起重機互嵌式法蘭鉸接支座設計

任軍輝

湖南中鐵五新重工有限公司

1 引言

門座起重機、岸邊集裝箱起重機等起重設備，是目前港口碼頭及貨物堆場中應用較廣泛的裝卸設備。起重機端梁或下橫梁連接大車運行機構的法蘭鉸接支座是設備主要的受力部件之一，其上端通過螺栓或焊接方式連接端梁或下橫梁部件，下端通過鉸軸連接大車運行機構，用于承受端梁或下橫梁及其以上部件自重、貨物載荷、整機啟停慣性力、工作機構振動沖擊載荷、風載荷等，受力較復雜[1]。該結構目前均采用鋼板焊接的方式制造，鋼板材料多為Q355B，其焊接質量與焊接變形量的控制直接影響部件及整個設備的安全與可靠性。

2 現有支座結構缺陷分析

2.1 結構形式、制造工藝

目前行業通用的法蘭鉸接支座主要由耳板、封板、貼板、筋板、法蘭組成(見圖1)。與法蘭連接的各構件均設置在法蘭的一側面，即所有焊縫也集中在該側面。耳板與法蘭連接處為主要受力位置，為“T”形接頭，焊縫為關鍵焊縫，須達到UT或RT一級焊縫質量要求，采用在耳板端部開設“K”形坡口與法蘭焊接的方法[2]。在目前較為通用的起重設備中，耳板與法蘭的厚度為30～40 mm，耳板與法蘭采用多層多道焊接方式焊接。

1.耳板 2.封板 3.貼板 4.筋板 5.法蘭圖1 現法蘭鉸接支座結構

2.2 存在的不足

2.2.1 焊縫受力復雜、裂紋機率增大

起重機端梁或下橫梁及其上部的載荷均由法蘭與耳板傳遞至大車運行機構驅動裝置，耳板與法蘭連接處的焊縫承受所述主要載荷。除垂直作用于法蘭面的正壓力外，當載荷作用方向與法蘭面成任意角度時，耳板與法蘭連接焊縫將受彎矩、剪切載荷，隨著工作時間的增加，耳板與法蘭連接處焊縫出現裂紋的機率增大[3]。

2.2.2 局部焊接熱能量高、焊接變形大

耳板與法蘭連接處為“K”形坡口焊縫，板厚較厚，采用多層多道焊接，焊接時局部熱能量高，焊接應力集中，且焊接在法蘭一側面進行，導致法蘭變形量大，可達6～20 mm。目前多采用在法蘭上施加反變形量的方式來控制變形，如將法蘭下方增加墊塊并固定于平臺。該方法不便于法蘭上其他零部件的焊接，進而采用兩件支座的法蘭面相連接的方式來控制法蘭的焊接變形。

2.2.3 質量控制難度大、成本高

因耳板與法蘭連接時，耳板端部直接抵接法蘭面，耳板位置需人為劃線或按下料時劃線位置確定，點裝時需設置多件輔助支撐固定耳板。耳板與法蘭連接處焊接熔池體積大，需多層多道焊接，每層須清除雜質。即便采用兩件支座的法蘭面相連接的方式，當兩件拆卸后，變形量依舊可達到5～13 mm。耳板外側筋板和兩耳板內側，因空間限制，使焊接、打磨更困難，焊接質量控制難度大，制造效率低，1件鉸接支座至少需要2～3天才可焊接完成。焊接完成后因變形較大，還需對法蘭面進行切削加工，同時因變形大法蘭所留的余量較大，導致切削加工量也較大，在影響制造效率的同時大大增加了制造成本。

3 互嵌式法蘭鉸接支座

3.1 結構與制造工藝

通過對法蘭鉸接支座受力特點、工況、結構形式及制造工藝的研究分析，對鉸接支座進行了重新設計(見圖2)。

1.凸臺耳板 2.封板 3.貼板 4.筋板 5.帶孔法蘭圖2 互嵌式法蘭鉸接支座

對互嵌式法蘭鉸接支座的耳板與法蘭連接處進行了重新設計，使耳板與法蘭在結構上形成相互嵌入式結構(見圖3)。連接時凸臺耳板直接插入帶孔法蘭的槽孔即可。帶孔法蘭筋板、封板側與凸臺耳板焊縫采用角焊縫，對側采用單“V”形坡口焊縫或塞焊縫，帶孔法蘭槽孔寬度方向與凸臺耳板厚度方向采用單“V”形坡口焊縫。

圖3 互嵌式法蘭鉸接支座耳板、帶孔法蘭設計

3.2 互嵌式法蘭鉸接支座優點

3.2.1 力學性能良好、破壞機率降低

凸臺耳板與帶孔法蘭為相互嵌入式結構，大部分載荷由耳板與法蘭配合的結構部分承載，焊縫部分受力減少，力學性能良好，焊縫破壞機率降低。

圖4、圖5為輪壓25 t四輪大車運行機構門座起重機互嵌式法蘭鉸接支座應力與位移云圖[4]。材料為Q355B，許用應力為267 MPa。從應力云圖中可知，除去因加載、約束導致的局部點位應力達到175.2 MPa外，其余位置應力均不超過140 MPa，大部分位于20～110 MPa范圍，遠少于材料許用應力267 MPa。從位移云圖可知，最大變形量發生于垂直帶孔法蘭平面方向，為帶孔法蘭的4個角，其最大位移為0.4 mm，其余位置均不超過0.3 mm。因此，互嵌式法蘭鉸接支座滿足設計要求。

圖4 互嵌式法蘭鉸接支座應力云圖

圖5 互嵌式法蘭鉸接支座位移云圖

1.帶孔法蘭 2.凸臺耳板圖6 凸臺耳板與帶孔法蘭連接焊縫示意

3.2.2 焊接應力降低、焊接變形小

凸臺耳板與帶孔法蘭焊接時帶孔法蘭筋板、封板側與凸臺耳板焊縫為角焊縫，對側為單“V”形坡口焊縫或塞焊縫(見圖6)。焊縫對稱設置于帶孔法蘭兩側，其焊接時大部分焊接應力可相互抵消平衡，帶孔法蘭焊接變形減小，配合適當反變形措施，帶孔法蘭變形量可控制在不超過3 mm范圍，切削加工量大大減少。

3.2.3 制造便捷、質量易保證、生產效率提高

帶孔法蘭上槽孔下料時即可一同完成，凸臺耳板與帶孔法蘭點裝時不需再人為劃線，因凸臺耳板底端與帶孔法蘭槽孔下料時采取了尺寸保證措施，只需將凸臺耳板插入對應槽孔即可，定位準確可靠。

帶孔法蘭與凸臺耳板連接處焊縫的對稱設置、由多層多道焊的“K”形坡口焊縫至角焊縫加單“V”形坡口焊縫或塞焊縫，制造工藝簡單、便捷，焊接質量容易保證，生產效率高，1～1.5天即可完成1件法蘭鉸接支座制造。

4 結語

互嵌式法蘭鉸接支座從受力情況、制造工藝、制造質量、制造效率及降低制造工人的勞動強度等方面均較現有法蘭鉸接支座有顯著改善和提高，可為同類結構形式產品、零部件的設計、制造提供參考。