門座式起重機(jī)象鼻梁局部改造設(shè)計(jì)分析

高志軍

（曹妃甸港集團(tuán)股份有限公司，唐山 063200）

門座式起重機(jī)作為吊裝、搬運(yùn)、卸載、堆碼專用設(shè)備，在港口運(yùn)輸、建筑施工多領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。其因具備低成本、靈活性強(qiáng)和通用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景。若能加強(qiáng)象鼻梁的合理改造，便可深化設(shè)備應(yīng)用的影響力，賦予設(shè)備使用者良好的操作體驗(yàn)。

1 門座式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特征

裝卸是門座式起重機(jī)的用途之一，港口運(yùn)輸及露天堆料場(chǎng)裝卸作業(yè)中起重量多在25 t 以內(nèi)，幅度變化時(shí)起重量不改變，整體呈現(xiàn)高速運(yùn)輸狀態(tài)。在造船作業(yè)中，運(yùn)用該設(shè)備可以完成吊裝任務(wù)，起重量為300 t。門座式起重機(jī)主要包括運(yùn)行機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在運(yùn)行機(jī)構(gòu)部分設(shè)有門座結(jié)構(gòu)，通過帶式輸送機(jī)和伸縮漏斗等裝置完成裝卸、搬運(yùn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)物料高效轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)可以利用平衡臂調(diào)整升降作業(yè)重心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。象鼻梁結(jié)構(gòu)由前過橋、后過橋、滑輪支架、中間橋以及主梁、步道等組件拼合而成，在拼板部分能夠借助固定對(duì)接板焊接成固定尺寸，往往具有輔助支撐的效果。考慮現(xiàn)有門座式起重機(jī)的象鼻梁已經(jīng)無法滿足實(shí)際裝卸操作需求，立足結(jié)構(gòu)特征針對(duì)象鼻梁進(jìn)行改造。

圖1 門座式起重機(jī)結(jié)構(gòu)

2 門座式起重機(jī)象鼻梁局部改造設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 改造卸扣連接模式

門座式起重機(jī)象鼻梁局部改造計(jì)劃的實(shí)施，要求設(shè)計(jì)人員從象鼻梁卸扣連接模式著手，使改造后新連接模式具有更高的穩(wěn)固度，防止因卸扣連接不穩(wěn)影響運(yùn)行效果。通過觀察改造前設(shè)備的運(yùn)行狀況可知，在從事裝卸、搬運(yùn)作業(yè)時(shí)，設(shè)備開啟后能夠達(dá)到17.5 m的起升高度，但是將其應(yīng)用于港口運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，碼頭漲潮現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致起重設(shè)備起升高度與抓斗出艙口形成3.5 m 高差，難以體現(xiàn)自適應(yīng)特性。如果能以C 形扣連接模式替代鋁套壓制連接模式，那么就有望提升起升高度，在原有基礎(chǔ)上順應(yīng)漲潮規(guī)律操控抓斗[1]。

在應(yīng)用卸扣連接模式作為改造后起重設(shè)備象鼻梁連接元件時(shí)，可以對(duì)C 形扣加以改進(jìn)，選擇帶有葉輪、底蓋、扣體配件的C 形扣產(chǎn)品。此類產(chǎn)品可以在底蓋遭受流體作用時(shí)，因摩擦作用而出現(xiàn)移動(dòng)，在小偏移狀況下依舊能夠保持有效連接，以免在搬運(yùn)、裝卸物料期間出現(xiàn)脫落情況。同時(shí)，改造后所用C 形扣設(shè)有溝槽，可在雙頭導(dǎo)軌高低不同頂點(diǎn)中通過溝槽嵌入形式產(chǎn)生加固效果。此時(shí)導(dǎo)軌受扣體材質(zhì)影響自動(dòng)嵌入溝槽。改造后所用C 形扣還可以通過配套工具增設(shè)圓孔洞，在凹凸匹配下可在高低頂點(diǎn)變動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)扣體與底蓋充分制動(dòng)。

