45 t 门座起重机顶升方案设计

殷 鹏1 杨文刚2 钱红飚3 王天堉3 姜宏图3
1 大连船舶重工集团有限公司 大连 116021 2 国家工程机械质量监督检验中心 北京 102100
3 大连理工大学机械工程学院 大连 116024

摘 要：针对国内45 t 门座起重机大车行走机构平衡梁裂缝问题。分析平衡梁裂缝产生原因并提出相应的维修方案，并对维修关键技术中的顶升方案设计，采用Ansys 软件对其强度进行了有限元分析，同时对维修前后的平衡梁进行分析并对比。将维修方案应用于实际工程，取得了较好效果。该顶升机构修复方案设计符合工程实际，对工程实践具有一定的指导意义。

关键词：门座起重机；裂纹；平衡梁；顶升机构

中图分类号：TH213.4 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）04-0053-04

0 引言
某造船厂45 t 门座起重机如图1 所示，该起重机结构形式为杠杆滑轮组钢丝绳补偿的单臂架圆筒门架式门座起重机。主要金属结构分为臂架、对重拉杆、对重平衡梁、上转柱、转盘和门架等。在某次检查中，发现门座起重机一侧的大车运行机构上有两个二级平衡梁上与大平衡梁的连接销轴发生转动，造成销轴挡板的螺栓发生剪断的情况，见图2，平衡梁耳板根部出现裂纹，对起重机的安全运行造成隐患，需进行维修。

图1 某45 t 门座起重机示意图

图2 平衡梁连接销轴转动情况

该起重机自重较大，因此平衡梁承受了较大的力，产生了裂纹。在不释放平衡梁受力的情况下不能进行修复和替换损坏的销轴。将二级平衡梁以上部分顶升起来，释放平衡梁受力后对平衡梁进行修复是一种可行且高效的方案。

目前，国内对于平衡梁的顶升方案研究主要使用有限元软件进行分析后提出解决方案。冯华龙等人分析了某卸船机平衡梁的开裂原因，使用千斤顶顶升，对顶升和加固方案进行设计和计算[1]。林继钦等人采用顶升牛腿的方案，应用Ansys 对顶升装置进行建模和计算，进行屈曲校核，现场顶升施工后成功修复裂纹[2]。余士奇等人设计了600 t 龙门起重机行走机构，使用多个液压缸同步顶升[3]。

在本次维修方案设计中，存在两个难点：1）该起重机自重较大，达到719.7 t，平衡梁受力较大；2）顶升位置结构紧凑，没有足够的空间放置液压缸。本文针对这两个难点，提出一种顶升方案。

1 破坏原因分析
1.1 平衡梁连接铰点结构
大车行走机构分两侧，每侧行走机构下配置多级平衡梁并通过销轴进行连接，以确保走轮均匀受压，大车行走机构结构形式如图3 所示。各铰点的连接销轴上设计有直槽，轴挡板插入槽口后用螺栓固定，使得销轴与上级平衡梁不发生相对转动，下级平衡梁则围绕销轴进行相对转动，此外，轴挡板可阻止销轴发生轴向窜动。

图3 行走机构结构形式

1.2 轴挡板螺栓剪断原因分析
根据大车行走机构的结构及受力特点，造成销轴与上级平衡梁发生转动的原因可能为：
1) 受力原因 对平衡梁连接销轴及轴孔结构进行强度校核，发现大平衡梁与门架连接结构处和大平衡梁与中平衡梁连接结构处的剪应力和挤压应力远低于材料许用应力。因此，结构受力不是导致挡板螺栓剪断的原因。
2) 装配精度原因 有两种形式：一是下级平衡梁与销轴配合过紧，导致下级平衡梁带动销轴一起转动；二是下级平衡梁的轴孔圆度或同心度差，导致销轴与轴孔间卡死，从而带动销轴一起转动。销轴相对原始安装位置已产生了转角，说明销轴与上下两级平衡梁间都发生了相对转动，故第二种影响因素的可能性较大。

2 结构有限元分析
采用Ansys 软件，对45 t 门座起重机行走机构中的平衡梁受力情况进行了理论分析。图4 为大平衡梁的应力云图。从校核结果可知，产生裂纹的区域，其计算应力为154 MPa，有较明显的应力集中现象。可知，当起重机运行工况较恶劣时（如大车轨道平直度较差时），会增大该区域产生裂纹的趋势。

图4 大平衡梁受力云图

3 顶升方案设计
3.1 维修原则
1) 改造发生螺栓剪断的销轴结构，轴挡板结构不变，将销轴上的直槽改为周圈回转槽，使销轴的转动没有阻碍；
2) 现场加工磨损的平衡梁轴孔；更换磨损的销轴，并按照改造后的销轴结构及维修后的轴孔尺寸配对制作；
3) 对产生裂纹的结构区域在修复后进行焊接补强结构，补强结构的校核结果应满足起重机工况要求。

