮結構件焊接收縮余量外，還增加了軌道板和齒條安裝面的機加工余量，以彌補結構剛性不足可能導致的尺寸超差。

在機加工階段，通過工藝措施解決超長軌道面的加工難題。考慮到穿梭軌道長度較長，機床無法一刀加工完成的情況，采用了同一基準、分段校調、分段機加工的工藝。首先加工軌道板基準面，這是軌道面及齒條安裝面加工的基面，伸出機床行程部分，用激光配合校調，兩側水線校至同一平面，確認后用鋼針劃出基準線，再機加工。超出機床行程部分，將穿梭件移動接刀機加工。接刀前，根據已加工的基面和基準線重新校調，劃線確認后繼續機加工。軌道板基準面加工后安裝軌道，然后用機床校調直線度、垂直度，按照前述相同的工藝進行導軌面及齒條安裝面的加工，兩個加工面在同一狀態銑削加工，以確保形位公差符合要求。單面加工完成后翻身，找準先前的加工軌道板基準面重新校調，并進行劃線檢測，采用分段校調加工反面。

通過兩個階段精度控制，在最終機加工完成后，檢驗確認：尺寸偏差完全滿足了設計要求。

2.3 臂架變幅絞車卷筒的平衡試驗

臂架變幅絞車卷筒采用鋼板卷制而成，直徑φ1500mm，長度7580mm，壁厚55mm，材料為S355J2。由于在卷筒加工過程中存在制造誤差、機加工誤差，會導致質量分布不均勻。卷筒作為剛性轉子，工作時這種不均勻不僅使其支承軸承座承受動載荷，產生機械噪音，而且還引起機器的振動，造成機構的疲勞損壞。因此必須把質量分布不均勻控制在允許范圍內，通過平衡試驗確定卷筒是否符合要求。

設計提供的卷筒平衡品質為G16，卷筒質量m=14282kg，轉速n=8.15r/min，根據標準[2]計算可得到許用剩余不平衡量peiU 。

只要卷筒通過平衡試驗測得的數值小于peiU ，則說明卷筒平衡性能可以滿足使用要求。平衡試驗在卷筒光面加工后進行，按照使用工況，卷筒兩端應處于自由旋轉狀態，試驗中利用車床夾頭和頂針作為旋轉支撐，用來模擬實際工況，同時將車床設置為空擋，以避免車床減速機的慣性矩參與試驗，見圖3。

試驗按照規范采用了單（靜）平衡方法，通過試驗測得卷筒的剩余不平衡量為 15kg·m

2.4 塔架法蘭與門架法蘭的對接措施

塔架為人字形結構，底部與A/B主梁通過法蘭連接。由于塔架四根柱體軸線與門架主梁水平面形成斜角，四個法蘭面并不在同一平面，因此給安裝帶來了很大的困難，見圖 4。若采用通常工藝，法蘭板配鉆后各自焊接到塔架和門架，最終拼裝時極有可能造成螺栓孔錯位甚至法蘭面對不齊，造成重大返修。為避免發生這種情況，經過工藝探討，采用先將門架法蘭座與塔架螺栓對接，再用塔架和門架預組裝的方式將門架法蘭座焊接到門架主梁，這樣既保證了法蘭面對接正確，也同時完成了塔架和門架的法蘭焊接。

圖3 卷筒的平衡試驗

圖4 法蘭底座構造

首先制作法蘭底座本體結構，底部留50mm調整余量，然后與塔架法蘭底座配對，配對后進行栓接端法蘭面機加工和螺栓鉆孔，完成后用臨時螺栓全部栓緊，與塔架立柱焊接。接下來分別進行門架的組裝和塔架立體組裝。在預組裝場地上先把門架包括剛性腿、柔性腿、A/B主梁和絞車平臺按圖紙與行走機構組裝成形，固定后吊裝塔架整體落位，根據塔架基準線位置將法蘭底座臨時定位在門架主梁相應位置，按圖紙尺寸割除底座余量后最終落位焊接。焊接檢驗后拆除法蘭臨時螺栓，將塔架分離，這樣塔架與門架的法蘭連接端施工完成，端面和螺孔質量得到了充分保證。

2.5 尾車組裝的精度控制

尾車主要包括主臂架桁架、尾車門架以及支撐構造。主臂架采用螺栓連接，尾車A門架直接銷接在裝船機主門架上，尾車B門架與尾車行走機構連接作為支撐。

考察尾車的結構體系，門腿為大跨度門架，主臂架為全螺栓連接的大懸挑空間桁架，結構體剛度差，制造后會產生較大的變形。采用計算機模擬尾車變形后發現，在自重工況，尾車大梁下撓 7mm，尾部下撓38mm；在皮帶壓載工況，大梁下撓21mm，尾部下撓190mm，見圖5。對此在尾車制造工藝中，門架大梁和尾部桁架根據計算機模擬的下撓量，在工藝上設置了預起拱，以抵消皮帶總裝后引起的尺寸偏差。另外在尾車制造方式上采用立體預拼裝的方式進行組裝，這樣可以確保尾車與門架、行走機構的相關尺寸。從最終現場安裝情況來看，尾車采用預起拱工藝和立體預拼裝工藝，完全滿足了設計要求。

圖5 計算機模擬尾車變形情況

2.6 運輸和總裝技術

對于大型機械來說，采用整機駁運，整體吊裝無疑是最適合的安裝方式，但裝船機體積龐大，根據其結構特點以及海運的海況要求，整機駁運安裝從安全和經濟性來說都是不可取的。通過綜合考慮，采用了分部套運輸和安裝的方案。

2.6.1 部套拆分和運輸

按照裝船機結構特點，可分成四個部套：門架和行走機構、塔架、臂架及穿梭、尾車（見表2）。考慮到尾車長度過長，不便于整體運輸和安裝，散裝后到現場整體組裝。

表2 部套參數

在運輸設備上，采用7000t甲板駁及一艘2648kW全迴轉拖輪配合進行水上運輸作業。

2.6.2 現場安裝

現場安裝按照門架、塔架、臂架和穿梭、尾車、附屬結構的順序依次進行。在吊裝設備上，根據裝船機部件的重量和吊高要求，勘察碼頭到軌道中心跨距尺寸，采用900t浮吊作業。首先吊裝門架和行走機構，落軌時主要控制行走機構車輪與軌道中心對齊，調定后用鋼絲繩和車輪鐵鞋固定行走機構，以防止漂移。接下來吊裝塔架，法蘭面對接采用高強螺栓擰到設計力矩。臂架和穿梭的安裝是施工難點，先用900t浮吊銷軸連接臂架根部與門架鉸接座，再臨時連接臂架頭部和塔架頂部。連接完成后移開900t浮吊，采用卷揚機進行產品鋼絲繩的穿繞連接。尾車和輔助結構包括溜筒、扶梯等則采用汽車吊完成。

3 結 語

在裝船機的制造過程中，通過工藝摸索攻克了一系列施工難點，獲得了許多重要的工藝方法和工藝參數，例如高強軌道板的焊接參數，穿梭制造精度的控制工藝，卷筒靜平衡試驗方法，尾車預拱度的參數確定方法，大型機械的運輸配載和總裝方案等，對企業成套設備的施工積累了大量工藝資料。

[1] DIN EN10025-6-2009 Hot Rolled Products of Structural Steels-part6 [S].

[2] GB/T 9239.1-2006. 機械振動恒態（剛性）轉子平衡品質要求第1部分：規范與平衡允差的檢驗[S].