轨道式集装箱门式起重机模块化制造技术研究与应用

陈 喜

上海振华重工（集团）股份有限公司南通分公司 南通 226000

0 引言

随着国内外内陆铁路集装箱货运集散中心的兴起，内陆集装箱堆场对轨道式集装箱门式起重机（以下简称轨道吊）的需求量日益增大，受内陆运输特点以及条件的限制，内陆堆场的轨道吊无法整体运输，必须以零部件形式到货，在用户堆场完成组装。因此，轨道吊龙门架各零部件的模块化设计与制造成为了轨道吊产品新的改进方向。

为适应市场需要，将轨道吊各结构作为单独的零部件发货，在用户堆场进行搭积木式的安装，各结构连接位置用真法兰形式，并通过螺栓将各结构组装成龙门架整体。按照常规工艺方法，以零部件形式发货的轨道吊项目通常是采取真法兰假做的生产制造及安装方法。龙门架各结构间虽为真法兰连接，但在制造时是将各连接处的2片法兰通过螺栓两两组合成一片法兰再进行焊接拼装，当一个堆场有多台轨道吊时，相同轨道吊之间的龙门架各零部件结构不具备互换性，只能一一对应组装。如在发货过程中标识不清或分批发货时未按理想顺序到货，则会使现场组装工作变得十分困难，等待周期延长，二次搬运工作量加大。为了能够实现真法兰真做当方法，使各零部件的制作进入模块化制造，在制造工艺上需作出相应改进，并设计相应的工装设备，才能确保轨道吊模块化制造顺利实施。

为此，对某轨道吊真法兰连接形式的龙门架结构的制造技术进行优化改进，优化了生产工艺流程，针对不同零部件设计可通用的工装平台对制造精度进行控制，成功实现了相同零部件间的互换组合安装，为轨道吊模块化制造打下了基础。

1 基本情况及龙门架结构组成

某内陆堆场轨道吊以零部件对形式发运，要求将轨道吊龙门架分为多个零部件发往用户的堆场进行组装。该龙门架主要零部件包括主梁（2件/台机）、上横梁（2件/台机）、支腿（4件/台机）、下横梁结构（2件/台机）等，如图1所示。

图1 龙门架结构组成示意图

2 总体思路

真法兰真做工艺新方法的主要思路为：在龙门架中的零部件制作阶段将主梁、上横梁、支腿、下横梁几个结构单独进行制作，并将各连接部位的法兰按照施工图直接下料加工成形；在主梁、上横梁、支腿、下横梁的制作过程中按照不同结构特点分别控制结构的尺寸以及放置修割余量；最后在法兰安装时通过设计的工装平台保证法兰安装的精度，通过工装平台的辅助可大幅提高法兰的安装效率和质量，从而保证现场组装的顺利进行。在对生产工艺流程优化改进后，省略了旧生产工艺过程中的龙门架零部件之间的拼装焊接过程，大大减少了利用起重机械的吊装工作，从而大幅缩短了每一台轨道吊的制作周期和成本，模块化制造优势初步显现。

3 龙门架各零部件制造关键技术

3.1 主梁制作工艺

3.1.1 法兰模板下料尺寸精度控制

在零件机加工时，将主梁上的真法兰平面以及法兰上的螺栓孔加工到位。为了保证各法兰板螺栓孔、平面、自由边等的加工精度，针对上横梁与主梁的连接位置、支腿与主梁的连接位置、支腿与下横梁的连接位置、下横梁与大车的连接支架位置等，根据不同的尺寸、规格分别设计制作相对应的法兰划线加工模板，用于配钻螺栓孔以及加工平面、自由边，以保证加工的法兰零件具有随机互换性。在法兰加工时，精确控制法兰板的外形尺寸、自由边与法兰十字中心线平行度、平面度、对角线偏差、螺栓孔尺寸精度、表面粗糙度等，法兰4个角位置设置定位用的铰点孔，精度要求按一般孔轴加工精度的要求控制作为重要质控点，并对应制作4根定位销轴，以保证每一片法兰在安装时利用定位销轴保证法兰的组合精度，如图2所示。

图2 法兰加工模板制作示意图

3.1.2 主梁结构尺寸精度控制

主梁常见的结构形式有两端不带悬臂的中心对称结构、一端带悬臂的非中心对称结构、两端带悬臂的对称结构等，通常对称结构的受力相对较好，制作时尺寸精度、修割余量放置等方面相对容易控制。本文以一端带悬臂的非中心对称结构为例，说明主梁在制作时需要考虑影响法兰安装精度的因素。

