港口機械堆高機外滑架異常開裂原因分析及整改方案

祁 鵬

江蘇潤邦重工股份有限公司 南通 226010

0 引言

空箱堆高機是集裝箱運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，用于集裝箱空箱的堆垛和轉(zhuǎn)運，廣泛用于港口、碼頭、鐵路公路中轉(zhuǎn)站以及集裝箱堆場等區(qū)域，具有堆垛層數(shù)高、轉(zhuǎn)運速度快、作業(yè)效率高、機動靈活、節(jié)約場地等特點。空箱堆高機可有效節(jié)約集裝箱堆放場地，還可一機多用，既可做水平運輸，又可進行堆高碼垛、裝卸搬運、拆裝集裝箱作業(yè)等，使用非常方便。

1 空箱堆高機的基本情況

空箱堆高機的動力系統(tǒng)是決定其作業(yè)效率、起重能力的重要因素，通常具有較高動力系統(tǒng)的堆高機普遍采用內(nèi)燃機式機械動力，相應(yīng)的承重范圍較大，機體主要的鋼結(jié)構(gòu)件相對受力強度及尺寸精度要求亦較高。

空箱堆高機的起升裝置主要由內(nèi)滑架、外滑架、升降液壓缸、傾斜液壓缸、集裝箱專用屬具等組成，它通過控制內(nèi)、外滑架之間的升降液壓缸使內(nèi)滑架升降，利用傾斜液壓缸的動作使滑架在一定角度范圍內(nèi)前傾或后仰，以便完成集裝箱的對接和碼放。出于安全因素的考慮，堆高機的操作要求在載物起升和平移搬運時滑架應(yīng)處于最大傾斜角度，而此時傾斜液壓缸與外滑架連接處產(chǎn)生的較大應(yīng)力集中，此區(qū)域內(nèi)應(yīng)力隨所搬運物體的質(zhì)量、行車速度等的增大而增高。材料在交變載荷和沖擊載荷的作用下應(yīng)變、應(yīng)力、強度、剛度等會產(chǎn)生變化。根據(jù)胡克定律，材料在彈性限度內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，當超出屈服極限時會出現(xiàn)疲勞裂紋，故滑架在實際使用中開裂現(xiàn)象頻出。

2 外滑架的主要開裂位置

外滑架的開裂位置主要有2種類型。其中，裂紋位置1如圖1所示，位于最靠近外滑架液壓缸位置的橫梁加強肋板與外滑架工字梁面板的交接處，工字梁的面板產(chǎn)生裂紋。裂紋位置2如圖2所示，位于外滑架液壓缸眼板與外滑架工字梁面板的交接處，工字梁的面板產(chǎn)生裂紋。

圖1 開裂位置1示意圖

圖2 開裂位置2示意圖

3 裂紋產(chǎn)生的原因分析

首先，考慮工字梁面板材料的材質(zhì)等級是否滿足設(shè)計荷載要求，實際使用的材料材質(zhì)是否合格。出現(xiàn)裂紋的外滑架工字梁面板設(shè)計圖選用的是Q420D材質(zhì)，在此可通過選取原材料的試樣進行材料力學(xué)性能試驗，并對照Q420D材料的相關(guān)技術(shù)要求GB/T 1591—2018《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》。試驗的具體數(shù)據(jù)如表1所示。從實際試驗的數(shù)據(jù)對比后可以判定，該原材料材質(zhì)基本符合圖紙設(shè)計要求。

表1 材料取樣試驗數(shù)據(jù)

其次，考慮堆高機的實際工作狀態(tài)是否超負荷、超荷載工作。近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，信息化、電子化、海外淘等購物模式的迅速擴張，加之港口碼頭本身就是受地理條件等限制較多的稀缺資源，物流業(yè)的迅猛發(fā)展給碼頭的運營帶來很大壓力，故碼頭機動物流的主要設(shè)備——堆高機超負荷工作也順理成章。通過對近幾年發(fā)生外滑架工字梁面板開裂的堆高機進行數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計分析，具體數(shù)據(jù)如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，發(fā)生開裂的堆高機集中于港口碼頭裝卸貨使用，且平均日工作時長達12.65 h/d，說明堆高機處于超負荷工作狀態(tài)。由此可見，堆高機長時間連續(xù)的高負荷工作，也是導(dǎo)致其外滑架工字梁面板開裂的誘因之一。