3.2 顶升方案
采用顶升使维修处的铰点结构卸力。顶升结构点设置在大平衡梁上，需在大平衡梁结构上焊接一外伸顶升结构，从而创造出了顶升空间，顶升结构形式如图5 所示。使用大、小顶升座和液压千斤顶、机械顶，将大平衡梁顶升起来。

图5 大平衡梁外伸顶升结构形式

3.3 强度分析
应用Ansys 软件对顶升工况下的大平衡梁结构及顶升外伸顶升结构进行受力分析，根据起重机的自重参数，计算两顶升点垂直载荷为分别为117 t，安全系数取1.3[4]。图6 和图7 为顶升结构和修复后平衡梁的应力云图。计算结果显示最大应力为140 MPa，出现在补强结构的角筋板处；最大变形为1 mm，发生在外伸顶升结构连接座处。顶升机构在顶升面附近存在应力集中，局部最大应力超出许用应力值，但不影响实际施工。可知，对比维修前后的平衡梁应力云图，最大应力值有所下降，大平衡梁结构及外伸顶升结构强度均能够满足顶升工况要求。

图6 顶升机构第四强度应力云图（冯氏应力）

图7 修复后平衡梁第四强度应力云图（冯氏应力）

4 施工方案的制定与实施
4.1 工艺准备阶段

对维修作业地的清理和平整工作是保证后序顶升作业安全实施的基础。图8 为维修作业场地的平面布置情况，顶升点设置阴影区，将顶升区域进行平整。顶升区域应保证其具有足够的承载能力，每个顶升点区域的理论承载力不小于120 t，并铺设40 mm 厚的钢板作为支垫以强化基础。

图8 工装摆放平面布置

更换件预制生产及准备工艺辅料后，安装顶升结构，对与施工干涉的走线管及线缆等进行移位。

4.2 顶升平衡梁维修流程
1）利用8 t 叉车摆放顶升装置；检查顶升装置的安全性和可靠性。
2）顶升大平衡梁，使千斤顶承受自重载荷，此时部分车轮踏面略高于轨道面；在液压顶两侧放置保护垫座；回落千斤顶使保护垫座承力。
3）利用16 t 机械顶扶持小平衡梁，保证待维修的铰点轴已卸力，并在对侧车轮下塞入铁楔，防止车轮发生滑移；用筋板封固大平衡梁与中平衡梁，保持两平衡梁相对位置不变。
4）拆卸待维修的铰点轴挡板并清理整修螺纹孔；利用50 t 卧式液压千斤顶拆卸销轴；检查φ 200 轴孔的磨损程度及尺寸。
5）安装镗孔机，以大平衡梁法兰端面为基准，找正原孔轴线；加工磨损的φ 200 轴孔。轴孔的表面粗糙度达12.5 μm，同轴度达8 级精度，轴孔镗圆即可。按镗孔尺寸配对加工销轴，配合间隙控制在0.1~ 0.2mm。
6）回装销轴及轴挡板；检查并保证销轴转动灵活；
7）修磨裂纹区域，保证裂纹完全去除；补焊裂纹区域；研配、焊接补强板；并进行焊后磁粉检查。
8）拆卸平衡梁封固装置；按顶升流程反向操作，保证车轮落轨承载；拆卸所有顶升装置；恢复已移位的原车干涉件；清理结构表面，按原车结构处防护层涂装要求涂漆。

4.3 施工收尾
进行大车空载运行试验，检查平衡梁结构和运行状况。

5 结语
根据上述顶升和维修方案，对门座起重机进行了维修，整个维修工程进展顺利，取得较好的效果。维修完成后对该起重机平衡梁耳板根部、补强结构角筋板处、外伸顶升结构连接座处进行了跟踪监控，经一段时间的作业后没有出现开裂现象。由顶升机构云图可知，部分区域应力较小，顶升结构还存在优化减轻重量的可行性。

参考文献
[1] 冯华龙, 程金龙, 孙斌辉.2500t/h 抓斗卸船机台车平衡梁裂纹修复[J]. 起重运输机械,2015(7):103-108.
[2] 林继钦, 韩益. 桥式抓斗卸船机顶升牛腿的设计计算与应用[J]. 港口装卸,2014(2):7-10.
[3] 余士奇. 蚂蚁岛600t 龙门起重机行走机构铰座更换技术[A]. 中国钢结构协会、国家钢结构工程技术研究中心.2011 全国钢结构学术年会论文集[C]. 中国钢结构协会、国家钢结构工程技术研究中心: 中国钢结构协会,2011:8.
[4] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].