2.2 改造滑輪組樣式

除了要改造門座式起重機(jī)象鼻梁連接結(jié)構(gòu)，還需要改造原有滑輪組樣式，以便增強(qiáng)滑輪的順暢度，同時(shí)為新連接模式提供配套配件。此次研究中，改造前滑輪組直徑為1 200 mm，所用輪緣繩槽直徑為75 mm，采取卡簧定位方式與卸扣連接。為實(shí)現(xiàn)提升改造的目標(biāo)，可以考慮選擇寬槽滑輪組替代原滑輪組，通過增加滑輪組直徑延伸有效滑動(dòng)范圍。原有滑輪組直徑增加280 mm，配套的輪緣繩需拓寬148 mm，并選擇端蓋定位固定軸承。滑輪組改造后，起重設(shè)備中象鼻梁無論是穩(wěn)固度還是提升高度都得到顯著改善，可見滑輪組改造具有重要價(jià)值。

為了順利運(yùn)行改造后的滑輪組，原用于收納輪緣繩的槽位也要進(jìn)行改造，否則容易出現(xiàn)繩索回收失敗的問題。具體選擇2 mm深且經(jīng)過淬火處理的鋼轂繩槽，端蓋定位軸承結(jié)構(gòu)所能承受的軸向載荷、靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷分別不低于212 kN、2 120 kN、1 170 kN。改造滑輪組形式時(shí)，配置的寬槽滑輪繩槽還可以增設(shè)防脫槽[2]。配備防脫槽后，輪緣繩數(shù)量保持2 根，套筒為2 個(gè)，門座式起重機(jī)象鼻梁配置2 個(gè)。

2.3 改造局部箱型梁

箱型梁是象鼻梁較為重要的結(jié)構(gòu)形式，因此要對(duì)其進(jìn)行合理改造。為進(jìn)一步提升改造設(shè)計(jì)的合理性，應(yīng)參照門座式起重機(jī)象鼻梁箱型梁參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證改造后滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以免降低適用性。一般要求水平彎曲度不大于箱型梁長度的1/2 000 且不超過8 mm，上翼緣板翹曲應(yīng)在8 mm 以內(nèi)，其垂直彎曲應(yīng)低于10 mm。對(duì)于改造后的箱型梁，相關(guān)人員需要在距離坡口邊緣30 mm 以外進(jìn)行清污，然后結(jié)合箱型梁板厚標(biāo)準(zhǔn)確定預(yù)熱時(shí)機(jī)，使其在150 ～200 ℃溫度下保持材料性能均衡。一般厚度小于16 mm 的箱型梁板材料宜在-10 ℃溫度下進(jìn)行焊接預(yù)熱處理；16 ～24 mm 的材料選擇-5 ℃預(yù)熱溫度；24 ～40 mm 可在0 ℃下預(yù)熱，大于40 mm 沒有特定的預(yù)熱溫度。在預(yù)熱操作中，相關(guān)人員還要及時(shí)檢查箱型梁配件結(jié)構(gòu)的完整性，避免變形導(dǎo)致無法采用超聲波探傷技術(shù)實(shí)施全面檢測(cè)[3]。

在箱型梁改造期間，有關(guān)人員應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)焊條，如E50、E43 控制焊接強(qiáng)度。焊接后在箱型梁表面噴漆，底部噴涂70 μm 厚的環(huán)氧富鋅漆，中間噴涂100 μm厚的厚漿型漆料，同時(shí)可以噴涂70 μm 厚的聚氨酯漆。通過對(duì)改造后的象鼻梁箱型梁進(jìn)行合理的焊接制作，在有效噴漆后能夠保證門座式起重機(jī)獲得更高的起升高度，從而在多個(gè)領(lǐng)域中具備更強(qiáng)的適用性。

