大型龍門吊剛性腿頂升維修方案研究與應用

夏志亭，韓 亮，張 藝

（招商局郵輪制造有限公司，江蘇 海門 226116）

0 引言

門式起重機作為一種重要的物料搬運設備，在造船領域的重要作用日益顯現(xiàn)[1]。隨著造船廠年造船能力的提升，龍門吊趨向于大型化設計。大噸位、大跨度的龍門吊在船廠的優(yōu)勢非常明顯，其作業(yè)覆蓋范圍更廣，起升重量更大，對縮短造船總組搭載周期有重要意義。隨著龍門吊的規(guī)格越來越高，大型龍門吊的防風問題也逐漸凸顯，因尺度更大，同等環(huán)境下大型龍門吊更容易受到惡劣天氣的影響。

本案例龍門吊規(guī)格為900 t×226 m，梁底距地面高度為80 m，工作級別為A3。該龍門吊在完成一次吊裝作業(yè)后，停車前遭遇突發(fā)12 級龍卷風，導致龍門扭轉(zhuǎn)，剛性腿行走機構(gòu)中心相對柔性腿行走機構(gòu)中心偏移6.5 m，偏移值遠大于設計要求跨度的3‰[2]。事故發(fā)生后，業(yè)主委托維修單位對其作修復，方法為用卷揚機將行走機構(gòu)拉回零位。該次修復后，專業(yè)單位對龍門吊做了全面檢測和負載試驗，檢測結(jié)果符合國家相關標準，隨后龍門吊投入正常使用。在運行一段時間后，剛性腿側(cè)的行走輪出現(xiàn)啃軌現(xiàn)象，日趨嚴重，車輪和軸承等零件更換周期大幅縮短。

圖1 行走輪磨損圖

1 狀態(tài)分析

經(jīng)測量，該龍門吊在空載狀態(tài)下，剛性腿魚尾梁整體向軌道中心線以西偏移。魚尾梁南端面結(jié)構(gòu)中心線偏離軌道中心線以西約100 mm，北端面結(jié)構(gòu)中心線偏離軌道中心線以西約60 mm，變形趨勢為南端結(jié)構(gòu)向西扭曲。這表明該龍門吊的主梁和剛性腿存在一定角度的塑性扭轉(zhuǎn)變形，此前維修采用的是拉拽行走機構(gòu)的方法將剛性腿拉回至零位，雖然剛性腿的物理位置復位，但因結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的應力沒有得到釋放[1]。

2 維修方案概述

將龍門吊開至錨定點錨固，上、下小車開至柔性腿側(cè)極限位置封固，利用頂升工裝將剛性腿頂起。將剛性腿魚尾梁與行走機構(gòu)連接的耳板割除換新，通過拉移的方式將2 組行走機構(gòu)單元沿軌道拉出解體，分別修復魚尾梁結(jié)構(gòu)和各級平衡梁，重新排裝行走機構(gòu)，將魚尾梁和各級平衡梁中心線糾正至軌道中心線位置。

圖2 維修方案示意圖

3 主要工藝方案

3.1 防風錨固工藝

從剛性腿附近主梁上表面沿軌道方向牽拉纜風繩，共設8 個100 t 拉點，主梁兩側(cè)各4 個，分別引至地面1000 t 配重錨點，用卷揚機、滑車組收緊纜風繩后固定，纜風繩與地面夾角不大于35°；從主梁上牽拉兩根垂直于軌道方向的交叉纜風繩，固定至地面錨點[2]。

圖3 防風錨固工藝示意圖

3.2 剛性腿頂升工藝

上、下小車處于柔性腿側(cè)極限位置時，考慮龍門吊自身重力和纜風繩牽拉下壓力，剛性腿所需的最小頂升力約2800t。在剛性腿魚尾梁下方設2 組頂升工裝，每組工裝包含1 個頂升梁、4 個500 t 液壓油頂、12 個支撐塊、2 個支撐座、若干路基梁、鋼板和黃沙。

圖4 頂升工藝示意圖

4 工藝方案校核

4.1 防風能力

龍門吊剛性腿迎風面積為490 ㎡，重心高度距地面53 m；主梁迎風面積為1826 m2，重心高度距地面90 m。按11 級風考慮，風載計算參數(shù)如下：

1）風壓p=1000 N/m2；

2）風力系數(shù)：主梁取1.55，剛性腿取1.55；

3）主梁有效迎風面積A1=1826 m2，剛性腿有效迎風面積A2=490 m2；

4）風壓高度變化系數(shù)：主梁取1.9，剛性腿取1.67；

風載荷計算公式：

其中：p 為計算風壓，N/m2；C 為風力系數(shù)；A 為起重機構(gòu)件垂直于風向的有效迎風面積，m2；Kh為風壓高度變化系數(shù)。

總風載荷Pw為主梁風載P1和剛性腿風載P2之和，即：Pw=P1+P2=C1Kh1pS1+C2Kh2pS2=4303 kN+1015 kN=5318 kN；

總力矩M1=4303×90+1015×53 kN·m=441065 kN·m；

總抗傾力矩M 為自重抗傾力矩M2和纜風繩束縛力矩M3之和，即：

M=M2+M3=28000×8.23+4000×Sin55°×95 kN·m =541718 kN·m ＞M1，即按照上述方式進行錨固，拆除剛性腿行走機構(gòu)后，龍門吊可以抵抗11 級大風。

