岸邊橋式集裝箱起重機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座優(yōu)化設(shè)計(jì)

范東風(fēng)

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

起升纏繞系統(tǒng)、俯仰纏繞系統(tǒng)、小車?yán)p繞系統(tǒng)是岸邊橋式集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱岸橋)的三大核心纏繞系統(tǒng)，其運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力來源于布置在岸橋機(jī)器房中的三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速箱、鋼絲繩纏繞卷筒、卷筒軸承座、制動(dòng)器等組成，其中卷筒軸承座在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，決定卷筒運(yùn)動(dòng)是否平穩(wěn)，影響岸橋作業(yè)效率。

某型岸橋原有三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座，自2006年使用至今，出現(xiàn)卷筒軸承座焊縫開裂或地腳螺栓斷裂現(xiàn)象，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)卷筒軸承座存在一些問題。為了降本增效，提升產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)原有三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 原有卷筒軸承座問題分析

2.1 原軸承座概述

原有三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座分為上軸承座體、下軸承座體、底座、調(diào)整墊、抗剪塊以及軸承相關(guān)安裝組件(見圖1)。上軸承座體和下軸承座體通過螺柱連接，下軸承座體、底座和調(diào)整墊通過6組地腳螺栓連接。卷筒軸承座承受的剪力主要由抗剪塊承受，彎矩則由地腳螺栓副承受。下軸承座體上部厚板結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，與下面兩側(cè)翼緣板焊接。

1.上軸承座體 2.下軸承座體 3.地腳螺栓副 4.抗剪塊 5.底座 6.調(diào)整墊

2.2 現(xiàn)場(chǎng)問題與原因分析

三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座在碼頭各種復(fù)雜工況長(zhǎng)期作業(yè)情況下基本完好，但在一些大型岸橋尤其是雙起升的岸橋出現(xiàn)了卷筒軸承座結(jié)構(gòu)開裂或地腳螺栓斷裂現(xiàn)象，這些卷筒軸承座開裂具有以下共同特點(diǎn)：①均發(fā)生在牽引式小車驅(qū)動(dòng)卷筒軸承座；②軸承座均承受正反方向的牽引力，即承受交變疲勞載荷作用，屬于疲勞開裂[2]；③卷筒軸承座焊縫開裂位置基本都在厚薄板對(duì)接位置；④地腳螺栓斷裂均在卷筒軸承座底座兩側(cè)最遠(yuǎn)端和靠近遠(yuǎn)端的螺栓位置。

通過對(duì)原有卷筒軸承座現(xiàn)場(chǎng)問題分析，在設(shè)計(jì)上有以下幾點(diǎn)不足之處。

(1)原卷筒軸承座設(shè)計(jì)未能充分考慮軸承座所承受的工況，主起升機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)用卷筒軸承座均承受外力引起的單向拉力，以及拉力引起的彎矩，疲勞工況屬于橫幅應(yīng)力疲勞；而小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用卷筒軸承座則承受外力引起正反2個(gè)方向的拉力，以及正反兩向拉力引起的正反彎矩，屬于交變應(yīng)力疲勞工況。

(2)主結(jié)構(gòu)厚薄板對(duì)接位置處理不好，沒有對(duì)重要位置焊縫提出檢測(cè)要求，實(shí)際制作焊縫不能保證焊接質(zhì)量，無法滿足實(shí)際需要的焊縫強(qiáng)度[3]。

(3)主支架結(jié)構(gòu)未按照力學(xué)分析合理布置，支架兩側(cè)腹板距離不夠大，中間筋板多余。

(4)地腳螺栓分布不合理，受力分布失衡，中間部分地腳螺栓作用不大，外側(cè)地腳螺栓受力過大；地腳螺栓連接孔不具可調(diào)整性，不利于安裝定位和調(diào)整。

3 卷筒軸承座創(chuàng)新優(yōu)化

岸橋三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承座創(chuàng)新優(yōu)化工作主要解決現(xiàn)有軸承座存在的問題，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免再次發(fā)生主結(jié)構(gòu)疲勞開裂或地腳螺栓斷裂，減少維護(hù)成本，同時(shí)考慮軸承座的適用性和普及性，有利于創(chuàng)新優(yōu)化產(chǎn)品在岸橋及其他產(chǎn)品上推廣和應(yīng)用。

3.1 創(chuàng)新優(yōu)化方案

首先從三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工況和軸承座工況分析出發(fā)，理清系統(tǒng)中所有載荷，然后對(duì)各種工況下軸承座整體受力、主結(jié)構(gòu)受力、地腳螺栓受力進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，合理設(shè)計(jì)主結(jié)構(gòu)形式和地腳螺栓布置，確定主結(jié)構(gòu)、底座焊接焊縫形式和要求。同時(shí)向生產(chǎn)單位了解現(xiàn)有軸承座現(xiàn)場(chǎng)工藝、制作和裝配等情況和存在的問題，進(jìn)而對(duì)軸承座進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，設(shè)計(jì)了新的岸橋三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座(見圖2)。

