港口机械堆高机外滑架异常开裂原因分析及整改方案

祁 鹏

江苏润邦重工股份有限公司 南通 226010

0 引言

空箱堆高机是集装箱运输的关键设备，用于集装箱空箱的堆垛和转运，广泛用于港口、码头、铁路公路中转站以及集装箱堆场等区域，具有堆垛层数高、转运速度快、作业效率高、机动灵活、节约场地等特点。空箱堆高机可有效节约集装箱堆放场地，还可一机多用，既可做水平运输，又可进行堆高码垛、装卸搬运、拆装集装箱作业等，使用非常方便。

1 空箱堆高机的基本情况

空箱堆高机的动力系统是决定其作业效率、起重能力的重要因素，通常具有较高动力系统的堆高机普遍采用内燃机式机械动力，相应的承重范围较大，机体主要的钢结构件相对受力强度及尺寸精度要求亦较高。

空箱堆高机的起升装置主要由内滑架、外滑架、升降液压缸、倾斜液压缸、集装箱专用属具等组成，它通过控制内、外滑架之间的升降液压缸使内滑架升降，利用倾斜液压缸的动作使滑架在一定角度范围内前倾或后仰，以便完成集装箱的对接和码放。出于安全因素的考虑，堆高机的操作要求在载物起升和平移搬运时滑架应处于最大倾斜角度，而此时倾斜液压缸与外滑架连接处产生的较大应力集中，此区域内应力随所搬运物体的质量、行车速度等的增大而增高。材料在交变载荷和冲击载荷的作用下应变、应力、强度、刚度等会产生变化。根据胡克定律，材料在弹性限度内的应力与应变呈线性关系，当超出屈服极限时会出现疲劳裂纹，故滑架在实际使用中开裂现象频出。

2 外滑架的主要开裂位置

外滑架的开裂位置主要有2种类型。其中，裂纹位置1如图1所示，位于最靠近外滑架液压缸位置的横梁加强肋板与外滑架工字梁面板的交接处，工字梁的面板产生裂纹。裂纹位置2如图2所示，位于外滑架液压缸眼板与外滑架工字梁面板的交接处，工字梁的面板产生裂纹。

图1 开裂位置1示意图

图2 开裂位置2示意图

3 裂纹产生的原因分析

首先，考虑工字梁面板材料的材质等级是否满足设计荷载要求，实际使用的材料材质是否合格。出现裂纹的外滑架工字梁面板设计图选用的是Q420D材质，在此可通过选取原材料的试样进行材料力学性能试验，并对照Q420D材料的相关技术要求GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》。试验的具体数据如表1所示。从实际试验的数据对比后可以判定，该原材料材质基本符合图纸设计要求。

表1 材料取样试验数据

其次，考虑堆高机的实际工作状态是否超负荷、超荷载工作。近年来，随着国内经济的快速发展，信息化、电子化、海外淘等购物模式的迅速扩张，加之港口码头本身就是受地理条件等限制较多的稀缺资源，物流业的迅猛发展给码头的运营带来很大压力，故码头机动物流的主要设备——堆高机超负荷工作也顺理成章。通过对近几年发生外滑架工字梁面板开裂的堆高机进行数据收集统计分析，具体数据如表2所示。由表2数据可知，发生开裂的堆高机集中于港口码头装卸货使用，且平均日工作时长达12.65 h/d，说明堆高机处于超负荷工作状态。由此可见，堆高机长时间连续的高负荷工作，也是导致其外滑架工字梁面板开裂的诱因之一。

表2 发生外滑架开裂堆高机的日均工作时长数据

最后，考虑的是堆高机实际工作环境因素。由于港口、码头多处于沿海岸线附近的开阔区域，风雨、盐碱的腐蚀较高，加之集装箱集散地多为重型卡车频繁出入的场所，因而路面损坏率非常高，在权衡运营成本等因素后对路面的维护也不会特别频繁，故堆高机的工作场地路面不平整实属常态。路面的不平整势必导致堆高机在搬运行驶过程中上下颠簸，加剧了瞬时荷载的冲击力，故堆高机工作场地的不良是导致其外滑架工字梁面板开裂的诱因之一。

