轨道式集装箱起重机箱形梁焊接翻身装置

薛 健 康向飞

无锡华东重型机械股份有限公司 无锡 214161

0 引言

轨道式集装箱起重机是用于吊装集装箱进行堆放、移位的一种大型起重设备，在大型港口自动码头的集装箱堆场内得到了普遍的应用。为满足现代化大型码头的需求，起重机整体机构逐渐向着大型化发展，而自身整体质量也在大幅提高，导致其制造成本不断提升。因此，降低起重机的生产成本、提高产品质量、提升产品的市场竞争力对起重机生产企业来说非常重要。

起重机的主梁、支腿、横梁等均为长条箱形梁结构，各部件因机型不同而大小不同，长度常规达到50 m以上，高度达到3 m以上，质量可达50 t以上。箱形梁由面腹板拼装而成，轨道安装面腹板位置T形钢焊缝都为UT焊缝，其他底部位置角焊缝焊接时也需多次翻身才能保证焊缝的合格率。箱形梁结构的焊缝要求高，多次翻身会降低焊接效率；由于车间本身高度限制，车间内起重机起升高度不够，对大型箱形梁翻身产生了一定限制。另外，车间内箱形梁翻身使用钢丝绳对构件进行捆扎翻身，钢丝绳翻身三四次之后就会出现扭曲断丝现象，从安全考虑需要更换，使得制作成本升高。因此，设计一种大型箱形梁翻身装置，并无码化装配，对提高起重机生产效率，降低生产成本有非常重要的意义。图1为轨道式集装箱起重机箱形梁结构示意图。

1 设计思路

通常，罐体、管道、筒状机构件的厂内制作焊接均已实现半自动化，基本上都是利用电动机带动焊接滚轮架完成自动定速、翻转焊接，既保证了焊接质量，又提高了生产效率。焊接滚轮架是利用主动滚轮与工件间的摩擦轮，带动焊接旋转的变位机械，国内外已形成规模化、系列化生产，可根据用户需求进行定制。在箱形梁制作时，可参考焊接滚轮架进行翻身，提高翻身效率，但满足滚轮架使用的前提是机构件截面外形为圆形。虽然箱形梁外形不能直接使用滚轮架进行翻滚，但可在箱形梁外侧装夹一个装置满足滚轮架翻滚要求。该装置应满足以下要求：1）应具有足够的刚度，满足构件装夹质量不变形，并长期使用及频繁拆卸仍不变形保证使用及安全的要求；2）外形应呈标准圆形，可带动箱形梁在滚轮架上完成圆周运动进行翻身；3）装夹到箱形梁上必须简单方便，满足快速安装要求。

2 具体结构设计

2.1 翻滚支架设计

首先，确定箱梁翻身支架外形为圆形，内部结构为长方形，类似于箱形梁截面结构，整体为一个圆形箱梁结构，用于装夹箱形梁。内部尺寸筛选最大箱形梁的截面尺寸，以最大尺寸确定内部截面2 000 mm×3 800 mm，其中预留夹具空间。

然后，放大确定外圆尺寸，根据结构强度并参考电动托辊架常规尺寸，确定箱梁翻身支架外圆为4 800 mm。根据结构稳定性确定性及电动滚轮架车轮宽度，确定夹具厚度约为400 mm。整个夹具因减重需要，在面板位置开设多个减重孔，降低整个支架的自重。在余量安装夹具位置增加筋板，增强支架整体强度。为安装吊装需要，在支架上下位置开设2个吊装孔，按照箱梁最大100 t计算，按单个支架承重50 t开设吊装孔130 mm，位于端部箱体中间。翻滚支架结构如图2所示。

图2 翻滚支架结构

按照单主梁最重100 t计算，2个支架装夹1根主梁，单个支架受力为50 t，材料选择为Q235，经过受力核算，安全系数为4.1倍，满足强度设计要求。翻滚支架应力分析如图3所示。另外，为了便于安装，支架在中间分成2件，中间采用螺栓连接，采用M24螺栓8.8级20个螺栓两侧均匀分布，受力按照单个支架50 t计算。经过螺栓校核，安全系数为4.25，满足强度要求。