1.上軸承座體 2.下軸承座體 3.地腳螺栓副 4.抗剪塊 5.底座 6.調(diào)整墊

相對(duì)現(xiàn)有軸承座，優(yōu)化后的岸橋三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新。

(1)安裝軸承處厚板形式不同，創(chuàng)新優(yōu)化的軸承座采用圓形結(jié)構(gòu)，不同于原有軸承座多邊形結(jié)構(gòu)；兩側(cè)腹板與厚板連接處定位在軸承中心位置，避免了厚薄板之間的焊縫承受彎矩載荷，減少或避免焊縫開裂機(jī)會(huì)。

(2)主結(jié)構(gòu)取消了中間不承受彎矩載荷的筋板，對(duì)主結(jié)構(gòu)、底座重要焊縫進(jìn)行了合理分布，尤其是厚薄板連接處焊縫，主結(jié)構(gòu)翼緣板和中間腹板同下部底板的焊縫，底座與基礎(chǔ)的焊縫。

(3)根據(jù)受力情況對(duì)軸承座上座和下底座中間聯(lián)接處的調(diào)整墊做了分段處理，減少調(diào)整墊加工面。

(4)軸承座上座和下底座聯(lián)接螺栓孔分別做了2個(gè)方向腰型孔，可以微調(diào)上下座位置；且將聯(lián)接螺栓分布在受力位置，取消了靠近中間位置受力不大的螺栓。

3.2 軸承座有限元計(jì)算分析

為了更準(zhǔn)確反映創(chuàng)新優(yōu)化的三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座受力情況，采用有限元計(jì)算軟件ANSYS中Solid45實(shí)體單元對(duì)卷筒軸承座進(jìn)行實(shí)體建模計(jì)算分析。載荷主要考慮鋼絲繩拉力，拉力按照100 kN計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)果見圖3。

圖3 新型軸承座結(jié)構(gòu)應(yīng)力

從計(jì)算分析結(jié)果來看，創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)的三大機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)卷筒軸承座結(jié)構(gòu)應(yīng)力很小，尤其是厚薄板相接位置。

4 創(chuàng)新優(yōu)化卷筒軸承座的經(jīng)濟(jì)效益分析

創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)的三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座有效解決了原有裝置存在的不足之處，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)明，布置更合理。軸承座上座和下底座中間連接處的調(diào)整墊是非整體式，減少調(diào)整墊加工面加工量。根據(jù)受力分析結(jié)果，取消了不承受彎矩載荷的中間筋板和底座中間筋板，減少材料成本和焊接成本。

創(chuàng)新優(yōu)化的卷筒軸承座可大幅提高三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)裝配效率。原有三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝配時(shí)，需要先找正劃線定位軸承座下底座，預(yù)先點(diǎn)焊軸承座。安裝上軸承座時(shí)找正位置，必須再次調(diào)整下底座的位置，需要刨掉預(yù)焊焊縫，調(diào)整下底座后再次焊接下底座。創(chuàng)新優(yōu)化的卷筒軸承座上座和下底座連接螺栓孔分別做了不同方向的腰型孔。找正劃線定位軸承座下底座直接和基礎(chǔ)完全焊接，安裝軸承座上座時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況可以前后左右微調(diào)位置，減少整體裝配二次劃線，無需破壞焊縫再次焊接，大幅度節(jié)約安裝調(diào)整軸承座的時(shí)間和人工成本，提高安裝準(zhǔn)確度和裝配效率。

目前，創(chuàng)新優(yōu)化的三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座已在國(guó)內(nèi)外岸橋項(xiàng)目上推廣應(yīng)用，有效減少或避免了以后項(xiàng)目的三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂和螺栓副斷裂現(xiàn)象，減少或避免了后期維護(hù)成本。該卷筒軸承座的通用性好，可應(yīng)用到軌道式龍門起重機(jī)和輪胎式龍門起重機(jī)產(chǎn)品上，減少同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)成本。

5 結(jié)語

創(chuàng)新優(yōu)化后的三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卷筒軸承座具有受力合理、工藝性好、裝配調(diào)整方便、綠色制造等優(yōu)點(diǎn)，大幅節(jié)省了設(shè)計(jì)、工藝、制作、裝配及售后維護(hù)的時(shí)間和成本，為全面提高岸橋產(chǎn)品質(zhì)量提供了技術(shù)支持。