4 整改方案

4.1 针对裂纹位置1的维修整改措施

1）将外滑架有裂纹位置影响维修的电气设备进行拆除，同时对表面油污及其他附着的异物进行清洗，清洁干净后将开裂位置的油漆采用打磨的方式清除干净。

2）如图3所示，将裂缝位置的裂纹使用砂轮片打磨成V字形，打磨深度直至裂纹看不见为止。

3）在堆焊操作时，应注意焊接位置表面不得潮湿有异物残渣等，焊接不能在有风的地方进行，焊接时的预热温度为150℃～175℃。在堆焊操作时，进行打底焊、中间焊、盖面焊接前均需视查前道焊缝成形情况，并注意焊后保温，由红外线测温枪测量合格后使用保温棉对焊缝及周边的母材作保温处理，直至其自然冷却，保温棉必须覆盖到位。

4）在保温处理后，应使用榔头对焊缝周边板材敲打一遍，尽量让内应力释放。

5）焊后外观检查合格且焊接结束24 h后进行PT检测，合格后将堆焊位置打磨光顺平滑。

6）按照图3所示位置装配、焊接加强板。加强板X为横梁与工字梁拐角的加强肋板，将圆弧加大，使肋板长度延伸至液压缸眼板中心线之下，确保结构强度加大。加强板Y为工字梁裂缝位置的补充加强板，紧紧贴靠在开裂处的工字梁面板上，以确保工字梁在液压缸眼板区域的强度增强。需要注意的是，焊接增加加强板时用千斤顶撑住外滑架左右2根工字梁的内开档，焊后测量2根工字梁的内开档，并测量2个液压缸眼板整体机加工孔的相对位置符合3 123±5 mm。

图3 针对裂纹位置1的维修整改措施示意图

7）另一侧的工字梁也需在对称位置同样增加加强板，以确保设备左右对称，重心不受改变。

8）清除焊接区所有焊渣、气穴，修复焊接缺陷，焊缝表面外观打磨处理。

9）重新修补返修位置的油漆。

4.2 针对裂纹位置2的维修整改措施

1）将外滑架有裂纹位置影响维修的电气设备进行拆除，同时对表面油污及其他附着的异物进行清洗，清洁干净后将开裂位置的油漆采用打磨的方式清除干净。

2）将裂缝位置裂纹使用碳刨方式碳刨成V字形，上口刨至25～30 mm深后，用同样的方式碳刨反面，深度为10～15 mm，长度为直到看不见裂纹为止。完成后在面板端头安装引弧板，引弧板也需同打磨的双面V形坡口相同，保证引弧板同坡口的长度大于50 mm。

3）在堆焊操作时，应注意焊接位置表面不得潮湿有异物残渣等，焊接不能在有风的地方进行，焊接时的预热温度为150℃～175℃，先焊接正面，反面碳刨见白后再堆焊。在堆焊操作时，进行打底焊、中间焊、盖面焊接前均需视查前道焊缝成形情况，并注意焊后保温，由红外线测温枪测量合格后使用保温棉对焊缝及周边母材作保温处理，直至自然冷却，保温棉必须覆盖到位。

4）在保温处理后，应使用榔头对焊缝周边板材敲打一遍，尽量让内应力释放。

5）焊后外观检查合格并且焊接结束24小时后进行UT检测，合格后拆除引弧板并将堆焊位置打磨光顺平滑。

6）按照图4所示位置装配、焊接加强板。加强板D为工字梁裂缝位置的补充的U形加强板，紧紧贴靠在开裂处的工字梁面板上，以确保工字梁在液压缸眼板区域的强度增强。加强板W为与工字梁面板同厚度的细长条，全融透对接在工字梁面板上，相当于局部加宽的工字梁面板，以确保在局部增加工字梁的强度。需要注意的是，焊接增加加强板时使用千斤顶撑住外滑架左右2根工字梁的内开档，焊后测量2根工字梁的内开档，并测量2液压缸眼板整体机加工孔的相对位置符合3 123±5 mm。

