6000t/h裝船機(jī)結(jié)構(gòu)制造和總裝技術(shù)研究

倪 國 春

（中船江南重工股份有限公司，上海 200023）

0 引 言

裝船機(jī)是散料碼頭裝船時(shí)使用的大型高效、自動(dòng)化機(jī)械，用于把散料例如煤炭、鐵礦石、糧食等的裝船作業(yè)。隨著散貨海運(yùn)貿(mào)易不斷攀升以及航運(yùn)競爭導(dǎo)致的成本控制需要，對(duì)散貨船噸位、港口設(shè)備包括裝船機(jī)的裝卸能力都提出了更高的要求。目前國內(nèi)秦皇島碼頭和曹妃甸碼頭都可以達(dá)到6000t/h裝載能力，已屬國內(nèi)先進(jìn)水平。同時(shí)，出口的最大裝船機(jī)已達(dá)到12000t/h裝載能力。

1 構(gòu)造及主要參數(shù)

6000t/h裝船機(jī)包括主體和尾車兩部分，主體由門架、行走機(jī)構(gòu)、塔架、臂架及穿梭、溜筒等部件組成，尾車采用直爬式單尾車，見圖1。主要參數(shù)及特點(diǎn)如下：

1) 門架軌道跨度為26m，橫跨5條皮帶運(yùn)輸線，也就是說在同一碼頭運(yùn)輸線下，可以容納5臺(tái)裝船機(jī)同時(shí)作業(yè)，為目前國內(nèi)裝船效率最高的碼頭作業(yè)線；

2) 臂架最大伸縮行程達(dá)21m，可以滿足1.5萬～10萬dwt船舶的裝載要求，適用能力很強(qiáng)；

3) 臂架工作仰角從+15～–12°，可以滿足船舶在不同潮位情況的裝載要求，裝載適應(yīng)性較好；

4) 溜筒可回轉(zhuǎn)±180°，端部拋料彎頭可擺動(dòng)–16～+29°，可以滿足多種船艙的裝料任務(wù)。

圖1 裝船機(jī)結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵制造技術(shù)

2.1 穿梭耐磨軌道板的焊接

穿梭結(jié)構(gòu)的上、下平面裝有四根通長軌道，與臂架導(dǎo)輪在行程內(nèi)走合。上軌道并排裝有齒條，通過裝在臂架驅(qū)動(dòng)裝置上的齒輪與齒條的嚙合，使穿梭結(jié)構(gòu)在臂架框架內(nèi)沿臂架軸線方向做直線運(yùn)動(dòng)，見圖2。

軌道材質(zhì)為 S690QL[1]高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，采用歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN10025-6，最小屈服強(qiáng)度 690MPa，沖擊值 40J/–20℃?？紤]到軌道焊接不同于其他高強(qiáng)結(jié)構(gòu)焊接，為了確保軌道焊接后在強(qiáng)度、硬度、沖擊性能上能夠滿足要求，進(jìn)行了專項(xiàng)焊接攻關(guān)。經(jīng)對(duì)比國產(chǎn)高強(qiáng)度焊條和進(jìn)口焊條后，最終選用了進(jìn)口焊條E11018-G Phoenix SHNi2K100；通過焊接試驗(yàn)，采用小線能量的滴狀熔滴過渡方式，確定焊接工藝參數(shù)見表1。

圖2 臂架和穿梭結(jié)構(gòu)的機(jī)械總成

表1 焊接工藝參數(shù)

在施焊前制定了詳細(xì)的焊接指導(dǎo)書，對(duì)焊前準(zhǔn)備、焊接要求、焊后保溫各方面作了規(guī)定。焊后經(jīng)過無損探傷，焊縫質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 穿梭結(jié)構(gòu)精度控制

穿梭軌道長度34m，圖紙要求制造精度為：上下軌道面尺寸偏差0～–2mm，兩軌道中心距偏差±1mm，導(dǎo)軌上下左右的彎曲度偏差均不大于1mm。

穿梭本身為板梁結(jié)構(gòu)，自身剛度差，通過分析整體制造工藝流程，將其拆解為結(jié)構(gòu)精度控制和機(jī)加工精度控制兩個(gè)階段，以達(dá)到最終尺寸控制的要求。

在結(jié)構(gòu)制造階段采用對(duì)稱組裝、對(duì)稱焊接的制造工藝，以降低框架件組裝的彎扭變形；選擇埋弧自動(dòng)焊對(duì)稱焊接工字型大梁，確保結(jié)構(gòu)件焊后應(yīng)力均勻，變形較小。除了考慮結(jié)構(gòu)件焊接收縮余量外，還增加了軌道板和齒條安裝面的機(jī)加工余量，以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)剛性不足可能導(dǎo)致的尺寸超差。

