船舶模塊進(jìn)艙工裝設(shè)計(jì)

鄭力ZHENG Li

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，葫蘆島 125105）

0 引言

目前中國(guó)已經(jīng)成為世界造船大國(guó)，是全球重要的造船中心之一，但我國(guó)還沒有成為世界造船強(qiáng)國(guó)，當(dāng)前我國(guó)每年的造船完工量主要集中在油船、散貨船、集裝箱船三大運(yùn)輸船型上，科技附加值比較高的船型我國(guó)建造較少，這和我國(guó)船舶工業(yè)科技創(chuàng)新能力和水平與世界先進(jìn)水平存在一定差距有關(guān)，現(xiàn)在我國(guó)船舶工業(yè)在科技創(chuàng)新方面已經(jīng)具備了良好的基礎(chǔ)，需要在繼續(xù)做好引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加大創(chuàng)新力度[1]。而船舶制造具有過(guò)程繁雜、周期長(zhǎng)、多專業(yè)協(xié)同作業(yè)等特點(diǎn)，在船舶制造過(guò)程中，為了縮短制造周期，經(jīng)常在船體結(jié)構(gòu)合攏后再安排舾裝模塊進(jìn)艙，因此在實(shí)際工作中經(jīng)常利用工裝輔助作業(yè)。船舶模塊進(jìn)艙工裝是利用液壓裝置將模塊同步舉升到指定高度，再通過(guò)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)進(jìn)艙定位的的機(jī)械裝置，主要由機(jī)械部分、液壓部分和電控部分組成。

1 設(shè)計(jì)概要

該裝置是根據(jù)甲方所提供的技術(shù)要求等資料，專為船舶模塊進(jìn)艙工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。液壓系統(tǒng)液壓回路采用了疊加及集成油路塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)先進(jìn)、可靠、易于維修。符合GB/T3766-2015《液壓系統(tǒng)通用技術(shù)條件》中的各項(xiàng)技術(shù)要求[2]。進(jìn)艙工裝主要部件包含：各種規(guī)格導(dǎo)軌支撐座、180mm×130mm 導(dǎo)軌、油缸支座、滾柱鏈條、推桿等部件，進(jìn)艙工裝的主要作用是方便水平移動(dòng)進(jìn)艙，兩處頂升均采用4 個(gè)油缸。進(jìn)艙工裝改造是大型非標(biāo)設(shè)計(jì)制造的工藝裝備，主要參照大型非標(biāo)機(jī)械設(shè)備的制造工藝規(guī)程。進(jìn)艙工裝改造的制造工藝規(guī)程主要包括制造工藝路線及制造工藝裝備兩部分。進(jìn)艙工裝改造的制造工藝路線如下：

導(dǎo)軌等零件鍛造——支撐座等部件的焊接——零部件機(jī)械加工——各部件的涂裝——各組成部件裝配——進(jìn)艙工裝整體調(diào)試

第一步工序：鍛造，工裝導(dǎo)軌等零件采用熱鍛造，是在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的鍛造，以改善金屬的塑性，提高工件的內(nèi)在質(zhì)量，使之不易開裂。第二步工序：焊接，進(jìn)艙工裝的支撐座等部件都由型材及鋼板焊接制造。第三步工序：機(jī)械加工，進(jìn)艙工裝的零部件在完成鍛造、以及直接切割下料后，需要按照?qǐng)D紙進(jìn)行機(jī)械加工[4]。第四步：涂裝，進(jìn)艙工裝所有的鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備及所有零部件均須作表面預(yù)處理，底漆為環(huán)氧富鋅底漆，中層漆為環(huán)氧云母氧化鐵（雙組分），面漆為聚胺脂面漆（雙組分）。結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)表面，要求涂環(huán)氧富鋅防銹底漆及環(huán)氧面漆，漆膜附著力執(zhí)行GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》[5]，在裝運(yùn)過(guò)程中，由于摩擦受損壞地方進(jìn)行補(bǔ)漆，使其恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械部分由軌道組件、滾柱鏈條、頂升油缸組件、推進(jìn)桿組件、水平調(diào)整裝置、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。其中，軌道組件是由180mm×130mm 軌道、各種規(guī)格軌道支座組成，各種軌道支座參考機(jī)械圖紙的繪制位置，將相應(yīng)的軌道支座配焊或安裝調(diào)試在相應(yīng)位置處，保證軌道的安全可靠。其中，分別將兩條由31 組滾柱盤單元連接的滾柱鏈條放置在180mm×130mm 軌道上，再將工件放置在滾柱鏈條的情況下，采用推進(jìn)桿裝置推動(dòng)工件的運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行到需要頂升的位置時(shí)，采用液壓油缸頂升的方式升降工件。進(jìn)艙過(guò)程中有兩處需要升降工件，故采用兩套液壓油缸，每套采用4 個(gè)液壓油缸組成。推進(jìn)桿需要兩組，每組由7 根4 米長(zhǎng)推桿組成，在推進(jìn)的過(guò)程中，可以隨著推進(jìn)的實(shí)際行程需要，逐步增加推桿數(shù)量，采用邊推進(jìn)邊裝配推進(jìn)桿的操作方式。

