海洋起重機機房主體結構設計改進

劉榮,關德壯

（南通潤邦重機有限公司，江蘇南通 226013）

0 引言

海工起重機輕量化產品在國外已經相當普遍，與國外相比，我國的起重機自重普遍比國外先進的起重機重20%～50%，有的甚至更多。在設計細節及產品外觀美觀度方面亦存在不小差距，缺乏應有的競爭力，產品檔次難于提高。機房作為海洋起重機質量占比較大的部件，結合海洋起重機輕量化的設計研究，就有必要進行海洋起重機機房輕量化的設計改進，優化結構，以期減輕質量，從而減輕起重機的總重。同時，機房作為薄壁結構，施工制作難度較高，很難保證壁面的平整，內部立柱、橫梁及加強筋板等構件的焊接在機房外部壁面上會產生大量焊接斑點或線條，美觀度極差。因此，機房應進行輕量化設計改進，減少焊接變形提升機房美觀度。

1 設計改進前機房主體結構形式

圖1為設計改進前海洋起重機機房主體結構圖，上部凸起部分為動力泵站油箱體，油箱體與下部空間結構（泵站及控制箱安裝空間）連接成一體，總體尺寸為：5000 mm（長）×2450 mm（寬）×3880 mm（高）。圖2為設計改進前海洋起重機機房頂蓋結構圖，通過螺栓連接安裝于機房主體空間上部敞口位置。圖1、圖2結構各平面均為傳統平板焊接，主要特點是機房內部和頂蓋下部需要鋪設較多的立柱、橫梁及加強筋板等構件，為便于下料制造、焊接及減少變形，各平面鋼板厚度一般在6 mm以上。設計改進前海洋起重機機房主體結構主要存在以下設計制造難點、問題和不利因素：

1）由于結構各平面為傳統平板焊接，需要鋪設較多的立柱、橫梁及加強筋板等構件，采用鋼板厚度較厚，機房主體結構質量大，在起重機整體質量中占比較大。

2）結構各平面面積大，涉及大量平板拼接及對接焊縫和焊縫平整工作。機房作為薄壁結構，施工制作難度較高，很難保證各壁面的平整。

3）內部立柱、橫梁及加強筋板等構件的焊接在機房外部壁面上會產生大量焊接斑點或線條，各壁面產生不同程度的變形，進一步造成各壁面的不平整且難以校平，美觀度極差。

4）圖樣詳細設計、工藝設計、下料組裝及焊接工作量大，成本及造價相對較高。

2 設計改進思路及改進后機房主體結構形式

為了解決改進前機房主體存在問題和不利因素，機房主體的改進主要按下述思路進行：

1）為了減小各平面鋼板高度尺寸，首先將原機房主體上部油箱獨立出來，其位置不變，改用螺栓連接，這樣機房主體尺寸為：5000 mm（長）×2450 mm（寬）×2830 mm（高），機房單張平板高度將有原來的3650 mm改變為2480 mm。獨立的油箱進一步降低了機房的加工、焊接及裝配難度，減少大規格尺寸板材使用及拼接。

2）為了減小各平面鋼板長度尺寸，通過立柱合理分隔，各平板裝焊于兩兩立柱及上下框架間，這樣改進后機房單張平板寬度將有原來的5000 mm改變為3155 mm，同時采用矩形管做立柱及槽鋼等型材形成主體框架，從根本上保持主體外形尺寸，使各板四周得以固定，便于焊接，不易產生變形,如圖3所示。

圖1 設計改進前機房主體結構圖

圖2 設計改進前機房頂蓋結構圖

圖3 立柱間隔圖

3）為了減少或取消大量筋板或橫梁的使用，從而減少下料制作及焊接工作量，將各平面鋼板改用波紋鋼板制作，波紋凸起部分充當筋板作用，結構強度滿足要求，減少材料使用，使焊接變形大大減少，使機房質量、焊接量及焊接難度大大減低。同時由于采用波紋鋼板制作，基本達到了無筋板及焊接，各壁面上不再產生焊接斑點或線條，使板面美觀度大大提高。