在機(jī)加工階段，通過工藝措施解決超長軌道面的加工難題?？紤]到穿梭軌道長度較長，機(jī)床無法一刀加工完成的情況，采用了同一基準(zhǔn)、分段校調(diào)、分段機(jī)加工的工藝。首先加工軌道板基準(zhǔn)面，這是軌道面及齒條安裝面加工的基面，伸出機(jī)床行程部分，用激光配合校調(diào)，兩側(cè)水線校至同一平面，確認(rèn)后用鋼針劃出基準(zhǔn)線，再機(jī)加工。超出機(jī)床行程部分，將穿梭件移動(dòng)接刀機(jī)加工。接刀前，根據(jù)已加工的基面和基準(zhǔn)線重新校調(diào)，劃線確認(rèn)后繼續(xù)機(jī)加工。軌道板基準(zhǔn)面加工后安裝軌道，然后用機(jī)床校調(diào)直線度、垂直度，按照前述相同的工藝進(jìn)行導(dǎo)軌面及齒條安裝面的加工，兩個(gè)加工面在同一狀態(tài)銑削加工，以確保形位公差符合要求。單面加工完成后翻身，找準(zhǔn)先前的加工軌道板基準(zhǔn)面重新校調(diào)，并進(jìn)行劃線檢測，采用分段校調(diào)加工反面。

通過兩個(gè)階段精度控制，在最終機(jī)加工完成后，檢驗(yàn)確認(rèn)：尺寸偏差完全滿足了設(shè)計(jì)要求。

2.3 臂架變幅絞車卷筒的平衡試驗(yàn)

臂架變幅絞車卷筒采用鋼板卷制而成，直徑φ1500mm，長度7580mm，壁厚55mm，材料為S355J2。由于在卷筒加工過程中存在制造誤差、機(jī)加工誤差，會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量分布不均勻。卷筒作為剛性轉(zhuǎn)子，工作時(shí)這種不均勻不僅使其支承軸承座承受動(dòng)載荷，產(chǎn)生機(jī)械噪音，而且還引起機(jī)器的振動(dòng)，造成機(jī)構(gòu)的疲勞損壞。因此必須把質(zhì)量分布不均勻控制在允許范圍內(nèi)，通過平衡試驗(yàn)確定卷筒是否符合要求。

設(shè)計(jì)提供的卷筒平衡品質(zhì)為G16，卷筒質(zhì)量m=14282kg，轉(zhuǎn)速n=8.15r/min，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2]計(jì)算可得到許用剩余不平衡量peiU 。

只要卷筒通過平衡試驗(yàn)測得的數(shù)值小于peiU ，則說明卷筒平衡性能可以滿足使用要求。平衡試驗(yàn)在卷筒光面加工后進(jìn)行，按照使用工況，卷筒兩端應(yīng)處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，試驗(yàn)中利用車床夾頭和頂針作為旋轉(zhuǎn)支撐，用來模擬實(shí)際工況，同時(shí)將車床設(shè)置為空擋，以避免車床減速機(jī)的慣性矩參與試驗(yàn)，見圖3。

試驗(yàn)按照規(guī)范采用了單（靜）平衡方法，通過試驗(yàn)測得卷筒的剩余不平衡量為 15kg·m

2.4 塔架法蘭與門架法蘭的對(duì)接措施

塔架為人字形結(jié)構(gòu)，底部與A/B主梁通過法蘭連接。由于塔架四根柱體軸線與門架主梁水平面形成斜角，四個(gè)法蘭面并不在同一平面，因此給安裝帶來了很大的困難，見圖 4。若采用通常工藝，法蘭板配鉆后各自焊接到塔架和門架，最終拼裝時(shí)極有可能造成螺栓孔錯(cuò)位甚至法蘭面對(duì)不齊，造成重大返修。為避免發(fā)生這種情況，經(jīng)過工藝探討，采用先將門架法蘭座與塔架螺栓對(duì)接，再用塔架和門架預(yù)組裝的方式將門架法蘭座焊接到門架主梁，這樣既保證了法蘭面對(duì)接正確，也同時(shí)完成了塔架和門架的法蘭焊接。

圖3 卷筒的平衡試驗(yàn)

圖4 法蘭底座構(gòu)造

首先制作法蘭底座本體結(jié)構(gòu)，底部留50mm調(diào)整余量，然后與塔架法蘭底座配對(duì)，配對(duì)后進(jìn)行栓接端法蘭面機(jī)加工和螺栓鉆孔，完成后用臨時(shí)螺栓全部栓緊，與塔架立柱焊接。接下來分別進(jìn)行門架的組裝和塔架立體組裝。在預(yù)組裝場地上先把門架包括剛性腿、柔性腿、A/B主梁和絞車平臺(tái)按圖紙與行走機(jī)構(gòu)組裝成形，固定后吊裝塔架整體落位，根據(jù)塔架基準(zhǔn)線位置將法蘭底座臨時(shí)定位在門架主梁相應(yīng)位置，按圖紙尺寸割除底座余量后最終落位焊接。焊接檢驗(yàn)后拆除法蘭臨時(shí)螺栓，將塔架分離，這樣塔架與門架的法蘭連接端施工完成，端面和螺孔質(zhì)量得到了充分保證。