2.1 模塊頂起位置及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊的外形尺寸，4 個(gè)頂升油缸位置布置于模塊的前后四個(gè)角落位置，位置保證頂升后油缸不與現(xiàn)場(chǎng)的工裝等其他結(jié)構(gòu)干涉。

導(dǎo)軌是進(jìn)艙工裝的主要承載部件，導(dǎo)軌的尺寸采用常規(guī)進(jìn)艙工裝的導(dǎo)軌尺寸（180mm×130mm），導(dǎo)軌支撐部件采用鋼板焊接及H 型鋼焊接。

2.2 頂起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

油缸提供的舉升力為F1

P——系統(tǒng)壓力26.5MPa；

D——活塞直徑Φ220mm；

d——活塞桿直徑Φ140mm；

頂升行程設(shè)計(jì)為650mm。

計(jì)算后實(shí)際單個(gè)頂升油缸輸出力F=100 噸，4 個(gè)油缸合計(jì)頂升力為：400 噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于技術(shù)規(guī)格書要求的舉升力，所以頂升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全可靠的。

2.3 頂升油缸的活塞桿強(qiáng)度校核

因?yàn)轫斏透椎幕钊麠U為本設(shè)備的最關(guān)鍵部件，當(dāng)模塊被頂升過(guò)程中，所有的重量都集中在活塞桿上，活塞桿設(shè)計(jì)為Φ140mm 采用45 鋼調(diào)質(zhì)處理，屈服強(qiáng)度為370N/mm2[3]。計(jì)算其承受的剪切力為5692820N，因此計(jì)算可得單個(gè)頂升油缸的活塞桿可以承受569 噸，按安全系數(shù)6 倍為95 噸，4 個(gè)為380 噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模塊的重量，完全可以承受頂升的重量及彎矩。

3 液壓設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要有：液壓油箱及液壓附件、液壓泵站、壓力控制系統(tǒng)、油缸、液壓管路等部分組成。

液壓油泵型號(hào)：高壓柱塞泵：A2F023/61R-VAB05液壓額定壓力：P=26.5MPa

系統(tǒng)額定流量：25L/min

油泵排量：10ml/r

電機(jī)參數(shù)：Y132M1-4；7.5kW；1450rpm

液壓系統(tǒng)推薦使用傳動(dòng)介質(zhì)：N46 耐磨液壓油

油液正常工作清潔度要求：NAS9 級(jí)（NAS1638 標(biāo)準(zhǔn)）

油液正常工作溫度范圍：30℃～60℃

各用電元件電源參數(shù)：

電磁換向閥電壓：DC24V

電機(jī)電壓：AC380V；50Hz

各油缸參數(shù)：

頂升油缸：缸徑220mm，行程650mm

外型尺寸：1150mm×950mm×800mm

3.1 液壓油箱

為使液壓動(dòng)力單元體積小巧，油箱與底座設(shè)計(jì)為一體。油箱內(nèi)部噴塑處理，油箱上設(shè)有上下兩組液面計(jì)、油溫計(jì)、空氣濾清器、進(jìn)油濾清器、回油濾清器、強(qiáng)磁濾油器等液壓附件。油箱上部安裝壓力控制系統(tǒng)集裝板，將液壓泵站安裝在油箱頂面，油箱設(shè)計(jì)有可拆卸式的維修人孔蓋，便于日后維修與保養(yǎng)。為防止因意外泄露油液污染工件，油箱固定在龍門架一側(cè)，而且油箱下方設(shè)有接油盤，正常情況下液壓系統(tǒng)不允許有泄漏和滴漏現(xiàn)象存在。