表2 發(fā)生外滑架開裂堆高機的日均工作時長數(shù)據(jù)

最后，考慮的是堆高機實際工作環(huán)境因素。由于港口、碼頭多處于沿海岸線附近的開闊區(qū)域，風(fēng)雨、鹽堿的腐蝕較高，加之集裝箱集散地多為重型卡車頻繁出入的場所，因而路面損壞率非常高，在權(quán)衡運營成本等因素后對路面的維護也不會特別頻繁，故堆高機的工作場地路面不平整實屬常態(tài)。路面的不平整勢必導(dǎo)致堆高機在搬運行駛過程中上下顛簸，加劇了瞬時荷載的沖擊力，故堆高機工作場地的不良是導(dǎo)致其外滑架工字梁面板開裂的誘因之一。

4 整改方案

4.1 針對裂紋位置1的維修整改措施

1）將外滑架有裂紋位置影響維修的電氣設(shè)備進行拆除，同時對表面油污及其他附著的異物進行清洗，清潔干凈后將開裂位置的油漆采用打磨的方式清除干凈。

2）如圖3所示，將裂縫位置的裂紋使用砂輪片打磨成V字形，打磨深度直至裂紋看不見為止。

3）在堆焊操作時，應(yīng)注意焊接位置表面不得潮濕有異物殘渣等，焊接不能在有風(fēng)的地方進行，焊接時的預(yù)熱溫度為150℃～175℃。在堆焊操作時，進行打底焊、中間焊、蓋面焊接前均需視查前道焊縫成形情況，并注意焊后保溫，由紅外線測溫槍測量合格后使用保溫棉對焊縫及周邊的母材作保溫處理，直至其自然冷卻，保溫棉必須覆蓋到位。

4）在保溫處理后，應(yīng)使用榔頭對焊縫周邊板材敲打一遍，盡量讓內(nèi)應(yīng)力釋放。

5）焊后外觀檢查合格且焊接結(jié)束24 h后進行PT檢測，合格后將堆焊位置打磨光順平滑。

6）按照圖3所示位置裝配、焊接加強板。加強板X為橫梁與工字梁拐角的加強肋板，將圓弧加大，使肋板長度延伸至液壓缸眼板中心線之下，確保結(jié)構(gòu)強度加大。加強板Y為工字梁裂縫位置的補充加強板，緊緊貼靠在開裂處的工字梁面板上，以確保工字梁在液壓缸眼板區(qū)域的強度增強。需要注意的是，焊接增加加強板時用千斤頂撐住外滑架左右2根工字梁的內(nèi)開檔，焊后測量2根工字梁的內(nèi)開檔，并測量2個液壓缸眼板整體機加工孔的相對位置符合3 123±5 mm。

圖3 針對裂紋位置1的維修整改措施示意圖

7）另一側(cè)的工字梁也需在對稱位置同樣增加加強板，以確保設(shè)備左右對稱，重心不受改變。

8）清除焊接區(qū)所有焊渣、氣穴，修復(fù)焊接缺陷，焊縫表面外觀打磨處理。

9）重新修補返修位置的油漆。

4.2 針對裂紋位置2的維修整改措施

1）將外滑架有裂紋位置影響維修的電氣設(shè)備進行拆除，同時對表面油污及其他附著的異物進行清洗，清潔干凈后將開裂位置的油漆采用打磨的方式清除干凈。

2）將裂縫位置裂紋使用碳刨方式碳刨成V字形，上口刨至25～30 mm深后，用同樣的方式碳刨反面，深度為10～15 mm，長度為直到看不見裂紋為止。完成后在面板端頭安裝引弧板，引弧板也需同打磨的雙面V形坡口相同，保證引弧板同坡口的長度大于50 mm。

