组合式船体肋板拉入机械装置设计与应用.pdf

80材料与工艺 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）作者简介：孙冰妍（1999-），女，在读硕士研究生。研究方向：船舶与海洋工程、机械。于功志（1972-），男，副教授。研究方向：船舶与海洋工程、轮机工程。收稿日期：2022-03-07组合式船体肋板拉入机械装置设计与应用孙冰妍，于功志（大连海洋大学，大连 116023）摘 要：为了满足新的造船规范，提高生产效率，保证船舶产品的精度和质量，设计了一套专用的便捷、高效且不受场地限制并具有广泛适用性的机械装置，操作方便，投资少、见效快。该装置采用了可自由组合的两块工作平台，既可单独作业，又可联合作业，采用液压绞车、声光报警、拉力传感器和系统压力溢流等机电装置，解决了运行稳定、过载保护、变形控制等技术难题，提高船体分段建造质量，缩短建造周期，降低造船成本。本装置可提高造船生产效率和建造质量，可供其它船企参考。关键词：船体；拉入法；组合式；机械装置中图分类号：U671.4 文献标识码：ADesign and Application of Combined Hull Rib Pulling-in Mechanism SUN Bingyan,YU Gongzhi(DaLian Ocean University,Dalian 116023)Abstract:In order to meet the new shipbuilding standards,improve production efficiency and ensure the accuracy and quality of ship products,a set of special,convenient,efficient and widely applicable mechanical device is designed,which is not subject to site restriction,easy to operate,low in investment and quick in effect.On the whole,two working platforms that can be freely combined are adopted in the design,which can work independently or jointly.For the first time,mechanical and electrical devices such as hydraulic winch,audible and visual alarm,tension sensor and system pressure overflow are adopted,which solve the technical problems such as stable operation,overload protection and deformation control.It is not only suitable for the domestic large shipyards,but also suitable for small and medium-sized shipyards in China that are unable to purchase large-scale plane sectional assembly lines.It is not limited by factory premises,improves the quality of hull sectional construction,shortens the construction period and reduces the shipbuilding cost.The research results of this topic can improve the shipbuilding efficiency and construction quality and may also provide reference for the domestic shipbuilding industryKey words:Hull;Pull-in Method;Combined Type;Mechanical Device1 前言中船集团推出建模 2.0作为集团公司 2016 2025 年推进建立现代造船模式的指南，提出持续推进“机械化，自动化，工装化”的三化造船1。在船舶制造方面，大量应用通用和专用机械设备进行船舶制造，创新机械化、工装化造船的研发、应用推广机制，倡导和奖励使用专用工装辅助造船生产，改善作业条件，提高生产效率和产品质量。