3.2 液壓泵站

泵站部分為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，提供整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力和完成對(duì)傳動(dòng)介質(zhì)的儲(chǔ)存以及諸如清潔度控制、壓力控制等功能。泵站主要包括：容積為500L 油箱、一組高壓柱塞泵機(jī)組和一組控制油路，設(shè)定系統(tǒng)壓力的調(diào)壓閥組、空濾器、吸油濾油器、回油過(guò)濾器、溫度變送器、液位溫度顯示計(jì)等組成。

液壓站的液壓油泵采用“力士樂(lè)”定量柱塞式油泵，電機(jī)采用ABB 優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，采用AC380V，50Hz，4 級(jí)電機(jī)，1450 轉(zhuǎn)/分鐘。液壓動(dòng)力單元的使用壓力為：26.5MPa。本液壓泵站具有完善的監(jiān)測(cè)和保護(hù)元件，如系統(tǒng)回油濾油器堵塞發(fā)訊器，保證油液的清潔度，提高系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)元件和油液的壽命。

3.3 壓力控制系統(tǒng)

壓力的控制采用電動(dòng)方式：電磁閥控制。系統(tǒng)附帶保證系統(tǒng)壓力安全的溢流閥，溢流閥設(shè)定壓力可以調(diào)節(jié)。油缸具有保壓功能，保壓功能的平衡閥組安裝在油缸上，確保安全。電磁閥及溢流閥均固定在專用的閥板集成塊上，閥板集成塊采用專用特殊工藝設(shè)計(jì)，采用加工中心制造，表面鍍鎳處理。液壓閥采用疊加閥，采用榆次油研液壓產(chǎn)品。

3.4 油缸

油缸的密封件采用進(jìn)口“寶色霞板”元件。油缸缸筒材料為27SiMn，缸筒內(nèi)壁的表面粗糙度不低于Ra0.4，缸筒內(nèi)徑選用H8 配合，表面粗糙度為Ra=0.4～0.1μm，且需珩磨，缸筒內(nèi)徑的圓度和圓柱度選取8 級(jí)精度，缸筒端面的垂直度選取7 級(jí)精度。活塞桿的材料為45#碳素鋼，熱處理調(diào)質(zhì)HB=235，球面 SR240，表面進(jìn)行淬火，硬度HRC40～45，活塞桿表面須鍍硬鉻，鍍層厚度在精磨后為30～50μm，銳邊倒鈍，表面粗糙度為Ra=0.4μm。活塞的材料為45 號(hào)碳素鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)，活塞外徑的圓柱度公差值為9 級(jí)，鍍鉻后精磨厚度應(yīng)保留30～50μm，銳邊倒鈍。油缸正常使用壓力為26.5MPa。出廠前進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為P=1.25X 公稱壓力。液壓缸在此時(shí)不得有破壞和永久性變形等異常現(xiàn)象。油缸耐壓試驗(yàn)必須經(jīng)過(guò)業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收。油缸裝配前應(yīng)對(duì)各零部件進(jìn)行嚴(yán)格檢查，其粗造度和尺寸精度是否滿足圖紙技術(shù)要求，并用輕柴油或金屬清洗劑仔細(xì)清洗，用壓縮空氣吹干，然后涂上液壓油再進(jìn)行裝配，裝配時(shí)注意防止鐵屑及各種臟物進(jìn)入其中。

3.5 液壓管路

液壓管路的硬管采用1Cr18Ni9Ti 不銹鋼冷拔無(wú)縫管制作，焊接式管接頭，接頭焊接采用氬弧焊焊接。運(yùn)動(dòng)部件油缸與液壓系統(tǒng)之間采用高壓液壓軟管連接。

4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)采用電控柜集中安裝方式，電控柜安裝的液壓站旁邊，為了平衡重量。主要電氣元件如斷路器、接觸器、繼電器等全部采用進(jìn)口“施耐德”產(chǎn)品。頂升、橫移、油泵開關(guān)等動(dòng)作均可以單獨(dú)控制，操作通過(guò)操作面板操作。電源電纜長(zhǎng)度為30 米。