3）在堆焊操作時，應(yīng)注意焊接位置表面不得潮濕有異物殘渣等，焊接不能在有風(fēng)的地方進行，焊接時的預(yù)熱溫度為150℃～175℃，先焊接正面，反面碳刨見白后再堆焊。在堆焊操作時，進行打底焊、中間焊、蓋面焊接前均需視查前道焊縫成形情況，并注意焊后保溫，由紅外線測溫槍測量合格后使用保溫棉對焊縫及周邊母材作保溫處理，直至自然冷卻，保溫棉必須覆蓋到位。

4）在保溫處理后，應(yīng)使用榔頭對焊縫周邊板材敲打一遍，盡量讓內(nèi)應(yīng)力釋放。

5）焊后外觀檢查合格并且焊接結(jié)束24小時后進行UT檢測，合格后拆除引弧板并將堆焊位置打磨光順平滑。

6）按照圖4所示位置裝配、焊接加強板。加強板D為工字梁裂縫位置的補充的U形加強板，緊緊貼靠在開裂處的工字梁面板上，以確保工字梁在液壓缸眼板區(qū)域的強度增強。加強板W為與工字梁面板同厚度的細長條，全融透對接在工字梁面板上，相當于局部加寬的工字梁面板，以確保在局部增加工字梁的強度。需要注意的是，焊接增加加強板時使用千斤頂撐住外滑架左右2根工字梁的內(nèi)開檔，焊后測量2根工字梁的內(nèi)開檔，并測量2液壓缸眼板整體機加工孔的相對位置符合3 123±5 mm。

7）另一側(cè)的工字梁應(yīng)在對稱位置同樣增加加強板，以確保設(shè)備左右對稱，結(jié)構(gòu)強度雖同樣增加但重心不發(fā)生改變。

8）清除焊接區(qū)所有焊渣、氣穴，修復(fù)焊接缺陷，焊縫表面外觀打磨處理。

9）重新修補返修位置的油漆。

5 后續(xù)產(chǎn)品的改進方法

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計上的改進方法

1）通過對外滑架工字梁面板開裂的原因分析，設(shè)計改進時首先考慮了加強工字梁面板的結(jié)構(gòu)強度。由于目前工字梁面板材質(zhì)使用的是Q420D，如果升級Q690材質(zhì)則成本價格相差較大，為2 000～3 000元，故升級材質(zhì)對于產(chǎn)品的成本控制極為不利。鑒于此，應(yīng)優(yōu)選考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計中局部加強液壓缸所在受力集中區(qū)域的工字梁面板結(jié)構(gòu)。根據(jù)對產(chǎn)生裂紋后維修返修產(chǎn)品后續(xù)的使用情況跟蹤，發(fā)現(xiàn)裂紋1位置經(jīng)過加強橫梁與工字梁之間的圓弧加強版后，后續(xù)避免了在圓弧板端頭位置的開裂，并應(yīng)優(yōu)化設(shè)計該圓弧板，使其加大至超過液壓缸眼板中心線。其次，增加對工字梁面板的局部加排，即新產(chǎn)品上增加圖4所示的加強板W，使工字梁面板在液壓缸眼板強受力區(qū)域局部結(jié)構(gòu)變強，從而有效避免了因強度超載而開裂。

圖4 針對裂紋位置2的維修整改措施示意圖

2）考慮液壓缸眼板為第一主要傳導(dǎo)液壓缸頂升、后傾力量的重要零件，在已有設(shè)計中為魚尾形狀的流線型結(jié)構(gòu)，本設(shè)計在此基礎(chǔ)上再次進行優(yōu)化，以便避免對液壓缸力量的傳導(dǎo)發(fā)生應(yīng)力集中的情況，從而有效地規(guī)避后續(xù)結(jié)構(gòu)因應(yīng)力集中超出屈服極限而導(dǎo)致開裂。該零件的改進措施如圖5所示，首先，液壓缸眼板一側(cè)零件端頭增加5 mm×5 mm的倒角，使零件與包角焊線型更加光順流暢。其次，將零件中部波浪形狀位置適當加寬，同時又保持流線型，使魚尾板零件本身強度略有增強。