传统的船体建造方式是在船体结构组立过程中，将船体肋板沿板列垂直方向直接从上向下插入 T 型材与船体内、外壳片体结合，船体肋板与 T 型材面板、腹板的梁孔处，用补板（堵板）做加强处理，这种传统装配方法已不能满足 PSPC 船舶建造规范要求。采用船体肋板拉入工法进行船体肋板装配，可取消传统的补板（堵板）加强结构，减轻船体重量及装配焊接工作量，降低结构焊接应力，并对船体建造各道工序的管理及质量控制提出了更高要求。目前国内各骨干造船厂均在大型平面分段流水生产线上设置 2 4 个肋板拉入工位及 1 个半立体分段拉入工位，并安装数套肋板拉入装置设备及半立体分81GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）材料与工艺段拉入装置设备来实现基于拉入工法的中底分段建造。一套进口完整的大型平面分段流水生产线，一般在7 000 8 000 万元，工位数量约 15 19 个，全线总长约 230 300 m，其船体肋板及半立体分段拉入工位至少 3 4 个，长度约 50 75 m。一般中小型船厂要建立上述全套生产线难度较大，一是投资巨大，二是对现有的正常生产造成重大影响。鉴于存在上述问题，需要研究设计一套专用的便捷、高效且不受场地限制并有着广泛适用性的工装机械装置，以满足新的船舶建造规范和生产需求。2 研制目标（1）研制的船体肋板拉入机械装置必需灵活方便，不受场地限制，既可以用于船体肋板拉入又可实现分段半立体拉入，操作要方便，投资要少，见效要快；（2）液压绞车低速扭矩大，运行稳定，速度、拉力可控，可防止工件变形，提高装配质量。装置拉力、速度可调整和控制并配有声光报警装置，可提示作业者某个区域有卡阻现象，就近处理；（3）采用遥控操作，方便灵活，安全可靠。两套液压泵站可单独控制、联合控制，单、联合控制时拉力及绳速同步性良好，单、联合控制均由在线及无线（遥控）手操作盒控制操作；（4）液压控制系统具备有超压溢流功能，配置压力传惑器、带数显仪表。任意一台机组（液压绞车及液压站和电控）1#或 2#拉入装置超负荷时，必须保证两套系统同时停机保护，并用警示灯显示某个机组过载（防止任意一台拉入装置超载拉入，导致工件及绞车及设备损坏）；（5）液压控制系统中绞车拉力及绞车绳速具备调节功能，配置拉力传惑器、带数显仪表。液压站具有低温补偿功能并自动控温，保证北方冬季-20 能正常启动工作；（6）1#与 2#工作平台的控制信号联接，使用防水坚固型航空插头联接,方便快速拆装联接。船体肋板拉入机械装置设计示意图，如图1所示。图 1 拉入装置设计示意图3 研制内容3.1 工艺研究目前传统的中底分段建造采用肋扳插装法，对各工序质量控制要求比较低，分段建造精度相对比较差，船台合拢中修补量大，工时材料浪费也比较多。（1）传统插装法肋板结构形式插装工法中梁孔开孔宽度约 100，肋板插入 T型材后用补板加强处理，安装施工精度低，补板数量多，焊接工作量大。传统肋板补板节点图，见图 2 所示。图 2 传统补板结构形式（2）拉入法肋板结构形式 拉入法中梁孔开孔宽度小，T 型材与开孔之间的间隙 3，肋板拉入 T 型材后，肋板直接与 T 型材腹板焊接，安装施工精度高，焊接工作量小，节省板材及焊材。拉入法船体肋板骨材连接节点图/，见图 3所示。图 3 拉入法结构形式3.2 机械装置技术要求（1）由于肋板厚度一般在 1015 左右，要求拉入装置具备拉力调整控制功能，防止工件变形损坏；（2）由于半立体分段重量大，几何尺寸大，要求多套拉入小车具备拉力速度同步控制功能；（3）由于半立体分段几何尺寸大，要求控制系统具备在线控制及遥控功能；（4）由于片体尺寸大，实船建造可考虑划分为多个尺寸适宜的片体分段，减少安装重量与安装尺寸，吊装过程中可能变形，要求拉入装置具备变形调整功能；（5）由于不同船型中底结构不同，肋板梁孔 T 型材位置变化大，要求拉入点的出绳位置具备随意调整图 1拉入装置设计示意图图 2传统补板结构形式图 3拉入法结构形式图 4装置结构图示意图图 5液压系统结构示意图图 7装置示意图图8 拉入装置与传统插装法的工时对比图9拉入装置与传统插装法的物耗对比图 1拉入装置设计示意图图 2传统补板结构形式82材料与工艺 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）功能；（6）由于不在大型平面分段流水生产线上布置，要求装置具备场地使用的灵活性和适用性。3.3 机械装置设计方案机械装置结构示意图，见图 4 所示。图 4 装置结构图示意图3.3.1 刚性平台结构设计（1）要求结构合理、强度高、精度高，且具备片体变形调整功能，平台拆装吊装灵活方便；（2）考虑了片体定位功能；（3）考虑了电器系统快速联接功能；（4）由于到拉入分段类型繁多，设计了导向渠,确保适用不同类型分段拉入；（5）考虑了拉入装置现场安装的 1#、2#两块刚性平台快捷组合问题。