4）為了便于波紋板壓制及減少質量，將各平面鋼板厚度由原來的6 mm改為3 mm，使機房主體質量大大降低，如圖4～圖5所示。

圖4 設計改進后機房主體結構圖

圖5 各波紋板在立柱間間隔圖

5）為進一步減輕機房總質量，簡化結構，達到無筋板無梁，減少變形，減少質量，機房油箱及頂蓋各平板亦使用與機房主體同厚度3 mm波紋鋼板制作。油箱采用波紋薄板制作可以簡化油箱內部結構，減少焊縫數量，使油箱更易于清潔，同時增加散熱面積，提升散熱效果。油箱、機房頂蓋與機房主體均采用波紋鋼板制作，如圖6～圖7所示，目前暫無案例。

6）改進設計后，機房頂蓋下平面與機房主體結構對接平面之間，油箱底座框架下平面與機房主體結構對接平面之間，均為平面對接安裝，需要考慮對接平面間縫隙密封及滲漏問題，常規做法是采用橡膠墊及膠水做好密封，但影響以后拆裝，本改進設計比較巧妙地采用了擋水圍邊的方法，很好地解決了上述兩兩間平面密封及防滲漏水問題。如圖8～圖9所示。

圖6 設計改進后機房油箱結構圖

圖7 設計改進后機房頂蓋結構圖

圖8 機房頂蓋下平面擋水圍邊結構圖

圖9 油箱底座框架下平面和側面擋水圍邊結構圖

3 薄板焊接控制措施

由于機房主體圍板、油箱側面圍板及機房頂蓋平面板均采用3 mm波紋薄板，薄板的焊接非常容易產生變形，影響機房美觀，因此，需要在設計及工藝上采取措施盡量減少焊接變形。采取的措施主要有以下幾點：

1）為減少焊接變形應盡量減少焊接量，因此，在焊接時采取外部焊縫全焊、內部焊縫間斷焊的原則，間斷焊焊縫長度采取150～200 mm間隔，每段焊縫長30～50 mm。

2）波紋薄板與立柱或其他型材焊接時，采取薄板搭接一段平板到立柱或其他型材上，這樣可以保證波紋薄板平面與立柱或其他型材搭接面在同一平面上，保證薄板搭接處平直美觀不變形，同時便于焊接。如圖10～圖11所示。

圖10 波紋薄板與中空方管立柱搭接圖

圖11 波紋薄板與型材角鋼搭接圖

圖12 波紋薄板與波紋薄板對接圖

圖13 高度方向上下兩張波紋薄板對接圖

3）當波紋薄板由于整張鋼板尺寸或油壓機器工作尺寸的限制，單張波紋薄板的長度不能滿足機房某一平面長度尺寸,而需要進行波紋薄板與波紋薄板的對接時，為了對接處便于對接及焊接施工，則采取每張波紋薄板對接處進行直角折彎出一小段平面，這樣對接處就形成平面對接，便于內外焊接對接施工，如圖12所示。

4)當波紋薄板由于整張鋼板尺寸或油壓機器工作尺寸的限制，單張波紋薄板的高度不能滿足機房某一平面高度尺寸,而需要進行上下兩張波紋薄板與波紋薄板的對接時，為了對接處便于對接平整及焊接施工，則采取上下兩張波紋薄板之間增加一條角鋼進行過渡，這樣就大大降低了兩板間對接處難度，便于內外焊接對接施工，如圖13所示。

4 結 語

通過項目結構設計改進和一定的焊接控制措施，解決原有機房主體結構存在問題，機房主體結構獨特、緊湊、新穎，并達到了機房主體輕量化設計及提升美觀度的目的，機房自重比原結構同尺寸機房減輕15%以上，結構加工制作及焊接工時、材料費用等成本節約20%以上，取得了較好的設計改進效果，可以為后續同類或近似產品設計提供設計參考。