低姿態(tài)岸邊集裝箱起重機(jī)桁架大梁軌道與結(jié)構(gòu)間隙補(bǔ)償技術(shù)

徐建中 楊來冬

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司長(zhǎng)興分公司

1 引言

低姿態(tài)岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱岸橋)應(yīng)用于有航空器飛行限高要求的港口，它沒有俯仰系統(tǒng)和前后大梁之間的鉸點(diǎn)，大梁依靠懸掛系統(tǒng)支撐輪的前后運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)工作位、維修位和讓船位的轉(zhuǎn)換。大梁整體是帶拱度的桁架結(jié)構(gòu)，具有上下弦箱體非對(duì)稱的特征。制作大梁時(shí)整體直線度、上下軌道的軌距和拱度值要求非常高，必須嚴(yán)格控制制造精度，防止大梁運(yùn)行中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。大梁拱度為同心圓，拱度半徑6 000 m。設(shè)置拱度的目的在于確保大梁運(yùn)行到海側(cè)極限位置(吊裝集裝箱載荷的一半)時(shí)，狀態(tài)接近平直，否則大梁會(huì)向下變形，影響整體結(jié)構(gòu)和使用壽命。大梁總長(zhǎng)約112.6 m，軌距7.3 m，上下軌道間距7.14 m，小車軌距6.55 m，總重約369 t。

岸橋制作完成后發(fā)現(xiàn)大梁滑移軌道、小車軌道與承軌梁之間存在間隙，這類間隙會(huì)使大梁和小車運(yùn)行有振動(dòng)現(xiàn)象。小車振動(dòng)直接影響吊箱效率，所以必須進(jìn)行整改。

2 間隙產(chǎn)生原因及解決方案

2.1 大梁軌道與承軌梁產(chǎn)生間隙的原因

大梁滑移軌道利用WQ690高強(qiáng)度矩形鋼直接焊接在上弦、下弦的承軌梁上，焊縫為坡口角焊(見圖1、圖2)。焊接輸入線能量高，在大梁的上下弦斜腹桿有大量焊縫和鋼板本身的不平整等因素的共同作用下，軌道與承軌梁面板之間勢(shì)必產(chǎn)生間隙。因間隙的存在，軌道所受載荷施加在焊縫位置，而不是通過軌道與承軌梁的接觸平面?zhèn)鬟f到大梁上。變化的載荷在大梁內(nèi)衍生為交變應(yīng)力，誘發(fā)焊縫外部或內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，延遲裂紋是最典型的現(xiàn)象，直接影響大梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。

圖1 上弦滑移軌道的焊縫要求

圖2 下弦的焊縫要求

2.2 小車軌道與承軌梁之間產(chǎn)生間隙的原因

小車軌道的承軌梁面板平整度為0.2～5 mm，機(jī)房前后各25 m范圍內(nèi)(即結(jié)構(gòu)剛度最強(qiáng)的地方)平整度為3～5 mm。小車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象的原因如下：

(1)大梁下弦為不對(duì)稱箱體結(jié)構(gòu)且焊縫比較集中。斜腹板靠近小車承軌梁一側(cè)焊縫大部分需要進(jìn)行UT探傷，坡口既大又深，為盲焊焊縫，返修率高。在施焊和返修過程中，承軌梁面板產(chǎn)生角變形。在筋板限制作用下，焊縫內(nèi)應(yīng)力使得承軌梁面板區(qū)域呈現(xiàn)較大的波浪變形。

(2)小車承軌梁的腹板焊縫為不對(duì)稱焊縫。焊接后為了控制構(gòu)件整體平整度及直線度符合尺寸要求，需要進(jìn)行大量的火工校正，鋼板冷卻收縮的不均勻性增大局部波浪變形。

(3)大梁軌道剛性大，焊接到有拱度的承軌梁上，存在較大的變形內(nèi)應(yīng)力和焊接內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)大梁移動(dòng)和吊裝時(shí)釋放內(nèi)應(yīng)力，集中在下弦節(jié)點(diǎn)板之間的區(qū)域。

2.3 解決方案設(shè)計(jì)

擬采用環(huán)氧樹脂膠加注的方式，對(duì)上述結(jié)構(gòu)間的縫隙進(jìn)行填補(bǔ)。

大梁軌道與承軌梁之間形成連通大氣的窄隙密封空間，環(huán)氧樹脂混合液流動(dòng)時(shí)需要克服較大的阻力，以及加注管道內(nèi)樹脂液的自重，故采用壓力加注。由柱塞泵提供動(dòng)力，樹脂液流經(jīng)連接管道、快速接頭和大梁軌道上的孔，注入滑移軌道的流道以及流道兩側(cè)的窄隙中。