電控系統(tǒng)的控制原理參見圖1：控制界面輸出指令（位移/速度/力等），伺服比例閥相應(yīng)開度，油缸根據(jù)指令運(yùn)行并將運(yùn)行參數(shù)通過(guò)（位移/速度/力等）傳感器反饋到主控制器來(lái)修正伺服比例閥的輸入信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成大閉環(huán)，達(dá)到精確控制油缸的目的。多缸同步控制是采用英國(guó)翠歐多軸同步控制器：控制器給出一個(gè)虛擬軸的運(yùn)行參數(shù)，比如速度參數(shù)，工作油缸都以此參數(shù)為目標(biāo)值并根據(jù)上述原理實(shí)時(shí)修正、運(yùn)行。液壓閉環(huán)同步控制等都是這個(gè)原理。理論上N 缸同步都無(wú)所謂，控制原理都一樣。控制精度取決于所采用的伺服閥、傳感器以及編程品質(zhì)等。我們采用的是ATOS高頻響伺服比例閥，所謂高頻響主要是響應(yīng)快，針對(duì)本案也就是修正實(shí)際運(yùn)行參數(shù)快（10 毫秒內(nèi)）。

圖1 控制框圖

模塊垂向、橫向、縱向液壓調(diào)整系統(tǒng)可以在任意位置自鎖，四個(gè)液壓缸動(dòng)作方式可以選擇單獨(dú)動(dòng)作，也可以選擇同步動(dòng)作，調(diào)整精度0.2mm。

控制系統(tǒng)帶有人機(jī)交互界面，可以選擇液壓缸的舉升方式、設(shè)定升降距離、液壓缸升降到設(shè)定的距離可以自動(dòng)停止，在升降過(guò)程中，可以通過(guò)界面隨時(shí)停止液壓缸升降，界面應(yīng)可以實(shí)時(shí)顯示四個(gè)液壓缸的升降量，也可以顯示另外4 個(gè)橫移油缸的位移量。

電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)帶腳輪可以移動(dòng)的臺(tái)車式操作控制裝置，觸摸屏為12 寸，觸摸屏外面帶防護(hù)罩，液壓站與電控系統(tǒng)的電纜采用插頭式連接，控制器及擴(kuò)展模塊采用英國(guó)翠歐產(chǎn)品，其他低壓電器元件（如空氣開關(guān)、接觸器、過(guò)載保護(hù)器、繼電器等）采用施耐德產(chǎn)品。

5 結(jié)語(yǔ)

船舶模塊進(jìn)艙工裝整體布局如圖2 所示。設(shè)計(jì)中頂升力設(shè)計(jì)實(shí)際為400 噸，遠(yuǎn)大于技術(shù)要求；頂升行程為650mm，頂升的調(diào)整精度為0.2mm，模塊進(jìn)艙工裝樣機(jī)液壓調(diào)整裝置的外形尺寸設(shè)計(jì)在充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)空間狹小的前提下，最大限度的縮小了外形尺寸，保證整體剛性和承載的安全性、可靠性，以上設(shè)計(jì)完全滿足《模塊進(jìn)艙工裝樣機(jī)液壓調(diào)整裝置工作要求》。

圖2 工裝整體布局

進(jìn)艙工裝在制造完畢后，需要組裝調(diào)試，調(diào)試后需要按照進(jìn)艙工裝行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)進(jìn)艙工裝進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)收。進(jìn)艙工裝是用于筏架進(jìn)艙的關(guān)鍵工藝裝備，加工及裝配質(zhì)量直接關(guān)系到筏架后續(xù)工藝的質(zhì)量，筏架的要求嚴(yán)格，精度要求較高，因此對(duì)于進(jìn)艙工裝的精度要求也同樣比較高。對(duì)進(jìn)艙工裝改造后進(jìn)行檢驗(yàn)非常必要和必須，檢驗(yàn)的目的就是要保證進(jìn)艙工裝符合工藝技術(shù)要求，在達(dá)到精度要求的前提下才能完成對(duì)筏架的進(jìn)艙工藝技術(shù)要求。