图3 翻滚支架应力分析

2.2 夹具设计

在翻转焊接装置内，起重机箱形梁穿过采用夹紧的方式对结构箱体进行固定，一方面需保证焊接过程中的夹紧牢度，另一方面需要能够适应不同大小的结构箱体的夹紧固定，且要不伤及箱体的母材。

1）结构设计

按以上要求设计了箱体的夹紧装置，在翻身支架内侧矩形空腔内每个面布置2对夹紧工装，对称布置，开档按最小箱形梁高宽度筛选，两侧预留空间。夹紧工作主要由一组螺杆装置组成，最下部为一块底板，焊于翻身支架上，布置螺栓孔，为了便于拆卸用螺栓与夹紧装置连接。底板上为底座，用螺栓连接，底座由连接底板、2块立板、支撑块组成，2块立板是便于另外两侧空出观察螺杆行程，支撑块上布置受力较好的梯形螺纹，底座高度设置为螺杆高度的一半。底座上安装调节螺杆，调节螺杆为对应的梯形螺纹，长度为翻身支架空腔到箱体距离加螺纹预留的安全长度。螺杆一端与压头连接，压头与螺杆连接为转动活动连接，即压头压紧时螺杆可转动。压头外形为圆形，避免压头夹紧在结构箱体上时压伤母材（压头与箱体间可垫橡胶皮保护）。为方便调节螺杆调节高度，调节螺栓上设置调节把手。

在夹紧较小尺寸的结构箱体时，调节螺杆长度不够时（余量螺杆安全长度）可在夹紧装置下端与底板之间设置调整垫块，调整垫块与翻身装置和压紧装置为螺栓连接。根据箱体的大小，可增加或减少调整垫块，单边只安装调整垫块，另一侧安装夹紧装置，根据箱体大小夹紧装置和垫块可自由组合。翻滚支架夹具结构如图4所示。

图4 翻滚支架夹具结构

2）螺杆校核

按照单根主梁最大质量100 t计算，单个装夹支架承重为50 t，一个装夹支架上安装8个螺杆夹紧装置，极限受力时2个螺杆支撑全部质量（考虑侧面夹紧装置夹紧时产生的摩擦力对构件的支撑），则单个螺杆受力为15 t。螺杆采用Tr65×8梯形螺纹，采用45号钢调质处理，螺杆顶部受力，经过受力核算，安全系数为3.0，考虑到侧面其他夹紧装置的摩擦力存在，减轻部分质量，螺杆满足设计强度。夹紧螺柱受力分析如图5所示。

图5 夹紧螺柱受力分析

3）整个翻身装置的工作原理

当起重机箱形梁拼装好后，若需翻身可将翻身工装左右对称安装于箱体上，用螺栓连接成一个圆柱体。箱体两端夹紧在左右对称设计翻身工作的托辊架中，结构纤体的四面有夹紧工装进行夹紧，受力强度需要压头对准隔板位置。翻身工装在翻转过程中，结构箱体不发生位移。图6为翻滚支架装配示意图。

图6 翻滚支架装配示意

2.3 电动滚轮架选型

翻身装置的滚动还需使用电动滚轮架实现，需对市场上成熟的电动滚轮架进行选型。根据制作箱体质量选择最大承重为100 t，工件范围根据翻身装置外径选择4.8～5.2 m，滚轮直径为0.5 m，外包橡皮或聚氨酯，减少翻身冲击及增加与钢结构件滚轮的摩擦力，提高安全系数。滚轮宽度根据翻身装置选择为0.5 m，翻转滚轮线速度安全考虑为6～60 mm/s，电动机功率为2×3 kW。同时，2个滚轮架采用1套控制器，保证2个滚轮架的同步性，还有为安全性考虑，滚轮架的刹车性能需良好，停车后需有机械刹车保险。现场试验如图7所示。

图7 现场试验图

3 结语

通过现有产品大吨位转动刹车、多角度长时间动静载试验，翻身装置满足设计需求，且安全可靠。经过多个产品生产使用，通过了疲劳强度考核。翻身装置投入使用后，装夹简单快捷，不同大小箱体均可通过调节装夹使用，翻身效率大大提高，可满足不同角度箱体焊缝焊接要求，焊缝质量也相应提高。翻身装置的使用提高了生产效率，节约了生产成本，降低了安全隐患。同时，该装置投资小，结构简单，应用范围广，适用于车间起重条件差的箱形梁钢结构制作厂。