軌道式集裝箱門式起重機模塊化制造技術研究與應用

陳 喜

上海振華重工（集團）股份有限公司南通分公司 南通 226000

0 引言

隨著國內外內陸鐵路集裝箱貨運集散中心的興起，內陸集裝箱堆場對軌道式集裝箱門式起重機（以下簡稱軌道吊）的需求量日益增大，受內陸運輸特點以及條件的限制，內陸堆場的軌道吊無法整體運輸，必須以零部件形式到貨，在用戶堆場完成組裝。因此，軌道吊龍門架各零部件的模塊化設計與制造成為了軌道吊產品新的改進方向。

為適應市場需要，將軌道吊各結構作為單獨的零部件發貨，在用戶堆場進行搭積木式的安裝，各結構連接位置用真法蘭形式，并通過螺栓將各結構組裝成龍門架整體。按照常規工藝方法，以零部件形式發貨的軌道吊項目通常是采取真法蘭假做的生產制造及安裝方法。龍門架各結構間雖為真法蘭連接，但在制造時是將各連接處的2片法蘭通過螺栓兩兩組合成一片法蘭再進行焊接拼裝，當一個堆場有多臺軌道吊時，相同軌道吊之間的龍門架各零部件結構不具備互換性，只能一一對應組裝。如在發貨過程中標識不清或分批發貨時未按理想順序到貨，則會使現場組裝工作變得十分困難，等待周期延長，二次搬運工作量加大。為了能夠實現真法蘭真做當方法，使各零部件的制作進入模塊化制造，在制造工藝上需作出相應改進，并設計相應的工裝設備，才能確保軌道吊模塊化制造順利實施。

為此，對某軌道吊真法蘭連接形式的龍門架結構的制造技術進行優化改進，優化了生產工藝流程，針對不同零部件設計可通用的工裝平臺對制造精度進行控制，成功實現了相同零部件間的互換組合安裝，為軌道吊模塊化制造打下了基礎。

1 基本情況及龍門架結構組成

某內陸堆場軌道吊以零部件對形式發運，要求將軌道吊龍門架分為多個零部件發往用戶的堆場進行組裝。該龍門架主要零部件包括主梁（2件/臺機）、上橫梁（2件/臺機）、支腿（4件/臺機）、下橫梁結構（2件/臺機）等，如圖1所示。

圖1 龍門架結構組成示意圖

2 總體思路

真法蘭真做工藝新方法的主要思路為：在龍門架中的零部件制作階段將主梁、上橫梁、支腿、下橫梁幾個結構單獨進行制作，并將各連接部位的法蘭按照施工圖直接下料加工成形；在主梁、上橫梁、支腿、下橫梁的制作過程中按照不同結構特點分別控制結構的尺寸以及放置修割余量；最后在法蘭安裝時通過設計的工裝平臺保證法蘭安裝的精度，通過工裝平臺的輔助可大幅提高法蘭的安裝效率和質量，從而保證現場組裝的順利進行。在對生產工藝流程優化改進后，省略了舊生產工藝過程中的龍門架零部件之間的拼裝焊接過程，大大減少了利用起重機械的吊裝工作，從而大幅縮短了每一臺軌道吊的制作周期和成本，模塊化制造優勢初步顯現。

3 龍門架各零部件制造關鍵技術

3.1 主梁制作工藝

3.1.1 法蘭模板下料尺寸精度控制

在零件機加工時，將主梁上的真法蘭平面以及法蘭上的螺栓孔加工到位。為了保證各法蘭板螺栓孔、平面、自由邊等的加工精度，針對上橫梁與主梁的連接位置、支腿與主梁的連接位置、支腿與下橫梁的連接位置、下橫梁與大車的連接支架位置等，根據不同的尺寸、規格分別設計制作相對應的法蘭劃線加工模板，用于配鉆螺栓孔以及加工平面、自由邊，以保證加工的法蘭零件具有隨機互換性。在法蘭加工時，精確控制法蘭板的外形尺寸、自由邊與法蘭十字中心線平行度、平面度、對角線偏差、螺栓孔尺寸精度、表面粗糙度等，法蘭4個角位置設置定位用的鉸點孔，精度要求按一般孔軸加工精度的要求控制作為重要質控點，并對應制作4根定位銷軸，以保證每一片法蘭在安裝時利用定位銷軸保證法蘭的組合精度，如圖2所示。

圖2 法蘭加工模板制作示意圖

3.1.2 主梁結構尺寸精度控制

主梁常見的結構形式有兩端不帶懸臂的中心對稱結構、一端帶懸臂的非中心對稱結構、兩端帶懸臂的對稱結構等，通常對稱結構的受力相對較好，制作時尺寸精度、修割余量放置等方面相對容易控制。本文以一端帶懸臂的非中心對稱結構為例，說明主梁在制作時需要考慮影響法蘭安裝精度的因素。