3.3.2 机械结构设计 由于此装置要完成大型半立体分段的拉入，采用了液压绞车作为主拉入动力驱动装置。（1）液压绞车低速大扭矩，运行稳定，速度拉力可控，可防止工件变形，提高装配质量；（2）拉力、速度可调整控制并配有声光报警装置，可提示作业者某个区域有卡阻现象，就近处理；（3）液压系统采用压力溢流控制技术及每套装置配备拉力传感器,保证两套拉入系统的拉力、速度同步，从而确保半立体分段持续安全可靠拉入；（4）设置绳索定向导向装置及绳索防脱落装置，解决了绳索水平多方向运行的技术难题；（5）设置钢丝绳防护装置,防止刮削，造成损坏更换。3.3.3 控制系统设计考虑到装置要完成大型半立体分段的拉入，需要多人指挥、多人操作、同步性差等缺点，采用无线遥控控制技术为本装置的主控设计：（1）多通道工业级遥控控制系统,单人操作实现多种功能的同步控制功能；（2）拉力、压力输出控制、显示及报警系统,实现速度拉力可控制；（3）在线控制系统为备用控制系统，保证设备操作的可靠性。3.3.4 钢板调平系统设计装置设计为场地拉入法施工，中薄板组成的焊接片体容易出现弹性变形，设计上在两个刚性平台区采用电磁调平系统，解决钢板变形问题。在每个平台上均匀布置 6 块单台吸力达 5 t 的电磁吸盘，两套共 12块总吸力达 60 t,保证片体与平台啮合良好。4 装置设计的关键技术及创新点4.1 关键技术（1）采用了液压绞车、声光报警、拉力传感器和系统压力溢流装置，解决了运行稳定、过载保护、变形控制等技术难题；（2）采用了可自由组合的两块工作平台，可单独作业，也可联合作业，改变了拉入法建造工艺设施需布置在大型平面分段流水线上才能实施拉入法作业的现状；（3）结构简单、紧凑、合理，巧妙采用绳索定向、导向装置，解决了大型平面分段流水线上只能拉入单一类型中底分段难题；（4）采用同步集中控制技术，实现两套绞车同步稳定持续拉入，效率高，减少了操作人员；（5）采用压力溢流技术并配套使用工装拉板，克服了普通拉入装置单绳单点拉入容易导致的肋板零件变形、拉入设备损坏的弊端；（6）采用电磁调平装置，解决了片体吊装转运后产生弹性变形的矫平问题，实现了在任意场地都能够顺利拉入功能，减少大量运输修补工时费用。该装置使用灵活方便，不受场地限制，既可肋板拉入又可实现半立体分段拉入，操作方便，不对平面生产线构成影响，适用于没有投资能力建设大型平面分段流水生产线的中小型造船厂，提高造船质量，缩短分段建造周期，降低造船成本。4.2 创新点（1）采用两个可以组合的作业平台，可单独作业，也可联合作业，灵活方便、不受场地限制,每个作业平台上分别配置带有液压动力系统的绞车；（2）拉入绳索通过每个作业平台的定向、导向装置，将中底分段每个肋位的肋板逐一拉入至指定位置，并可设置两组拉入装置同步控制实现半立体分段的整83GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）材料与工艺体拉入；（3）改变了目前拉入法建造工艺设施需布置在大型平面分段流水线上才能实施作业的现状，实现了一套装置两种拉入功能，投资少、见效快；（4）采用液压绞车作为主拉入装置,液压绞车低速大扭矩，运行稳定，速度拉力可控，可防止工件变形，提高装配质量；液压系统采用压力溢流控制技术，每套装置配备拉力传感器和速度传感器，并配有声光报警装置，保证两套拉入系统的拉力、速度同步，确保半立体分段持续安全可靠拉入。液压系统结构示意图，如图 5 所示；图 5 液压系统结构示意图（5）设计了钢丝绳防脱装置，有效的解决了普通卷杨机拉入装置频繁更换钢丝绳的问题；（6）设计了两套导向渠及导向小车，满足不同肋板及半立体分段拉入工艺要求，实现多功能拉入，占地少、运行距离短、结构简单、造价低；（7）设计了两套液压绞车，分别布置在 1#、2#平台的固定位置，拉入钢丝绳是通过定向滑轮组及导向滑轮组沿各滑轮组水平多点多方向运动，解决了传统绳索滑轮组只能垂直单一方向运行的技术问题；（8）滑轮组水平多点多方向运行必须克服绳索从滑轮槽中脱落，设计了防脱落机构，解决了拉入绳索水平方向多点多方向自由安全运行的技术问题；（9）采用机、电、液、传感器、无线遥控等同步集中控制技术，实现两套绞车同步稳定持续拉入，效率高，减少了操作人员；（10）设计了两种防变形措施：一是液压系统可设定压力溢流，防止拉力过大；二是设计多套防变形拉板工装；（11）设计了电磁调平装置，解决了片体吊装转运后产生弹性变形的矫平问题，实现在任意场地都能够顺利拉入功能，减少大量运输修补工时费用；（12）实现了快速联接，可随时拆卸转运到任意场地内安装。