3 門座式起重機(jī)象鼻梁局部改造優(yōu)化設(shè)計(jì)路徑

3.1 構(gòu)建仿真分析模型

門座式起重機(jī)象鼻梁局部改造設(shè)計(jì)，不僅可以提升起升高度，還可以延長設(shè)備使用年限。基于局部改造設(shè)計(jì)計(jì)劃，可以通過建模方式實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。以MQ4040 型象鼻梁為研究對(duì)象，在仿真分析模型支撐下將下翼緣板厚度控制在6 ～10 mm，記錄不同工況條件下的模擬分析結(jié)果。例如，在40 t 載荷和40 m 幅度條件下，按照9.78 m·s-2重力加速度進(jìn)行起升作業(yè)，假設(shè)在仿真分析模型中繩子所承受的載荷為6.946 7 kN，風(fēng)荷載為7.358 kN，進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)觀察風(fēng)荷載作用下象鼻梁搖晃程度和承載能力。另外，可以模擬大載荷工況。以0.358 kN 風(fēng)荷載和392 kN 起升載荷進(jìn)行起升作業(yè)，該工況下若未出現(xiàn)象鼻梁失效情況，證明改造后的象鼻梁確實(shí)有推廣意義。建模環(huán)節(jié)除了區(qū)分不同工況條件，還應(yīng)對(duì)門座式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，防止單純構(gòu)建象鼻梁仿真模型難以動(dòng)態(tài)分析改造后象鼻梁的運(yùn)行規(guī)律。

3.2 客觀評(píng)估疲勞壽命

為獲得更可靠的象鼻梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)客觀評(píng)估改造后象鼻梁的疲勞壽命，若有延長跡象，則證實(shí)改造后結(jié)構(gòu)抗疲勞性能良好。分析疲勞壽命時(shí)，應(yīng)先行確保結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度符合要求，即

式中：σ、σs、n分別為象鼻梁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的應(yīng)力值、材料屈服極限和安全系數(shù)；[σ]為許用應(yīng)力。

應(yīng)力循環(huán)特性值為

式中：r為應(yīng)力循環(huán)特性值；σmin、σmax分別為改造后象鼻梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力循環(huán)某疲勞點(diǎn)的最小和最大應(yīng)力值。

根據(jù)應(yīng)力循環(huán)特性值的不同區(qū)間確定疲勞許用應(yīng)力，清楚改造后象鼻梁不同部位的應(yīng)力變化范圍，再結(jié)合仿真分析結(jié)果確定改造后起重設(shè)備的使用范圍。參照董熙晨等人的既有研究成果[4]，確定鉸支座、前拉桿、后拉桿的應(yīng)力分別為2.05 ～239.16 MPa、1.25 ～60.89 MPa、0.74 ～84.68 MPa，在超過182.60 MPa 后象鼻梁將出現(xiàn)失效情況，針對(duì)有失效風(fēng)險(xiǎn)的象鼻梁部位需要進(jìn)行加固處理。

通過統(tǒng)計(jì)不同工況條件下失效部位的最小循環(huán)次數(shù)（見表1），可知在周期性循環(huán)作業(yè)中，改造后的象鼻梁確實(shí)能夠適當(dāng)延長循環(huán)周期，降低起重機(jī)設(shè)備的故障率，并且在相同載荷條件下，幅度越大失效部位最小循環(huán)次數(shù)越小，這也是控制厚薄板厚度參數(shù)的重要原因[5-8]。

表1 不同模擬工況下象鼻梁厚薄板對(duì)接部位疲勞檢測(cè)結(jié)果

3.3 設(shè)置性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了解局部改造設(shè)計(jì)后象鼻梁抗疲勞性能是否有所提升，還應(yīng)設(shè)置性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)裂紋形成循環(huán)次數(shù)N的計(jì)算結(jié)果預(yù)判抗疲勞性能提升幅度。

式中：pi為失效狀態(tài)下循環(huán)次數(shù)；Ni為失效狀態(tài)下每次運(yùn)行循環(huán)周期，min。若N值相比改造前有所增加，則表示抗疲勞性能得到提升。

在象鼻梁局部改造優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，考慮改造后使用厚薄板容易引起對(duì)接處失效，其成因與應(yīng)力循環(huán)作用下疲勞壽命縮短有關(guān)，因此可以嘗試在改造象鼻梁結(jié)構(gòu)時(shí)采用輕質(zhì)化象鼻梁的改造方法，在原有基礎(chǔ)上減輕象鼻梁質(zhì)量，進(jìn)而消除疲勞強(qiáng)度的不良影響[9-12]。另外，可以采用縱向連接方式搭接主梁、前拉桿，用于減小應(yīng)力，提升起升高度，延長設(shè)備使用年限。

4 結(jié)語

門座式起重機(jī)需要從象鼻梁卸扣連接模式、滑輪組樣式、箱型梁結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行局部改造，按照仿真分析模型、疲勞壽命評(píng)估和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證局部改造計(jì)劃的可行性，提升設(shè)備使用的安全性與適用性。