船尾安裝小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)用

吳炅東 李 倩 吉春正

（中國(guó)長(zhǎng)航金陵船廠設(shè)計(jì)公司 南京210015）

0 引 言

在船舶建造過程中，槳和舵的安裝是一項(xiàng)較大的舾裝工程。這是為槳和舵是船舶的主要部件，體積大、質(zhì)量重；且安裝空間由于船艉結(jié)構(gòu)的限制，無(wú)法使用船臺(tái)或船塢的大型起重設(shè)備。

以前金陵船廠設(shè)計(jì)公司一直采用手拉葫蘆來(lái)吊裝舵葉、散裝槳葉，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、安裝精度難以保證，而效率的提高和精度的保證依賴于先進(jìn)工藝裝備的應(yīng)用，所以現(xiàn)在工廠優(yōu)化設(shè)計(jì)和建造使用了用于裝槳、裝舵的船尾安裝小車。

1 船尾安裝小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在深入研究文獻(xiàn)［1］所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，根據(jù)金陵船廠自身的具體情況，自主設(shè)計(jì)了船尾安裝小車。安裝小車采用模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)、建造中，對(duì)這些子系統(tǒng)進(jìn)行了不同程度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更好地滿足了裝槳、裝舵的功能要求。

船尾安裝小車裝槳示意如圖1所示，裝舵示意如圖2所示。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

船尾安裝小車機(jī)械系統(tǒng)由三部分組成：

1.1.1 行走下平臺(tái)

行走下平臺(tái)是船尾安裝小車結(jié)構(gòu)的主體，主要起支撐和容納其他子系統(tǒng)的作用。

圖1 裝槳示意圖

圖2 裝舵示意圖

平臺(tái)的穩(wěn)定性、最大變形量和本身結(jié)構(gòu)重量是設(shè)計(jì)中要考慮的重要因素。這是因?yàn)檠b槳、裝舵時(shí)工件質(zhì)量較大、重心較高（尤其是裝舵時(shí)，舵葉高達(dá)10 m左右，且質(zhì)心不在平臺(tái)中心），安裝時(shí)工件的質(zhì)量和外部的擾動(dòng)對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性和安全操作帶來(lái)極大的考驗(yàn)。顯然平臺(tái)的質(zhì)量越大系統(tǒng)就越穩(wěn)定，變形量也越小，但質(zhì)量越大造價(jià)越高，系統(tǒng)搬運(yùn)、操作也不便，所以在結(jié)構(gòu)的變形量、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、造價(jià)之間要尋求一種平衡。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，使用ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，采取了減薄平臺(tái)板厚度、適當(dāng)加大魚腹板高度和面板厚度的方法有效地減小了變形量、降低了重心、提高了穩(wěn)性，并減輕了平臺(tái)重量。

1.1.2 上平臺(tái)

上平臺(tái)固定于行走下平臺(tái)上，具有橫移功能，且能靈活實(shí)現(xiàn)不同安裝平臺(tái)的互換，以實(shí)現(xiàn)裝槳、裝舵的功能。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中修改了連接上、下平臺(tái)的滑動(dòng)軸基座位置，使支撐上平臺(tái)的基座完全和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)筋，解決了基座與加強(qiáng)不對(duì)筋而造成裝舵時(shí)上平臺(tái)變形量過大、影響安裝精度的問題。

1.1.3 安裝支架

安裝支架分為裝槳支架和裝舵支架，均可以和上平臺(tái)用螺栓連接固定，均具有調(diào)整相應(yīng)工件的液壓系統(tǒng)和可供工人安裝槳、舵的工作平臺(tái)。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中加大了安裝平臺(tái)面積、修改了裝槳支架的斜梯方向、優(yōu)化了裝舵支架的液缸位置，使得安裝作業(yè)時(shí)更安全和方便地進(jìn)行。

1.2 液壓系統(tǒng)