7）另一侧的工字梁应在对称位置同样增加加强板，以确保设备左右对称，结构强度虽同样增加但重心不发生改变。

8）清除焊接区所有焊渣、气穴，修复焊接缺陷，焊缝表面外观打磨处理。

9）重新修补返修位置的油漆。

5 后续产品的改进方法

5.1 结构设计上的改进方法

1）通过对外滑架工字梁面板开裂的原因分析，设计改进时首先考虑了加强工字梁面板的结构强度。由于目前工字梁面板材质使用的是Q420D，如果升级Q690材质则成本价格相差较大，为2 000～3 000元，故升级材质对于产品的成本控制极为不利。鉴于此，应优选考虑结构设计中局部加强液压缸所在受力集中区域的工字梁面板结构。根据对产生裂纹后维修返修产品后续的使用情况跟踪，发现裂纹1位置经过加强横梁与工字梁之间的圆弧加强版后，后续避免了在圆弧板端头位置的开裂，并应优化设计该圆弧板，使其加大至超过液压缸眼板中心线。其次，增加对工字梁面板的局部加排，即新产品上增加图4所示的加强板W，使工字梁面板在液压缸眼板强受力区域局部结构变强，从而有效避免了因强度超载而开裂。

图4 针对裂纹位置2的维修整改措施示意图

2）考虑液压缸眼板为第一主要传导液压缸顶升、后倾力量的重要零件，在已有设计中为鱼尾形状的流线型结构，本设计在此基础上再次进行优化，以便避免对液压缸力量的传导发生应力集中的情况，从而有效地规避后续结构因应力集中超出屈服极限而导致开裂。该零件的改进措施如图5所示，首先，液压缸眼板一侧零件端头增加5 mm×5 mm的倒角，使零件与包角焊线型更加光顺流畅。其次，将零件中部波浪形状位置适当加宽，同时又保持流线型，使鱼尾板零件本身强度略有增强。

图5 鱼尾板形状设计改进示意图

5.2 生产制作工艺的改进方法

综合以往发生开裂情况的统计，生产制作工艺的改进重点确定为液压缸眼板相关装配、焊接的工艺改进，以确保避免因焊接施工不良导致的隐患，以及尽可能避免增加焊接内应力的集中。

1）鱼尾板零件的装配工艺改进措施

首先，为了避免装配点焊质量不良给后续焊接工作质量带来隐患，应避免在鱼尾板焊缝容易开裂的重要受力位置进行装配点焊。具体装配点焊要求为：在鱼尾板装配点焊时，液压缸眼一侧的端头留出100 mm位置不可以点焊，如图6所示。

图6 鱼尾板装配点焊示意图

2）鱼尾板零件的焊接工艺改进方法

①对板材及焊缝周围150 mm内进行预热，要求使用火工用烘枪预热，同时用测温仪对预热区域进行温度测量，保证材料及焊缝区域温度达到150℃以上。

②在焊接时，焊丝选用K-71TLFφ1.2 mm规格。焊接电流为220～240 A，焊接电压为30～34 V，焊接速度为360～450 mm/min。

③应控制对鱼尾板的焊接顺序，如图7所示

图7 鱼尾板焊接顺序示意图

第1步：鱼尾板靠近液压缸眼一侧的端头优先进行包角焊；

第2步：鱼尾板靠近液压缸眼一侧的端头延鱼尾板板厚方向进行堆焊；

第3步：对鱼尾板另一侧端头进行包角焊；

第4步：将鱼尾板剩下的未焊接的部分进行平角焊。

④多道焊必须控制层间温度的范围为150℃～250℃，温度不能过高，随时用测温仪进行温度测量。如果层间温度很高，不能马上继续下一道焊接，可略作停顿再焊接，保证合理的层间温度。

⑤在焊接后，应及时进行多道焊焊道间的清渣处理，防止出现夹渣。一旦出现夹渣则为不合格，按照要求打磨返工处理。

⑥在使用测温仪测量合格后，应使用保温棉对焊缝及周边母材作保温处理，直至自然冷却，保温棉必须覆盖到位。

⑦在做好保温处理后，应使用榔头对焊缝周边板材敲打一遍，尽量让内应力释放。

⑧待焊缝完全冷却后，对焊接区域做检查，如不合格应及时通知焊接工程师，确定返修方案。

6 结语

本文对堆高机滑架开裂现象进行了汇总，深度分析了产生裂纹的原因，针对不同的开裂位置制定出对应有效维修整改方案，一方面更利于提升快速的维保反应速度，减少使用方的停工损失；另一方面也有利于推进对后续新产品的设计改进，生产制造工艺的改进，使堆高机的设计、生产更加完美，同时也进一步降低了制造成本，使产品更具竞争力。