小車軌道與承軌梁之間的樹脂層，是填充在承軌梁上的圍擋中。圍擋頂面全部敞開，依靠樹脂液的自量和流動(dòng)性就可以克服流體與接觸面之間的阻力，可采用常壓加注。為了保證樹脂層的厚度和平整度，樹脂液填滿圍擋后，利用不銹鋼鋼板和重物壓平表面即可。

3 加注環(huán)氧樹脂可行性驗(yàn)證

環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)是能承受較大的壓強(qiáng)(164 MPa)，也有一定的抗張強(qiáng)度(49.4 MPa)。為了驗(yàn)證間隙值的范圍和環(huán)氧樹脂補(bǔ)償工藝的可行性，制作長(zhǎng)度為2 m的下弦試驗(yàn)段。按實(shí)際制作工藝要求裝配和焊接后，測(cè)量軌道間隙為0.1～0.5 mm，在間隙處填充環(huán)氧樹脂(牌號(hào)為EPOCAST36或TS365，粘度12 000～16 000 MPa/s)。

采用環(huán)氧樹脂填充時(shí)，預(yù)先通過試驗(yàn)驗(yàn)證，借助泵提供壓力，才可以充滿0.1～0.5 mm窄縫間隙空間。下弦軌道的間隙可以視為被焊縫密封的空間，實(shí)際操作時(shí)，沿試驗(yàn)段軌道中心線自上而下鉆出?10 mm的通孔，通孔端部加工出M12公制螺紋，孔間距為2 m，一個(gè)為進(jìn)口，相鄰的孔為出口。沿軌道中心線加工出通條R7半圓槽，做為流道；孔與流道相通，形成“管道”。為克服流體摩擦阻力和空氣背壓，試驗(yàn)段采用電動(dòng)齒輪泵加壓的方式將環(huán)氧樹脂打入流道。試驗(yàn)結(jié)果表明，0.3～0.5 mm間隙范圍內(nèi)均能填滿，但小于0.1 mm的間隙不能填充，密封空間內(nèi)通過壓力加注樹脂的工藝是可行的。

4 壓力加注環(huán)氧樹脂的關(guān)鍵施工工藝

4.1 設(shè)計(jì)加注系統(tǒng)

基于試驗(yàn)結(jié)果，加注系統(tǒng)由滑移軌道流道、快速接頭、連接管道和柱塞泵等組成。因?yàn)槭怯上孪蛏夏嬷亓Ψ较蚣幼渲较孪一栖壍纼?nèi)部，故需要在軌道上預(yù)先鉆螺紋孔做為注脂孔，孔間距為2 m(見圖3)，軌道中間加工出半圓槽作為流道(見圖4)。

圖3 下弦軌道

4.2 泵的選用

由于大梁滑移軌道加注正處于夏季，中午時(shí)段構(gòu)件溫度可達(dá)50℃以上，環(huán)境溫度高，環(huán)氧樹脂流動(dòng)性好，但固化時(shí)間相對(duì)較短，時(shí)間約10 min即可達(dá)到半固化狀態(tài)。若使用齒輪泵，如不及時(shí)清洗泵體、快速接頭和管道，設(shè)備表面粘有半固化樹脂，會(huì)阻礙加注系統(tǒng)運(yùn)行。為了清除這些半固化的樹脂，需頻繁拆卸快速接頭、管道和泵，導(dǎo)致加注工作效率低、樹脂利用率低。另外，如果齒輪表面粘有固化的樹脂，則齒輪泵失去正排量功能，一旦接頭和管道被固化樹脂堵住，設(shè)備將全部報(bào)廢。經(jīng)過初步測(cè)算，每完成5 m軌道間隙填充，需環(huán)氧樹脂和工具費(fèi)用約1萬元，按照上下弦需加注樹脂的滑移軌道長(zhǎng)度約237 m來計(jì)算，費(fèi)用較高。而選用高壓柱塞泵的優(yōu)點(diǎn)在于，清洗簡(jiǎn)單、做功部件可靠性高、裝配精度要求低、易操作、能滿足樹脂連續(xù)施工使用要求。故實(shí)際加注系統(tǒng)與試驗(yàn)段的區(qū)別是，選用高壓柱塞泵替代齒輪泵提供動(dòng)力。

