水下沉船打撈裝置的弧形梁加工工裝及工藝

周軼赟，張鳳武，李忠杰

上海電氣核電集團有限公司 上海 201306

1 序言

“長江口二號”古沉船位于長江入海口處的海床下，被海底淤泥整體覆蓋。為了開展古沉船的保護工作和文物考古工作，須完整地保護好整條古船及船上的各類文物。因此，在打撈整個古沉船的過程中，為使其不被損壞，采用了世界首創(chuàng)的非接觸式整體打撈古沉船的方式[1]。作為整個打撈沉船過程中的關(guān)鍵打撈設(shè)備，該裝置主要由兩側(cè)的端板、頂梁、始發(fā)機架和弧形梁等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下沉船打撈裝置結(jié)構(gòu)示意

在打撈沉船時，弧形梁部件將預(yù)先安裝在發(fā)射架內(nèi)部，在始發(fā)機架內(nèi)的電動機帶動齒輪，推動弧形梁沿著始發(fā)機架的圓弧齒條和圓弧滾輪面進行回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)運動，穿過了整個古沉船的底部，若干個弧形梁相互連接成了一體，并包裹住了整條沉船，弧形梁之間的連接結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。最后，通過起吊梁，將所有弧形梁連同沉船一起從水下打撈出水。

圖2 弧形梁連接結(jié)構(gòu)示意

2 弧形梁部件介紹

弧形梁部件為大型弧形梁鋼結(jié)構(gòu)焊接件，材料Q355B，呈半圓形結(jié)構(gòu)，直徑約20m，弧形梁的橫截面為矩形框架梁結(jié)構(gòu)，橫截面外形尺寸約1m×2m，本裝置共有20多個同樣尺寸規(guī)格的弧形梁，弧形梁部件的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 弧形梁部件結(jié)構(gòu)示意

3 加工制造精度要求

為了保證整個弧形梁能夠順利地運行工作，加工制造上對弧形梁加工制造精度要求就非常高，要求焊接后，內(nèi)外圓弧、上下平面的尺寸公差和幾何公差須控制在±5mm以內(nèi)；機械加工后，內(nèi)外弧滾輪槽的圓弧直徑尺寸精度和上下平面弧板公母鎖扣安裝槽面之間的距離尺寸精度須控制在±0.4mm以內(nèi)；上下平面弧板的公母鎖扣安裝槽安裝面和內(nèi)外弧板的滾輪導(dǎo)向槽安裝面，二者的垂直度公差控制在±0.4mm以內(nèi)，內(nèi)外弧的上下滾輪槽安裝面的圓弧同軸度控制在±0.4mm以內(nèi)[3]。

4 焊接定位工裝和焊接工藝

（1）焊接工裝 為了解決打撈裝置這一核心弧形梁部件的焊接制造精度要求，減少焊接變形量，使弧形梁焊接結(jié)構(gòu)件上的待加工面加工余量小且加工余量均勻，易于后續(xù)配合安裝面的機械加工，各弧形梁的尺寸精度特別是弧面圓度焊接后控制在±5mm。設(shè)計了一套專用的弧形梁部件的焊接裝夾定位工裝，如圖4所示。

圖4 焊接裝夾定位工裝

焊接工裝概述：在水平地面上設(shè)置一基點，垂直于地面設(shè)置中心軸，作為沉船打撈弧形梁焊接工裝的測量基點，工裝與零件以靠近中心軸的一側(cè)為內(nèi)側(cè)，遠離中心軸的一側(cè)為外側(cè)。以中心軸為圓心，放射狀地鋪設(shè)多條徑向支撐梁，在部分實例中徑向支撐梁設(shè)置為8條，各徑向支撐梁以等間距排布為半圓形。徑向支撐梁設(shè)置有兩層，包括底部徑向支撐梁和頂部徑向支撐梁，縱向支撐梁和傾斜加強筋連接底部徑向支撐梁，頂部徑向支撐梁提供縱向支撐。在徑向支撐梁上設(shè)置內(nèi)側(cè)定位塊與外側(cè)定位塊，其中，底部內(nèi)側(cè)定位塊、底部外側(cè)定位塊設(shè)置在底部徑向支撐梁上，頂部內(nèi)側(cè)定位塊、頂部外側(cè)定位塊設(shè)置在頂部徑向支撐梁上。底部內(nèi)側(cè)定位塊、頂部內(nèi)側(cè)定位塊的外端面到中心軸的距離等于弧形梁內(nèi)弧面內(nèi)表面處的半徑；底部外側(cè)定位塊、頂部外側(cè)定位塊的內(nèi)端面到中心軸的距離等于弧形梁外弧板外表面處的半徑；上述誤差控制在0.5mm范圍內(nèi)。

（2）焊接工藝 焊接主要工藝方法如下所述。

1）利用激光切割設(shè)備裁切板材，進行下平面弧板子件、內(nèi)弧板的子件、外弧板的子件、上平面弧板及內(nèi)部加強筋板下料，尺寸精度控制在0.5mm以內(nèi)。利用卷板機進行卷板加工，其弧面圓度控制在3mm以內(nèi)。

2）依次吊裝下平面弧板子件、內(nèi)弧板的子件、外弧板的子件、上平面弧板及內(nèi)部加強筋板，到底部徑向支撐梁上，各部件點焊固定后，利用三維激光檢測儀進行圓弧精度復(fù)檢，在具體實施中，采用液壓千斤頂對超差部位進行機械校正或利用加熱的方式進行火焰校正，以消除尺寸誤差。