圖5 魚尾板形狀設(shè)計改進示意圖

5.2 生產(chǎn)制作工藝的改進方法

綜合以往發(fā)生開裂情況的統(tǒng)計，生產(chǎn)制作工藝的改進重點確定為液壓缸眼板相關(guān)裝配、焊接的工藝改進，以確保避免因焊接施工不良導(dǎo)致的隱患，以及盡可能避免增加焊接內(nèi)應(yīng)力的集中。

1）魚尾板零件的裝配工藝改進措施

首先，為了避免裝配點焊質(zhì)量不良給后續(xù)焊接工作質(zhì)量帶來隱患，應(yīng)避免在魚尾板焊縫容易開裂的重要受力位置進行裝配點焊。具體裝配點焊要求為：在魚尾板裝配點焊時，液壓缸眼一側(cè)的端頭留出100 mm位置不可以點焊，如圖6所示。

圖6 魚尾板裝配點焊示意圖

2）魚尾板零件的焊接工藝改進方法

①對板材及焊縫周圍150 mm內(nèi)進行預(yù)熱，要求使用火工用烘槍預(yù)熱，同時用測溫儀對預(yù)熱區(qū)域進行溫度測量，保證材料及焊縫區(qū)域溫度達到150℃以上。

②在焊接時，焊絲選用K-71TLFφ1.2 mm規(guī)格。焊接電流為220～240 A，焊接電壓為30～34 V，焊接速度為360～450 mm/min。

③應(yīng)控制對魚尾板的焊接順序，如圖7所示

圖7 魚尾板焊接順序示意圖

第1步：魚尾板靠近液壓缸眼一側(cè)的端頭優(yōu)先進行包角焊；

第2步：魚尾板靠近液壓缸眼一側(cè)的端頭延魚尾板板厚方向進行堆焊；

第3步：對魚尾板另一側(cè)端頭進行包角焊；

第4步：將魚尾板剩下的未焊接的部分進行平角焊。

④多道焊必須控制層間溫度的范圍為150℃～250℃，溫度不能過高，隨時用測溫儀進行溫度測量。如果層間溫度很高，不能馬上繼續(xù)下一道焊接，可略作停頓再焊接，保證合理的層間溫度。

⑤在焊接后，應(yīng)及時進行多道焊焊道間的清渣處理，防止出現(xiàn)夾渣。一旦出現(xiàn)夾渣則為不合格，按照要求打磨返工處理。

⑥在使用測溫儀測量合格后，應(yīng)使用保溫棉對焊縫及周邊母材作保溫處理，直至自然冷卻，保溫棉必須覆蓋到位。

⑦在做好保溫處理后，應(yīng)使用榔頭對焊縫周邊板材敲打一遍，盡量讓內(nèi)應(yīng)力釋放。

⑧待焊縫完全冷卻后，對焊接區(qū)域做檢查，如不合格應(yīng)及時通知焊接工程師，確定返修方案。

6 結(jié)語

本文對堆高機滑架開裂現(xiàn)象進行了匯總，深度分析了產(chǎn)生裂紋的原因，針對不同的開裂位置制定出對應(yīng)有效維修整改方案，一方面更利于提升快速的維保反應(yīng)速度，減少使用方的停工損失；另一方面也有利于推進對后續(xù)新產(chǎn)品的設(shè)計改進，生產(chǎn)制造工藝的改進，使堆高機的設(shè)計、生產(chǎn)更加完美，同時也進一步降低了制造成本，使產(chǎn)品更具競爭力。