依據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)直管道阻力計(jì)算公式：

(1)

式中，ΔPf為管道阻力引起的壓力差，Pa；d為管道直徑，取0.01 m；L為一次加注管道長(zhǎng)度，取6 m；V為液體流速，取0.3 m/s；ρ是流體密度，為1.78×103kg/m3；λ為管道摩擦系數(shù)，取1。

以上各數(shù)值代入公式(1)，求得：ΔPf=48.1×103Pa。

高壓柱塞泵能夠提供10 MPa的額定壓強(qiáng)，滿足加注時(shí)的壓強(qiáng)需求。

4.3 壓力加注施工工序

4.3.1 加注樹脂前的軌道內(nèi)部清理

軌道內(nèi)部加注樹脂前必須進(jìn)行內(nèi)部清理，為消除火災(zāi)隱患，不采用酒精或丙酮等溶劑，也不采用氣瓶氣體，而是用不燃的壓縮空氣進(jìn)行軌道清理。采用TA-100型空壓機(jī)，通過橡膠軟管(額定壓力2 MPa)和接頭連接到軌道上，并用管箍固定。空壓機(jī)的出口壓力設(shè)定為0.6～0.7 MPa，安全閥的限壓功能確保正常。

4.3.2 壓力加注過程

環(huán)氧樹脂壓力加注的工藝流程如下：

(1)按照設(shè)定比例調(diào)配環(huán)氧樹脂后，接高壓柱塞泵，利用樹脂的流動(dòng)性和泵施加的壓力，將樹脂壓入軌道間隙，直到樹脂從鄰近的孔溢出。

(2)用規(guī)格為M12×15的螺栓和生料帶、螺紋膠等密封注脂孔，因下弦軌道的孔向下，密封過程必須迅速完成。

(3)連續(xù)加壓，加注環(huán)氧樹脂，直到第N個(gè)孔不溢出環(huán)氧樹脂。

(4)迅速拆下接頭，進(jìn)行密封。

(5)由第(N-1)個(gè)孔(即溢出孔的相鄰孔)再注入，避免相鄰兩孔之間形成空段。

(6)依次進(jìn)行上述操作，直至軌道內(nèi)注滿樹脂并從上下弦軌道的端部透氣孔溢出為止。

4.4 安全措施

壓力加注環(huán)氧樹脂施工為帶壓操作，清洗接頭、管路和泵的溶劑為易揮發(fā)易燃液體，存在安全隱患，因此保證施工安全十分重要。具體措施為：檢查柱塞泵的限壓閥功能是否完好；樹脂加注區(qū)和輔助區(qū)四周各10 m范圍及上方不能有明火、打磨等作業(yè)；輔助區(qū)分為拆裝區(qū)和清洗區(qū)；遇到無風(fēng)天氣，為避免易燃液體揮發(fā)聚集的氣體達(dá)到爆炸極限濃度，布設(shè)大流量風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)。

5 常壓填充環(huán)氧樹脂的關(guān)鍵施工工藝

5.1 施工前的準(zhǔn)備

5.1.1 接觸面準(zhǔn)備

拉起小車軌道至承軌梁上方約0.7 m左右，固定在桁架側(cè)片腹桿上。打磨承軌梁表面，用稀料、酒精或清洗劑清洗并擦干，使承軌梁上表面和軌道下表面無焊渣、油、漆、銹和水。為防止與樹脂粘合，軌道下表面刷2次脫模劑。為減少后期清理工作，用膠帶密封軌道壓板，用橡皮泥填滿底板三角槽，以避免樹脂流入。

5.1.2 制作圍擋

圍擋選用規(guī)格8 mm×5 mm的尼龍條，圍成矩形，要求寬度比軌道小10 mm，長(zhǎng)度等于小車軌道全長(zhǎng)。圍擋中每間隔1.5 m設(shè)置橫向隔條。利用1 m檢驗(yàn)尺或水平儀檢查圍擋上平面，確保水平值在±2 mm內(nèi)。為使樹脂固化后穩(wěn)定受壓，在圍擋內(nèi)部放置尺寸為40 mm×40 mm的聚氨酯塊，在橫向隔條兩側(cè)交錯(cuò)布置。(見圖5)