主梁为整个龙门架结构中类似桥梁的结构，支腿则作为桥墩，一般桥梁都设有上拱度，上拱可以在一定程度上提高刚性以及减小运行中机构对桥梁产生的向心力。因此，主梁结构在制作成形后并非呈直线形箱体结构，为保证主梁能在承受静载、动载荷的共同作用下不出现下挠，要求主梁结构制作成形后呈一定的上拱，该拱度值随龙门架两侧支腿距离的大小而对应取值大小。一端带悬臂的非中心对称主梁在结构制作时，悬臂部分也应呈直线向上形成一定坡度，以增强其结构在运行载荷作用下具有一定的刚性。一般龙门架两侧支腿距离范围大致为25～30 m。图3以支腿中心距（即轨距）28 m计算一端带悬臂的非中心对称主梁成形拱度值，并在此拱度下考虑主梁与支腿连接处法兰安装位置如何放置修割余量，具体拱度曲线如图3所示。

图3 主梁拱度曲线示意图

在设置拱度时，以支腿中心线以及主梁箱体内对应的隔板位置设置起点、零点、中间点、终点等为横坐标计算拱度值，横坐标选点时应从便于在实际制作过程中的胎架设置以及便于测量控制2方面考虑，具体数据如表1所示。主梁拱度在下料到上胎架制作状态下拱度值最大，制作成形后在自身质量作用下挠拱度值将减小，制作成形撤除胎架后，以2处支腿中心线为支撑点测量主梁拱度值应接近或达到表1（与图3对应）所示拱度值数据，两侧支腿中心线中间点处最高点的偏差范围为≤（28）±5 mm。

表1 主梁箱体隔板位置拱度数据 mm

在主梁自重状态下，受制作时对结构放置拱度的影响，主梁与支腿连接端2处下伸出的箱体端口位置尺寸偏差应根据经验预置一定的修割余量进行调整，以及距端口边缘500 mm以内的箱体焊缝应采取点焊形式固定，在法兰正确定位安装到位后再焊接此处500 mm以内为焊接的箱体焊缝，如图4所示。

图4 主梁支腿连接处修割余量示意图

主梁与上横梁连接位置的法兰安装不受主梁制作时拱度影响，法兰安装工艺方法与上横梁、支腿法兰安装工艺相同。主梁与上横梁连接端口预置50 mm修割余量，距端口300 mm以内的箱体焊缝采取点焊形式固定，在法兰通过工装平台定位安装到位后再完成端口300 mm以内箱体焊缝的焊接。主梁与上横梁连接位置的法兰在单根主梁制作成形后划线修割端口余量，通过工装平台定位安装法兰并控制其安装尺寸精度，可参照支腿安装法兰工艺方法进行安装制作。

3.1.3 主梁法兰安装尺寸精度控制

当主梁、上横梁结构分别制作完成后，可在外场组装成主梁门框组件，检验组装数据控制在误差范围内，同时检验法兰装配焊接工装平台数据，要求轨距误差≤±5 mm，基距控制范围为-6～0 mm，对角线误差≤5 mm，如图5所示。如果尺寸符合工艺要求，先将加工制作好的法兰用螺栓固定在法兰装配焊接工装平台上，法兰四周焊接定位块，确认法兰固定牢固后再将主梁组件吊装在法兰装配焊接工装平台，如图6、图7所示。检查主梁4处法兰是否在同一水平面，控制主梁与法兰最大间隙在1 mm范围内，复测法兰对角线尺寸误差≤5 mm。各关键工序尺寸检测合格后进行焊接，焊接时应遵循先焊内侧再焊外侧、先焊短边再焊长边的原则，具体焊接顺序为：①→②→③→④，如图8所示。每个法兰位置应由2名焊工同时对称作业，焊接时控制好层间温度，层间温度过高、热变形大易导致焊缝强度变低、法兰焊接变形。当焊接完成24 h后，再次复测主梁组件轨距、基距、法兰对角线等数据，以及测量主梁下法兰平面度。通过法兰装配焊接工装平台的设计应用，以及焊后对法兰板平整度适当的校正，完全能够将法兰平面度以及4个法兰对角线的尺寸控制在误差允许范围内。

图5 主梁门框法兰装配焊接工装平台尺寸布置示意图

图6 主梁门框法兰装配焊接工装平台

图7 主梁门框吊装至工装平台

图8 主梁门框法兰尺寸及焊接顺序示意图

3.2 上横梁与支腿制作工艺

上横梁与支腿上的法兰下料加工工艺与主梁法兰下料加工方法相似，只在箱体以及法兰尺寸方面有所区别。在箱体两端预置的修割余量及箱体预留点焊焊缝长度均采取相同的方法。下横梁与支腿结构形式相近，法兰均安装在箱体两端，故设计1套工装平台可共用于上横梁与支腿的法兰安装。上横梁为标准的矩形箱体结构，结构相对简单，支腿为变截面矩形箱体。