3）在具體實施中，對下平面弧板、上平面弧板的平面度進行控制和校核，在吊裝和焊接下平面弧板、上平面弧板的各子件時使用三維激光檢測儀和水平儀進行平面度復(fù)檢，并對平面度超出1mm的區(qū)域進行尺寸校正。

4）入庫前，利用三維激光檢測儀和水平儀對弧形梁整體進行圓弧精度和平面度的最終復(fù)測。

5 機械加工裝夾定位工裝

為了解決打撈裝置這一核心弧形梁部件的制造精度要求以及批量加工的問題，特設(shè)計了一套弧形梁部件的加工裝夾定位工裝，如圖5、圖6所示。

圖5 弧形梁裝夾定位工裝

圖6 弧形梁裝夾形式

裝夾定位工裝主要結(jié)構(gòu)特點如下所述。

1）弧形梁的加工使用回轉(zhuǎn)加工直徑達20m的立式車床，工作臺的臺面直徑10m，刀架的行程達9.5m。以工作臺的回轉(zhuǎn)中心為基準，沿徑向布有8條徑向支撐梁，長度11m，伸出工作臺，支撐梁由外圈和內(nèi)圈連接梁連接，使得8條徑向支撐梁形成一個整體，可以一次性裝夾2節(jié)弧形梁，很好地保證了加工工裝的剛性。

2）徑向支撐梁的上部，設(shè)有一個內(nèi)弧面定位凸臺和一個外弧面定位凸臺，使得弧形梁零件的回轉(zhuǎn)中心和內(nèi)、外兩弧面定位凸臺回轉(zhuǎn)中心三者同心。內(nèi)弧面定位凸臺到工作臺回轉(zhuǎn)中心的距離等于弧形梁公母鎖扣槽內(nèi)弧的半徑值，外弧面定位凸臺到工作臺回轉(zhuǎn)中心的距離等于弧形梁上公母鎖扣槽外弧的半徑值。

3）徑向支撐梁的上部，安裝有一個徑向卡鉗，位于弧形梁內(nèi)弧面的一側(cè)，徑向卡鉗不僅可以來回伸縮，還可以沿徑向夾緊放松弧形梁。還安裝有一個測頂工裝，位于弧形梁外弧面的一側(cè)，測頂工裝也可以來回伸縮，以及沿徑向夾緊放松弧形梁。并放置有2個液壓千斤頂，位于內(nèi)外弧面定位凸臺中間的位置，可以上下調(diào)節(jié)弧形梁的高低位置。

6 機械加工工藝

弧形梁部件的加工工藝方法如下所述。

1）將弧形梁工裝吊放在加工直徑達20m的立式車床工作臺上，安裝調(diào)試到位，把合工作臺上的T形壓緊螺栓，固定好弧形梁工裝。

2）在機床上車削加工出工裝上的內(nèi)外弧面定位凸臺，工裝上的內(nèi)外弧面定位凸臺到回轉(zhuǎn)中心的距離分別等于弧形梁內(nèi)外弧面的半徑值。

3）以弧形梁的上平面和內(nèi)外弧面為工藝基準，旋轉(zhuǎn)工作臺，臨床打表上平面和內(nèi)外弧面，根據(jù)打表的測量數(shù)值，使用徑向卡鉗，測頂工裝來回調(diào)整弧形梁的徑向位置，使弧形梁的回轉(zhuǎn)中心與工作臺的回轉(zhuǎn)中心保持一致；使用液壓千斤頂略微調(diào)整弧形梁的水平面精度，使弧形梁的水平面與工作臺的水平面平行。

4）臨時焊接2塊弧形梁連接板，將弧形梁的兩端頭連接成一個整體，防止弧形梁在加工時出現(xiàn)間斷切削現(xiàn)象。

5）分別采用粗車、半精車、精車三道機械加工工序，切削加工出弧形梁下平面的3條圓弧槽和內(nèi)外側(cè)面上部的2條圓弧槽。在整個車削加工過程中，需多次測量圓弧槽的尺寸。

6）在粗車和精車后，使用三維激光測量儀設(shè)備，檢測弧形梁的圓弧槽尺寸大小、各個圓弧槽的同軸度值，以及下平面的3條圓弧槽與內(nèi)、外兩側(cè)面上部2條圓弧槽的垂直度。

7）拆去弧形梁兩端的連接梁，吊下弧形梁，并進行翻轉(zhuǎn)。

8）復(fù)檢，臨床打表，檢測弧形梁的圓弧精度和水平精度。

9）按上述同樣的加工方法，完成車削加工弧形梁上平面的3條圓弧槽和內(nèi)外側(cè)面的剩下的2條圓弧槽。

10）拆去弧形梁兩端的連接梁，清理，去毛刺，終檢合格后，弧形梁包裝入庫。

車間現(xiàn)場加工情況如圖7所示。

圖7 弧形梁現(xiàn)場加工

通過使用弧形梁機械加工工裝，可以高效、精準地完成弧形梁的定位、安裝工作，可以一次性安裝2個弧形梁，大大提升了弧形梁的加工效率。

7 結(jié)束語

“長江口二號”古沉船水下沉船打撈裝置中的核心部件弧形梁，作為一個超大型的焊接結(jié)構(gòu)件，加工制造精度要求高，在實際生產(chǎn)制造過程中，使用上述裝夾定位工裝和加工制造工藝，不僅保證加工后的每個弧形梁都保持高度的加工尺寸一致性，各項加工精度滿足設(shè)計要求，并且加工后的弧形梁在水下沉船打撈裝置得到了實際的運行工作，圓滿地完成了打撈沉船工作，直接證實整套弧形梁部件的加工工藝方法可行，加工工裝結(jié)構(gòu)合理，大大提升了弧形梁的生產(chǎn)效率。