船尾安裝小車液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示，包括平臺(tái)行走系統(tǒng)、平臺(tái)升降系統(tǒng)、上平臺(tái)橫移系統(tǒng)、裝槳支架調(diào)整系統(tǒng)和裝舵支架調(diào)整系統(tǒng)。

1.2.1 平臺(tái)行走系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有獨(dú)立的四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可沿鋪設(shè)軌道，將工件送達(dá)指定位置，并與安裝支架配合，實(shí)現(xiàn)裝槳、裝舵時(shí)的定位與安裝。

優(yōu)化設(shè)計(jì)了四輪間距，使安裝小車可以沿船臺(tái)和船塢預(yù)埋軌道行走，提高了行走適應(yīng)性；優(yōu)化了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過連接軸實(shí)現(xiàn)了車輪懸掛在轉(zhuǎn)向盤上輕松轉(zhuǎn)向，解決了需要拆下車輪、人工轉(zhuǎn)向的難題，實(shí)現(xiàn)了裝槳時(shí)沿船舶軸向進(jìn)入、橫向退出的作業(yè)模式。

1.2.2 平臺(tái)升降系統(tǒng)

平臺(tái)的升降系統(tǒng)由位于行走下平臺(tái)四角的四個(gè)主液壓缸組成。

在整個(gè)液壓系統(tǒng)中，支撐小車的四個(gè)主液壓缸的同步升降是船尾安裝小車項(xiàng)目需重點(diǎn)關(guān)注和解決的。這是因?yàn)闃?、舵使用平臺(tái)安裝時(shí)，質(zhì)量大、重心高，平臺(tái)的升降穩(wěn)定性非常重要，而升降的同步精度直接影響平臺(tái)的穩(wěn)定性和作業(yè)的安全性。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，我們認(rèn)真消化了槳舵安裝平臺(tái)同步控制方面的研究成果［2，3］，采取了“比例伺服閥配合拉繩式位移傳感器實(shí)現(xiàn)油缸的精確運(yùn)動(dòng)控制”的方案，并對(duì)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩、油泵電機(jī)功率和頂升油缸升力分別進(jìn)行了校核計(jì)算，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠并具有足夠的冗余。

1.2.3 上平臺(tái)橫移系統(tǒng)

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

上平臺(tái)橫移系統(tǒng)由連接下平臺(tái)和上平臺(tái)的兩個(gè)液壓油缸組成，主要實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)及其上的安裝支架的橫向移動(dòng)，以便夾持或松開槳舵。

1.2.4 裝槳支架調(diào)整系統(tǒng)

裝槳支架調(diào)整系統(tǒng)由兩個(gè)分別位于船尾內(nèi)側(cè)和外側(cè)裝槳支架上的頂升油缸組成，并具有可靠的導(dǎo)向裝置。兩個(gè)油缸可以同步運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整螺旋槳的高度，非同步運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整螺旋槳的安裝角度，還具備兩支架高度差恒控功能，故可以實(shí)現(xiàn)普通貨船水平尾軸螺旋槳的安裝和LNG船傾斜尾軸螺旋槳的安裝。

1.2.5 裝舵支架調(diào)整系統(tǒng)

裝舵支架調(diào)整系統(tǒng)由安裝在裝舵支架上的推力油缸組成。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，在每個(gè)支架上設(shè)置四個(gè)推力油缸，可以同步或單個(gè)工作，并拉大了上下兩層油缸的間距，能更安全地實(shí)現(xiàn)保持舵葉穩(wěn)定和調(diào)整舵葉與船體相對(duì)角度的功能。

1.3 電控系統(tǒng)

船尾安裝小車的電控系統(tǒng)核心為SIMENS S7-300 PLC系統(tǒng)［4］。在裝槳、裝舵過程中，主要分為三個(gè)控制部分：

1.3.1 油泵電機(jī)

在安裝小車主電路控制中，油泵電機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，減小啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保護(hù)了系統(tǒng)。

1.3.2 行走平臺(tái)