主梁為整個龍門架結構中類似橋梁的結構，支腿則作為橋墩，一般橋梁都設有上拱度，上拱可以在一定程度上提高剛性以及減小運行中機構對橋梁產生的向心力。因此，主梁結構在制作成形后并非呈直線形箱體結構，為保證主梁能在承受靜載、動載荷的共同作用下不出現下撓，要求主梁結構制作成形后呈一定的上拱，該拱度值隨龍門架兩側支腿距離的大小而對應取值大小。一端帶懸臂的非中心對稱主梁在結構制作時，懸臂部分也應呈直線向上形成一定坡度，以增強其結構在運行載荷作用下具有一定的剛性。一般龍門架兩側支腿距離范圍大致為25～30 m。圖3以支腿中心距（即軌距）28 m計算一端帶懸臂的非中心對稱主梁成形拱度值，并在此拱度下考慮主梁與支腿連接處法蘭安裝位置如何放置修割余量，具體拱度曲線如圖3所示。

圖3 主梁拱度曲線示意圖

在設置拱度時，以支腿中心線以及主梁箱體內對應的隔板位置設置起點、零點、中間點、終點等為橫坐標計算拱度值，橫坐標選點時應從便于在實際制作過程中的胎架設置以及便于測量控制2方面考慮，具體數據如表1所示。主梁拱度在下料到上胎架制作狀態下拱度值最大，制作成形后在自身質量作用下撓拱度值將減小，制作成形撤除胎架后，以2處支腿中心線為支撐點測量主梁拱度值應接近或達到表1（與圖3對應）所示拱度值數據，兩側支腿中心線中間點處最高點的偏差范圍為≤（28）±5 mm。

表1 主梁箱體隔板位置拱度數據 mm

在主梁自重狀態下，受制作時對結構放置拱度的影響，主梁與支腿連接端2處下伸出的箱體端口位置尺寸偏差應根據經驗預置一定的修割余量進行調整，以及距端口邊緣500 mm以內的箱體焊縫應采取點焊形式固定，在法蘭正確定位安裝到位后再焊接此處500 mm以內為焊接的箱體焊縫，如圖4所示。

圖4 主梁支腿連接處修割余量示意圖

主梁與上橫梁連接位置的法蘭安裝不受主梁制作時拱度影響，法蘭安裝工藝方法與上橫梁、支腿法蘭安裝工藝相同。主梁與上橫梁連接端口預置50 mm修割余量，距端口300 mm以內的箱體焊縫采取點焊形式固定，在法蘭通過工裝平臺定位安裝到位后再完成端口300 mm以內箱體焊縫的焊接。主梁與上橫梁連接位置的法蘭在單根主梁制作成形后劃線修割端口余量，通過工裝平臺定位安裝法蘭并控制其安裝尺寸精度，可參照支腿安裝法蘭工藝方法進行安裝制作。

3.1.3 主梁法蘭安裝尺寸精度控制

當主梁、上橫梁結構分別制作完成后，可在外場組裝成主梁門框組件，檢驗組裝數據控制在誤差范圍內，同時檢驗法蘭裝配焊接工裝平臺數據，要求軌距誤差≤±5 mm，基距控制范圍為-6～0 mm，對角線誤差≤5 mm，如圖5所示。如果尺寸符合工藝要求，先將加工制作好的法蘭用螺栓固定在法蘭裝配焊接工裝平臺上，法蘭四周焊接定位塊，確認法蘭固定牢固后再將主梁組件吊裝在法蘭裝配焊接工裝平臺，如圖6、圖7所示。檢查主梁4處法蘭是否在同一水平面，控制主梁與法蘭最大間隙在1 mm范圍內，復測法蘭對角線尺寸誤差≤5 mm。各關鍵工序尺寸檢測合格后進行焊接，焊接時應遵循先焊內側再焊外側、先焊短邊再焊長邊的原則，具體焊接順序為：①→②→③→④，如圖8所示。每個法蘭位置應由2名焊工同時對稱作業，焊接時控制好層間溫度，層間溫度過高、熱變形大易導致焊縫強度變低、法蘭焊接變形。當焊接完成24 h后，再次復測主梁組件軌距、基距、法蘭對角線等數據，以及測量主梁下法蘭平面度。通過法蘭裝配焊接工裝平臺的設計應用，以及焊后對法蘭板平整度適當的校正，完全能夠將法蘭平面度以及4個法蘭對角線的尺寸控制在誤差允許范圍內。

圖5 主梁門框法蘭裝配焊接工裝平臺尺寸布置示意圖

圖6 主梁門框法蘭裝配焊接工裝平臺

圖7 主梁門框吊裝至工裝平臺

圖8 主梁門框法蘭尺寸及焊接順序示意圖

3.2 上橫梁與支腿制作工藝

上橫梁與支腿上的法蘭下料加工工藝與主梁法蘭下料加工方法相似，只在箱體以及法蘭尺寸方面有所區別。在箱體兩端預置的修割余量及箱體預留點焊焊縫長度均采取相同的方法。下橫梁與支腿結構形式相近，法蘭均安裝在箱體兩端，故設計1套工裝平臺可共用于上橫梁與支腿的法蘭安裝。上橫梁為標準的矩形箱體結構，結構相對簡單，支腿為變截面矩形箱體。