4.2 魚尾梁頂升強度

建立魚尾梁有限元模型，板材材質(zhì)為Q345B，加強筋材質(zhì)為Q235B，在頂升梁安裝位置增加臨時加強，材質(zhì)為Q345B。對頂升工裝建模參與計算，整體采用細網(wǎng)格模型，網(wǎng)格尺寸 100×100 mm，魚尾梁受到的下壓力按2500 t 計，魚尾梁兩端每組耳板受到行走機構(gòu)的下拉力按150 t 計，魚尾梁結(jié)構(gòu)位移和應力分布如下：

圖5 結(jié)構(gòu)位移分布圖

圖6 魚尾梁外板應力圖

圖7 魚尾梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)應力圖

可以看出，在頂升工裝與魚尾梁立板相交處出現(xiàn)了局部較高應力，最大值為218 MPa，魚尾梁內(nèi)部筋板最大應力為165 MPa，除上述區(qū)域外，魚尾梁整體應力水平不高。由此可見，魚尾梁的結(jié)構(gòu)強度可滿足頂升需求。

5 施工步驟

5.1 施工前準備

將龍門吊開至錨定點停車，鎖住柔腿側(cè)錨定、錨固裝置，將防風配重運至指定位置后燒焊拉耳、布置卷揚機，牽拉纜風繩，將上、下小車開至柔腿側(cè)極限位置后封固。

5.2 測量劃線

1）以錨定座中心為基準，在行走機構(gòu)80 m 范圍內(nèi)找出軌道中心線和垂直于軌道中心線的基準線，將軌道中心線反至魚尾梁南北兩端面，作上標記；

2）在剛性腿附近豎一個標桿，在標桿上設一個基準點K并作標記；

3）在魚尾梁兩端和兩側(cè)劃出耳板孔中心上方3 m 等高線，測量記錄等高線與基準點K 的高度差。

5.3 拆除行走機構(gòu)附屬構(gòu)件、夾軌器組件

將行走機構(gòu)各級平衡梁、銷軸、減速機、電源線、潤滑油管、橋架等裝置編號，拆除行走機構(gòu)所有驅(qū)動電機電源線和油管，放空電纜卷盤內(nèi)的高壓電纜，拆除電纜卷盤和其他附屬構(gòu)件，割除夾軌器組件。

5.4 安裝工裝

在三級和四級平衡梁上安裝支撐工裝，每組支撐工裝端部橫放一段1/4 圓弧管，每個圓弧管下放置一個楔木，便于在拉移時扶正行走機構(gòu)。在2 組行走機構(gòu)外側(cè)安裝卷揚機和滑車組，鋼絲繩連接至平衡梁耳孔，將卷揚機底座封固。在地面頂升工裝安裝位置鋪設黃沙并壓實找平，黃沙上鋪設鋼板和路基梁，依次安裝支撐座、支撐塊、頂升油缸和頂升梁。

5.5 頂升剛性腿

頂升作業(yè)須設專人指揮、操作和監(jiān)測，在正式頂升前須對頂升系統(tǒng)進行全面檢查，確保各元器件無故障、安裝正確。經(jīng)單機和聯(lián)動測試后，油缸同步加壓帶輕載，監(jiān)測各個油缸實際行程和傳感器度數(shù)是否正常，確保各項性能指標穩(wěn)定可靠后方可開始正式頂升。

頂升作業(yè)必須分步操作，先將每個油頂頂升力加至100 t，觀測并記錄油頂傳感器讀數(shù)和地基下沉情況，隨后每隔10 min增加100 t 頂升力，加至300 t 后，停頓0.5 h，再緩慢增加頂升力，直至行走輪與軌道之間出現(xiàn)10 mm 間隙。用鋼墊片將頂升梁和支撐塊之間的間隙填充，控制頂升系統(tǒng)同步緩慢泄壓，將載荷轉(zhuǎn)移到支撐塊上。頂升到位后，至少通過48 h 地基下沉監(jiān)測，地基無明顯下沉后，方可開展下一步工作。

5.6 拉移行走機構(gòu)

將魚尾梁耳板割斷，切割縫與拉移方向水平面呈20°左右夾角，防止在拉移過程中耳板殘余結(jié)構(gòu)卡住行走單元。用履帶吊勾住四級平衡梁作為保護，啟動拉移絞車，分別將2組行走機構(gòu)向外緩慢拉出。拉移過程中每個支撐工裝附近處安排值守人員，觀察行走機構(gòu)傾斜情況并打緊木楔，增強行走機構(gòu)在拉移過程中的穩(wěn)性[3]。