支腿结构箱体在制作时两端一般预置50 mm修割余量，距离两侧端口位置300 mm箱体焊缝应采取点焊的形式进行固定，在支腿整体制作成形后先划线修割箱体两端余量，同时将加工制作好的法兰用螺栓固定在法兰装配焊接工装平台上，法兰的4个角利用定位销轴以及四周自由边用定位块贴紧，保证两边法兰的平行度，防止错边。法兰固定好后检查法兰焊接工装平台尺寸，要求开档控制范围为-2～+1 mm，2个法兰的垂直度控制在1 mm以内，如图9、图10所示。将支腿吊装至法兰装配焊接工装平台，吊装到位后复测开档及垂直度。各关键工序尺寸检测合格后进行焊接，此时可将支腿两侧端口300 mm以内的箱体焊缝完成焊接，支腿与法兰焊接时遵循的原则与主梁法兰焊接相同，具体焊接顺序为：①→②→③→④，如图11所示。当法兰焊接完成后，对法兰加强筋位置进行1次火工加热，释放焊接应力。在焊接完成24 h后，复测支腿构件数据，测量支腿法兰平面度，法兰与箱体中心线的垂直度，局部尺寸超出误差允许范围内的需进行校正，确保法兰安装尺寸控制在误差允许范围内，并做好测量数据的记录。

图9 支腿法兰装配焊接工装平台

图10 支腿吊装至法兰焊接工装平台

图11 支腿法兰尺寸及焊接顺序示意图

3.3 下横梁制作工艺

下横梁的结构形式与主梁、上横梁以及支腿的结构形式不同，下横梁结构中的法兰并非为独立法兰形式，其法兰构成箱体的面板，分为上下面板法兰。下面板法兰与大车连接支架连接，上面板法兰与支腿法兰连接。当结构零件下料时，下面板与大车连接支架连接的法兰面板根据法兰加工模板加工成形后安装，上面板与支腿法兰连接位置的法兰面板采用加厚、加宽的板材下料，在未机械加工的状态下安装，并对板材厚度预留加工余量。一般板厚预置5 mm机械加工余量，待整体制作成型后再整体划线加工厚度余量。一般地，要求下横梁箱体成形后上面板法兰对应的支腿中心线偏差≤2 mm，下面板对应的大车连接支架基距偏差范围为-6～0 mm，如图12所示。

图12 下横梁上面板法兰机械加工余量示意图

由于下横梁与大车连接支架连接的下面板已完成机械加工，具有较高的平面精度，下横梁在制作过程中一般以与大车连接支架连接的下面板为基准制作，并在制作过程中重点控制下面板的平面精度等尺寸。下横梁制作成形后整体划线，以下面板法兰为基准划出上面板法法兰平面厚度加工余量，最后通过龙门铣加工平面（见图13），根据法兰加工模板配钻螺栓孔，以保证加工的法孔具有互换性。在法兰加工时要求控制法兰板的外形尺寸、平整度、螺栓孔尺寸，保证加工精度符合尺寸偏差控制要求。

图13 下横梁法兰加工示意图

3.4 龙门架组装检验

为了验证法兰，先下料加工成形后通过工装设备控制安装精度，以实现龙门架各零部件模块化的制作要求。在多台同机型的轨道吊项目中，随机选择零部件组装了1台龙门架，如图14所示。通过实际组装试验检验各零部件在各自制作环节的关键工序方面，尺寸控制完全符合要求。

图14 龙门架组装吊装示意图

4 偶发性问题及其解决方法

轨道吊采用模块化制作的方法，在多台设备组装过程中，偶尔会出现主梁与支腿连接位置法兰贴合面局部间隙超差＞1 mm，如图15所示。存在间隙主要在法兰自由边上，通过原因分析可知，出现贴合面超差的主要是累积误差叠加影响产生的结果。不同区域的缺陷处理方法有：

图15 主梁与支腿连接法兰间隙示意图

1）对于法兰1、法兰2、法兰3仅在法兰边缘有间隙超差的区域可利用千斤顶将上下法兰压紧贴合，再局部火工校正。

2）对于法兰4在法兰面积约1/3有间隙超差的部分则通过火工校正的方法消除缺陷。

5 结束语

轨道吊项目采用真法兰真做的工艺方法，从工艺流程上减少了龙门架组装吊装作业，从产品质量上提高了法兰制作安装精度，方案的成功实施标志着轨道吊模块化制造工艺技术在实践中可行。同时，该项工艺技术也在后期项目中继续进行试验、探索以及改进，针对不同型号规格的轨道吊产品进一步设计与其的相适应的工装平台设备，全面推广模块化制造，将企业的成本控制、生产效率都会有显著提高。