支腿結構箱體在制作時兩端一般預置50 mm修割余量，距離兩側端口位置300 mm箱體焊縫應采取點焊的形式進行固定，在支腿整體制作成形后先劃線修割箱體兩端余量，同時將加工制作好的法蘭用螺栓固定在法蘭裝配焊接工裝平臺上，法蘭的4個角利用定位銷軸以及四周自由邊用定位塊貼緊，保證兩邊法蘭的平行度，防止錯邊。法蘭固定好后檢查法蘭焊接工裝平臺尺寸，要求開檔控制范圍為-2～+1 mm，2個法蘭的垂直度控制在1 mm以內，如圖9、圖10所示。將支腿吊裝至法蘭裝配焊接工裝平臺，吊裝到位后復測開檔及垂直度。各關鍵工序尺寸檢測合格后進行焊接，此時可將支腿兩側端口300 mm以內的箱體焊縫完成焊接，支腿與法蘭焊接時遵循的原則與主梁法蘭焊接相同，具體焊接順序為：①→②→③→④，如圖11所示。當法蘭焊接完成后，對法蘭加強筋位置進行1次火工加熱，釋放焊接應力。在焊接完成24 h后，復測支腿構件數據，測量支腿法蘭平面度，法蘭與箱體中心線的垂直度，局部尺寸超出誤差允許范圍內的需進行校正，確保法蘭安裝尺寸控制在誤差允許范圍內，并做好測量數據的記錄。

圖9 支腿法蘭裝配焊接工裝平臺

圖10 支腿吊裝至法蘭焊接工裝平臺

圖11 支腿法蘭尺寸及焊接順序示意圖

3.3 下橫梁制作工藝

下橫梁的結構形式與主梁、上橫梁以及支腿的結構形式不同，下橫梁結構中的法蘭并非為獨立法蘭形式，其法蘭構成箱體的面板，分為上下面板法蘭。下面板法蘭與大車連接支架連接，上面板法蘭與支腿法蘭連接。當結構零件下料時，下面板與大車連接支架連接的法蘭面板根據法蘭加工模板加工成形后安裝，上面板與支腿法蘭連接位置的法蘭面板采用加厚、加寬的板材下料，在未機械加工的狀態下安裝，并對板材厚度預留加工余量。一般板厚預置5 mm機械加工余量，待整體制作成型后再整體劃線加工厚度余量。一般地，要求下橫梁箱體成形后上面板法蘭對應的支腿中心線偏差≤2 mm，下面板對應的大車連接支架基距偏差范圍為-6～0 mm，如圖12所示。

圖12 下橫梁上面板法蘭機械加工余量示意圖

由于下橫梁與大車連接支架連接的下面板已完成機械加工，具有較高的平面精度，下橫梁在制作過程中一般以與大車連接支架連接的下面板為基準制作，并在制作過程中重點控制下面板的平面精度等尺寸。下橫梁制作成形后整體劃線，以下面板法蘭為基準劃出上面板法法蘭平面厚度加工余量，最后通過龍門銑加工平面（見圖13），根據法蘭加工模板配鉆螺栓孔，以保證加工的法孔具有互換性。在法蘭加工時要求控制法蘭板的外形尺寸、平整度、螺栓孔尺寸，保證加工精度符合尺寸偏差控制要求。

圖13 下橫梁法蘭加工示意圖

3.4 龍門架組裝檢驗

為了驗證法蘭，先下料加工成形后通過工裝設備控制安裝精度，以實現龍門架各零部件模塊化的制作要求。在多臺同機型的軌道吊項目中，隨機選擇零部件組裝了1臺龍門架，如圖14所示。通過實際組裝試驗檢驗各零部件在各自制作環節的關鍵工序方面，尺寸控制完全符合要求。

圖14 龍門架組裝吊裝示意圖

4 偶發性問題及其解決方法

軌道吊采用模塊化制作的方法，在多臺設備組裝過程中，偶爾會出現主梁與支腿連接位置法蘭貼合面局部間隙超差＞1 mm，如圖15所示。存在間隙主要在法蘭自由邊上，通過原因分析可知，出現貼合面超差的主要是累積誤差疊加影響產生的結果。不同區域的缺陷處理方法有：

圖15 主梁與支腿連接法蘭間隙示意圖

1）對于法蘭1、法蘭2、法蘭3僅在法蘭邊緣有間隙超差的區域可利用千斤頂將上下法蘭壓緊貼合，再局部火工校正。

2）對于法蘭4在法蘭面積約1/3有間隙超差的部分則通過火工校正的方法消除缺陷。

5 結束語

軌道吊項目采用真法蘭真做的工藝方法，從工藝流程上減少了龍門架組裝吊裝作業，從產品質量上提高了法蘭制作安裝精度，方案的成功實施標志著軌道吊模塊化制造工藝技術在實踐中可行。同時，該項工藝技術也在后期項目中繼續進行試驗、探索以及改進，針對不同型號規格的軌道吊產品進一步設計與其的相適應的工裝平臺設備，全面推廣模塊化制造，將企業的成本控制、生產效率都會有顯著提高。