4.3 工作原理在设有拉入导向渠端（3-1）的拉入装置（1）的前端设有 1#平台（1-1）和 2#平台（2-1），在拉入装置的后侧与 1#、2#平台相连接的位置设有 1#动力平台（1-2）和 2#动力平台（2-2）。1#动力平台和 2#动力平台内分别安装有液压绞车和遥控控制系统，在液压绞车上连接有拉入绳索，绳索通过动力平台定向滑轮组及导向渠中的导向滑轮组进行可变位置的灵活拉入。装置示意图见图 6。图 6 装置示意图5 应用实例通过对某 158 000 DWT 原油轮的中底部 203 分段拉入操作试验数据分析，本装置拉入效率高、操作简单方便、节省材料、降低造船成本。5.1 工时比较工人劳动强度降低，生产效率提高，与传统插装法的工时对比数据，见图 7。图 7 拉入装置与传统插装法的工时对比5.2 物耗比较与传统插装工法相比较，可以节省大量补板（堵板）、焊材、板材、打磨砂轮片、磨头等。与传统插装法的物耗对比数据，见图 8。图8 拉入装置与传统插装法的物耗对比（下转第91页）图 7装置示意图图8 拉入装置与传统插装法的工时对比图9拉入装置与传统插装法的物耗对比图 1拉入装置设计示意图图 2传统补板结构形式图 3拉入法结构形式图 4装置结构图示意图图 5液压系统结构示意图图 7装置示意图91GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）材料与工艺理体系的要求定期组织开展工艺执行纪律检查，尽量避免跨越或违反工艺步骤造成质量的监管疏忽甚至管控失效。（2）加强多余物的预防和控制GJB9001C-2017 质量管理体系中，专门要求组织对预防、探测和排除多余物进行规定。详细查阅该型柴油机的修理工艺文件后发现，工艺文件并没有专门规定预防和控制多余物的操作方法和控制措施，也没有设置必要的检查点，修理工人对开展多余物检查的意识较为淡薄；进一步检查发现，舰船修理的相关工艺文件中，均忽视了对多余物的预防和控制，工厂应从工艺设计开发源头加强多余物的预防和控制，在装配、调试、试验、周转等各个环节避免产生错误。（3）规范修理过程记录过程记录如实反映了工艺纪律执行、器材更换、参数测量等修理全过程，是事后开展过程追溯的有效证据。事故发生后，在查阅修理过程记录时，仅能查实部分修理工艺纪律执行情况、关键零部件更换情况和装配试验情况，不能完整再现整个柴油机修理过程，影响了故障排查工作，应从制度层面规范修理过程记录，结合具体工艺文件设计过程记录内容并加大检查力度。（4）加强修理工作环境控制环境因素对产品质量有着直接的关系，不同的机械设备装配环境都各有要求，MTU956 柴油机修理车间的环境要求较高，虽然工厂有专门的修理车间，但各种外部因素可能影响环境，如自然风的扬尖、基建工地的风砂、其他修理车间生产时产生的粉尘等，都可能通过通风口、车间大门、人员的进出车间带入；车间上灰尘的积累、工具工装的不清洁，同样对机器组装质量都有很大的影响。工厂应加强对工作环境要求的识别和控制，逐步改变脏、乱、差的工作环境，尽量将环境因素影响降到最低。6 结语通过拆检和分析，导致此次故障的最大可能是修理过程中未将滤器清洗干净而影响了滑油系统清洁度，因而连杆轴瓦发生异常磨损，最终导致曲轴报废。在修理过程中，修理厂应规范修理过程，补强薄弱环节，避免人为操作失误导致不必要的损失。参考文献1 CB/T3544-1994 船用柴油机曲轴修理技术要求 S.北京：中国船舶工 业总公司，1994.2 CB/T3535-1994船用柴油机主轴瓦、连杆轴瓦修理技术要求S.北京：中国船舶工业总公司，1994.（上接第 83 页）5.3 成本比较全船分段总数 220 个，其中平直分段 129 个，实船施工中均采用组合式船体肋板拉入机械装置施工。据统计，节省工时费用 25.15 万元，节省物耗成本75.78 万元，合计节省成本 100.93 万元。实践表明：大型及超大型原油轮，因其结构形式简单、空间大、钢板较厚，十分适宜采用肋板拉入法制作立体分段。某 158 000 DWT 油轮中底分段的肋板及半立体分段采用该装置取得非常理想的效果，降低了工时、物耗成本，提高了生产效率和产品质量，满足用户的使用要求。6 小结该机械装置适用国内大型船厂，也适用于没有能力购置大型平面分段流水线的中小型造船厂，不受厂房场地限制，具有性价比高、使用灵活等优势。在提高了生产效率和产品质量的同时，大幅度缩短了船体分段建造周期，降低了造船成本，在船型方面能够覆盖散货船、原油轮、集装箱船、矿砂船等，货舱区域有利于实现标准化、模块化作业2，对于船舶建造水平的提高、产品设计及成本减少、工人作业环境改善等具有重要意义3。参考文献1苑淋涵,张英杰.“三化造船”的规划与推进研究J.中外船舶科技,2020 （2）.2 安恩博.船体结构装配工序模型研究及工时计算应用 D.大连理工大 学,2020.3 刘颖.船体分段构件的虚拟装配工艺规划技术研究 D.江苏科技大 学,2013.