1.聚氨酯塊 2.圍擋 3.橫向隔條 4.小車軌道中心線圖5 承軌梁上填充環(huán)氧樹脂的圍擋

5.2 調(diào)配環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂的A組與B組混合攪拌時(shí),應(yīng)控制速度，攪拌時(shí)攪頭不能脫離樹脂上表面，保持15°～30°的斜角。攪拌時(shí)間不小于3 min。攪拌時(shí)會(huì)產(chǎn)生漩渦但深度不超過10 mm，減少空氣混入樹脂內(nèi)。

5.3 施工方式

(1)將攪拌均勻的樹脂沿小車承軌梁中心線緩慢倒入圍擋內(nèi)，直至填滿。盡量一次操作完成，不可隨意分多次倒入。少量添加時(shí)，也需沿中心線倒入，樹脂填充高度應(yīng)稍大于圍擋高度。為了釋放混入樹脂內(nèi)的空氣，樹脂倒入并填滿圍擋后，靜止時(shí)間在10 min以上，并用細(xì)鋼絲或針狀滾筒破除氣泡。

(2)使用平整光潔的不銹鋼板一端對(duì)位準(zhǔn)確并壓實(shí)，另一端緩慢壓下，擠出空氣。放置時(shí)使圍擋內(nèi)的樹脂向另一端流動(dòng)并溢出。然后上部墊木板，輕輕壓下配重。不銹鋼板接頭處增加配重以壓平樹脂，確保鋼板與圍擋之間壓實(shí)無間隙。

(3)待樹脂固化16 h后，先移去配重和木板，再?gòu)囊欢擞昧ο破穑迫ゲ讳P鋼板。沿圍擋內(nèi)側(cè)，用角磨機(jī)切割清理已固化的樹脂和尼龍條。

5.4 修補(bǔ)工藝

在混合和填充環(huán)氧樹脂過程中，不可避免地混入少量空氣，樹脂表面或內(nèi)部形成微小氣泡。在固化成型前氣泡不斷上浮，浮出表面的氣泡破裂，形成氣泡坑。多數(shù)氣泡坑直徑大于2 mm。另外，不銹鋼板壓平樹脂時(shí)，未排出的空氣也會(huì)形成表面缺陷，因此必須采取工藝進(jìn)行修補(bǔ)。

5.4.1 表面氣泡修補(bǔ)

采用手工方式進(jìn)行修補(bǔ)，用細(xì)鋼絲等工具將氣泡表面破開，放出空氣。使用砂輪打磨樹脂表面成粗糙狀態(tài)，用無油、干燥的毛刷清除渣屑。將適量的環(huán)氧樹脂倒在需要修復(fù)的面上，并用干凈的硬質(zhì)毛刷反復(fù)揉搓，排出空氣，無空腔。靜置30 min以后，用寬度大于100 mm的鏟刀刮平樹脂表面，直至自然固化。

5.4.2 表面缺陷修補(bǔ)

用砂紙打磨樹脂表面成粗糙狀態(tài)，打磨缺陷部位的銳利邊緣成斜坡，斜率不大于1∶4，并清理干凈細(xì)屑。繼續(xù)按照表面氣泡修補(bǔ)的方式進(jìn)行修復(fù)即可。

5.5 軌道安裝

因固化的環(huán)氧樹脂彈性模量滿足使用要求，因而可以替代軌道下面原先設(shè)計(jì)的橡膠墊。直接安裝小車軌道至樹脂層上，兩側(cè)壓緊軌道壓板，檢查軌道與樹脂層之間的間隙。實(shí)測(cè)間隙小于0.2 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

由于樹脂與承軌梁之間的粘結(jié)力不足以固定樹脂層，為防止樹脂層發(fā)生滑移，在軌道彈性壓板之間增加剛性壓板(見圖6)。施工全部完成后的狀態(tài)見圖7。

1.鋼性壓板 2.小車軌道、承軌梁腹板中心線 3.彈性壓板 4.承軌梁圖6 增加剛性壓板固定樹脂層

1.尼龍條 2.剛性壓板 3.環(huán)氧樹脂層圖7 小車軌道完工狀態(tài)

6 結(jié)語

壓力加注和常壓填充環(huán)氧樹脂2種施工工藝，補(bǔ)償了軌道與承軌梁之間的窄縫間隙，從根本上消除大梁運(yùn)行和小車運(yùn)行的振動(dòng)，待間隙填充完成后大梁和小車均能平穩(wěn)運(yùn)行，可以很好地解決軌道產(chǎn)生間隙的問題。該方案還可以推廣到其他無法進(jìn)行高精度機(jī)加工而但需保證接觸面貼合要求的構(gòu)件中。