對(duì)于行走平臺(tái)升降的電控，安裝小車電控系統(tǒng)采用拉繩式編碼器對(duì)頂升油缸進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋，通過比例伺服閥對(duì)4個(gè)主升降油缸的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)同步控制，控制精度控制在5 mm以內(nèi)，較好地滿足了裝槳、裝舵的要求。

1.3.3 安裝支架

裝槳支架的升降精度較行走平臺(tái)低，所以裝槳支架采用了換向閥控制與位移傳感器相結(jié)合，降低成本的同時(shí)又較好地控制了同步升降的精度。

裝舵支架的電控重點(diǎn)解決了控制電磁閥實(shí)現(xiàn)推力油缸的慢速夾持、同步夾持和單個(gè)調(diào)整夾持。此外，工廠增加了遠(yuǎn)程控制方式。遠(yuǎn)控和近控兩者的布局和功能完全相同，通過控制箱上的“近控/遠(yuǎn)控”切換開關(guān)的選擇，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控和近控操作唯一，達(dá)到了方便、安全的操作目的。

1.4 安全保護(hù)系統(tǒng)

因?yàn)榇舶惭b小車在操作過程中負(fù)載大、重心高，不能有任何沖擊、震動(dòng)，所以對(duì)系統(tǒng)的安全性要求非常高，必須建立安全有效的安全操作機(jī)制。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，盡可能考慮到操作過程中的安全隱患，設(shè)計(jì)了包括液位、液溫報(bào)警，欠壓、過載保護(hù)，同步控制，聲光警示等安全保護(hù)機(jī)制，為裝槳、裝舵的安全操作提供了保障。

2 船尾安裝小車的實(shí)際運(yùn)用

船尾安裝小車建成后，對(duì)其進(jìn)行了行走轉(zhuǎn)向、升降同步、單個(gè)調(diào)整等功能試驗(yàn)，試驗(yàn)全部通過后在工廠船塢中投入使用。在投入使用的一年中，先后安裝了5套10萬(wàn)噸船舶的舵葉和螺旋槳，取得了下述令人滿意的效果：

（1）提高了施工效率，縮短了安裝周期

船尾安裝小車的投入使用，改變了過去依靠手拉葫蘆來(lái)吊裝舵葉和散裝槳葉的舾裝方式，實(shí)現(xiàn)了舵葉一次運(yùn)送、安裝到位，槳葉先整裝再上船的舾裝方式，提高了施工效率，縮短了安裝周期。

（2）提高了施工質(zhì)量，保證了安裝精度

船尾安裝小車的投入使用，改變了以往死拉硬靠、野蠻施工的局面，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確定位和精確安裝，提高了施工質(zhì)量，保證了安裝精度。

（3）降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了安全隱患

船尾安裝小車的投入使用，使得機(jī)械運(yùn)送和液壓升降取代了手拉葫蘆，實(shí)現(xiàn)了人工作業(yè)機(jī)械化；螺旋槳整裝取代了散裝，實(shí)現(xiàn)了高空作業(yè)地面化；支架平臺(tái)取代了腳手架，實(shí)現(xiàn)了狹窄作業(yè)寬敞化。這些改變都有效地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了安全隱患。

3 結(jié) 語(yǔ)

從船尾安裝小車的實(shí)際使用效果來(lái)看，這種工藝裝備的使用的確能起到降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、保證建造質(zhì)量、縮短安裝周期的作用；也證明了金陵船廠設(shè)計(jì)公司對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能很好滿足裝槳、裝舵的功能要求。

［1］張柯等.250 T船艉液壓工作平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.造船技術(shù)，2007（3）：38-41.

［2］金鑫等.大型船舶槳舵安裝平臺(tái)同步控制［J］.造船技術(shù)，2008（1）：36-38.

［3］王志遠(yuǎn)等.船艉液壓工作行走平臺(tái)系統(tǒng)中同步和平衡回路的選擇與應(yīng)用［J］.上海造船，2007（1）：32-34.

［4］楊海瀾等.大噸位船舶船艉升降平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.上海造船，2007（1）：32-34.