2.5 尾車組裝的精度控制

尾車主要包括主臂架桁架、尾車門架以及支撐構(gòu)造。主臂架采用螺栓連接，尾車A門架直接銷接在裝船機(jī)主門架上，尾車B門架與尾車行走機(jī)構(gòu)連接作為支撐。

考察尾車的結(jié)構(gòu)體系，門腿為大跨度門架，主臂架為全螺栓連接的大懸挑空間桁架，結(jié)構(gòu)體剛度差，制造后會(huì)產(chǎn)生較大的變形。采用計(jì)算機(jī)模擬尾車變形后發(fā)現(xiàn)，在自重工況，尾車大梁下?lián)?7mm，尾部下?lián)?8mm；在皮帶壓載工況，大梁下?lián)?1mm，尾部下?lián)?90mm，見圖5。對(duì)此在尾車制造工藝中，門架大梁和尾部桁架根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的下?lián)狭?，在工藝上設(shè)置了預(yù)起拱，以抵消皮帶總裝后引起的尺寸偏差。另外在尾車制造方式上采用立體預(yù)拼裝的方式進(jìn)行組裝，這樣可以確保尾車與門架、行走機(jī)構(gòu)的相關(guān)尺寸。從最終現(xiàn)場安裝情況來看，尾車采用預(yù)起拱工藝和立體預(yù)拼裝工藝，完全滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖5 計(jì)算機(jī)模擬尾車變形情況

2.6 運(yùn)輸和總裝技術(shù)

對(duì)于大型機(jī)械來說，采用整機(jī)駁運(yùn)，整體吊裝無疑是最適合的安裝方式，但裝船機(jī)體積龐大，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及海運(yùn)的海況要求，整機(jī)駁運(yùn)安裝從安全和經(jīng)濟(jì)性來說都是不可取的。通過綜合考慮，采用了分部套運(yùn)輸和安裝的方案。

2.6.1 部套拆分和運(yùn)輸

按照裝船機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分成四個(gè)部套：門架和行走機(jī)構(gòu)、塔架、臂架及穿梭、尾車（見表2）。考慮到尾車長度過長，不便于整體運(yùn)輸和安裝，散裝后到現(xiàn)場整體組裝。

表2 部套參數(shù)

在運(yùn)輸設(shè)備上，采用7000t甲板駁及一艘2648kW全迴轉(zhuǎn)拖輪配合進(jìn)行水上運(yùn)輸作業(yè)。

2.6.2 現(xiàn)場安裝

現(xiàn)場安裝按照門架、塔架、臂架和穿梭、尾車、附屬結(jié)構(gòu)的順序依次進(jìn)行。在吊裝設(shè)備上，根據(jù)裝船機(jī)部件的重量和吊高要求，勘察碼頭到軌道中心跨距尺寸，采用900t浮吊作業(yè)。首先吊裝門架和行走機(jī)構(gòu)，落軌時(shí)主要控制行走機(jī)構(gòu)車輪與軌道中心對(duì)齊，調(diào)定后用鋼絲繩和車輪鐵鞋固定行走機(jī)構(gòu)，以防止漂移。接下來吊裝塔架，法蘭面對(duì)接采用高強(qiáng)螺栓擰到設(shè)計(jì)力矩。臂架和穿梭的安裝是施工難點(diǎn)，先用900t浮吊銷軸連接臂架根部與門架鉸接座，再臨時(shí)連接臂架頭部和塔架頂部。連接完成后移開900t浮吊，采用卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品鋼絲繩的穿繞連接。尾車和輔助結(jié)構(gòu)包括溜筒、扶梯等則采用汽車吊完成。

3 結(jié) 語

在裝船機(jī)的制造過程中，通過工藝摸索攻克了一系列施工難點(diǎn)，獲得了許多重要的工藝方法和工藝參數(shù)，例如高強(qiáng)軌道板的焊接參數(shù)，穿梭制造精度的控制工藝，卷筒靜平衡試驗(yàn)方法，尾車預(yù)拱度的參數(shù)確定方法，大型機(jī)械的運(yùn)輸配載和總裝方案等，對(duì)企業(yè)成套設(shè)備的施工積累了大量工藝資料。

[1] DIN EN10025-6-2009 Hot Rolled Products of Structural Steels-part6 [S].

[2] GB/T 9239.1-2006. 機(jī)械振動(dòng)恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求第1部分：規(guī)范與平衡允差的檢驗(yàn)[S].