5.7 行走機構(gòu)解體、檢修、排裝

行走機構(gòu)拉出后在原地解體，利用假軸和撞錘從上至下逐級拆除平衡梁耳板銷軸。將各級平衡梁運至車間內(nèi)檢測，對精度超差的平衡梁結(jié)構(gòu)進行火工矯正或換板處理，對扭曲嚴重的耳板換新、重新鏜孔。所有平衡梁修復完成后，在車間內(nèi)排裝，確保各級平衡梁中心線偏差值在原設計范圍內(nèi)，主要步驟如下：

1) 在車間地坪上設置軌道工裝，以槽鋼為宜，調(diào)整好直線度、水平度后固定，在軌道工裝上劃出車輪面中心參考線；

2) 將行走機構(gòu)單元的臺車組按編號依次吊至軌道工裝上并用斜撐固定，調(diào)整臺車組姿態(tài)，使車輪垂直于軌道工裝接觸面；

3) 調(diào)整臺車組水平位置，使每組車輪中心線至軌道工裝參考線距離相等，同一臺車架上的車輪中心線同位差、不同臺車架上任意相鄰的兩個/三個及以上車輪中心線同位差調(diào)整至原設計要求值范圍內(nèi)；

4) 將8 個一級平衡梁依次裝配至各組臺車組上，安裝臺車架與平衡梁之間的哈弗，在平衡梁兩側(cè)安裝防傾支撐，測量并調(diào)整平衡梁結(jié)構(gòu)中心線與軌道工裝參考線距離，使平衡梁結(jié)構(gòu)中心線與車輪中心線重合；

5) 按上述方法依次安裝二、三、四級平衡梁，用撞錘安裝平衡梁銷軸。每安裝完一級平衡梁后都須測量和調(diào)整平衡梁結(jié)構(gòu)中心線和軌道工裝參考線的距離。

5.8 修正魚尾梁結(jié)構(gòu)

剛性腿頂升后，使魚尾梁盡可能處于自由狀態(tài)，測量魚尾梁結(jié)構(gòu)兩端的偏移值B1、B2。從幾何關系得出兩端跨內(nèi)外板的修割值C1、C2，根據(jù)C1、C2值對魚尾梁進行開刀，將箱型結(jié)構(gòu)的上下底板、內(nèi)立板三面割開，立板開縫位置與上、下面板板縫錯開200 mm。外立板僅將筋板割開，割除圖8 所示陰影范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)。在Q 點位置對外立板高度范圍內(nèi)火工加熱，用機械拉馬將魚尾梁兩端結(jié)構(gòu)向剛性腿中心牽拉，調(diào)整魚尾梁兩端耳板安裝基準點P 的位置，使基準點P 與軌道中心線重合。

圖8 魚尾梁結(jié)構(gòu)修正示意圖

5.9 更換魚尾梁耳板

1）割除耳板殘余結(jié)構(gòu)：沿魚尾梁原耳板焊縫將耳板殘余結(jié)構(gòu)割除。

2）制作新耳板：預留耳板與魚尾梁對接邊補償量和軸孔加工量，用支撐工裝將每組耳板預拼固定，控制好耳板間距D，開設過渡坡口。

3）回裝耳板：以P 點為基準安裝耳板，使每組耳板中心與P 點的連線與軌道中心線重合，參考3 m 等高線和K 點調(diào)整耳板水平度和H 值，按原設計值調(diào)整南北兩組耳板中心間距L，將耳板安裝到位。

圖9 魚尾梁耳板安裝圖

4）鏜孔階段：對兩組耳板進行鏜孔，為減小環(huán)境影響，兩組耳板的鏜孔作業(yè)必須在同等氣溫、日照條件下進行。

5.10 回裝行走機構(gòu)、附屬構(gòu)件

行走機構(gòu)回裝過程與拆除過程相似，安裝好防護工裝和拉移工裝，將行走機構(gòu)拉回至初始位置，分別將2 組行走機構(gòu)頂起，安裝魚尾梁耳板銷軸。行走機構(gòu)安裝到位后，將本次維修拆除的附屬構(gòu)件復原，整機試車，完成修理。

6 結(jié)語

通過此方案糾正魚尾梁和行走機構(gòu)耳板中心線的位置，完成900 t 龍門吊剛性腿魚尾梁和行走機構(gòu)的修理，改善行走輪啃軌情況，效果非常明顯。本方案的可靠性已得到施工驗證，具有實施周期短、投入成本低的優(yōu)點，積累了大型龍門吊剛性腿頂升維修的經(jīng)驗，對同類維修工程有一定的指導意義。

圖10 現(xiàn)場施工圖