大型艉跳板鉸鏈對中及其測量技術(shù)研究

黃中堅(jiān)，黃云峰，楊立志，王 輝

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

大型艉跳板鉸鏈對中及其測量技術(shù)研究

黃中堅(jiān)，黃云峰，楊立志，王 輝

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

艉跳板是滾裝船舶滾動式貨物和裝卸車輛的進(jìn)出通道，其主體一般通過一排鉸鏈與船體活絡(luò)地連接在一起。艉跳板制造廠家對鉸鏈的同軸度有嚴(yán)格規(guī)定，必須在鉸鏈安裝期間予以控制和測量，以實(shí)現(xiàn)艉跳板鉸鏈的完好對中。對此，借鑒琴鋼絲測量主機(jī)機(jī)座撓度法，根據(jù)鋼絲的連續(xù)下沉特性研究大型鉸鏈同軸度的測量方法，即通過琴鋼絲將無形的鉸鏈中心線近似地顯現(xiàn)出來，并建立鋼絲下沉曲線模型，計(jì)算鋼絲因自身重力下沉引起的與鉸鏈中心線之間的位置偏移。設(shè)計(jì)同軸度控制和測量的對中工具，使用該工具將激光經(jīng)緯儀找到的鉸鏈中心線在工具的靶心上投射出2個(gè)端點(diǎn)，布置鋼絲并使其穿過這2個(gè)端點(diǎn)，在工具上固定并張緊鋼絲。研究的主要成果已成功應(yīng)用到系列45000t集裝箱滾裝船艉跳板的鉸鏈安裝過程中，對提升工作效率和保證設(shè)備質(zhì)量有很好的促進(jìn)作用。

艉跳板；鉸鏈；同軸度；琴鋼絲

0 引 言

滾裝船是20世紀(jì)60年代繼集裝箱船之后發(fā)展起來的一種運(yùn)輸船船型，具有裝卸效率高、對碼頭要求低等特點(diǎn)[1]。由滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司為瑞典大西洋貨柜航運(yùn)公司開發(fā)設(shè)計(jì)并建造的45000t集裝箱滾裝船（以下簡稱“集滾船”）是一種多用途船，既能運(yùn)載滾裝貨物（包括指定的特種貨物，如重型機(jī)械、飛機(jī)附件等），又可裝載集裝箱，是目前世界上最大、最新型的集滾船。

滾裝貨物通過跳板及相應(yīng)的通道完成貨物的裝卸。安裝在艉部的跳板稱為艉跳板，尤其是向右側(cè)尾斜的跳板，符合國際趨勢、操作便利，與港口狀況和潮差情況相適應(yīng)的性能強(qiáng)[2]。艉跳板是滾裝船上特有的大型設(shè)備，比較復(fù)雜，綜合了機(jī)電、液壓和自動控制等技術(shù)[3]。其本體與船體通過一排鉸鏈活絡(luò)地連接在一起，并通過液壓絞車張緊或松開鋼絲繩實(shí)現(xiàn)艉跳板的閉合和展開。

該系列45000t集滾船的艉部布置有大型艉跳板，重約300t。艉跳板鉸鏈分主鉸鏈和副鉸鏈。

1) 主鉸鏈共2組，分別布置在左右端部，用于固定艉跳板并承受艉跳板的大部分質(zhì)量，最大應(yīng)力點(diǎn)受力4250kN；

2) 副鉸鏈有7個(gè)，以固定的間距分布在鉸鏈中心線上，或在航行時(shí)受船首方向的局部應(yīng)力，或在港口時(shí)受朝下的局部應(yīng)力。

圖1為45000t集滾船艉跳板鉸鏈及對中要求。主鉸鏈和副鉸鏈通過焊接形式安裝在三甲板艉部平臺上。焊接前鉸鏈需定位，焊接期間必須對各鉸鏈的精確位置進(jìn)行控制。主鉸鏈孔中心應(yīng)盡可能地與理論鉸鏈軸線重合。副鉸鏈孔中心與理論軸線有規(guī)定的偏移量，即安裝后滿足圖1c的配合要求。顯然，要在外形尺寸相對很大的鉸鏈上實(shí)現(xiàn)如此嚴(yán)格的精度控制，施工困難很大，極易產(chǎn)生不良后果，輕則造成大量返工，重則損害設(shè)備并造成工期延誤。

主鉸鏈及副鉸鏈的定位和安裝是一項(xiàng)繁重、技術(shù)含量高的工作，且鉸鏈的有效對中是快速施工的前提條件和關(guān)鍵因素之一。在艉跳板鉸鏈對中期間，關(guān)鍵是找出鉸鏈的理論軸線，并根據(jù)軸線調(diào)整各個(gè)鉸鏈孔中心至圖紙所要求的安裝位置，同時(shí)在鉸鏈定位、固定和焊接安裝后測量各鉸鏈的同軸度是否滿足要求。

1 鉸鏈同軸度測量方法研究

1.1 鉸鏈對中方式的選擇

目前常用的對中測量方式有激光經(jīng)緯儀測量法和琴鋼絲輔助測量法。艉跳板安裝在高空危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)，且鉸鏈安裝周期較長。

1) 如果利用激光經(jīng)緯儀完成鉸鏈對中，雖然無需增加額外的輔助測量裝置，但測量過程繁瑣，需對每個(gè)鉸鏈進(jìn)行定位，在不同時(shí)間重復(fù)地找中，這是一個(gè)相當(dāng)耗時(shí)的過程。此外，使用精密儀器對操作人員的技術(shù)能力有較高的要求，對中質(zhì)量容易受操作人員的影響，尤其是理論軸線會因測量時(shí)間和測量人員的不同而有所變化，這也容易引發(fā)質(zhì)量問題。

2) 琴鋼絲輔助測量法經(jīng)常應(yīng)用于主機(jī)機(jī)座撓度測量，通過固定在測量本體附近合適位置的張緊工具將鋼絲拉成近乎直線，檢查多個(gè)測量點(diǎn)與鋼絲的短距離間距，并比較所有測量數(shù)據(jù)，間接獲得測量本體的水平度、撓度、同軸度和直線度等數(shù)據(jù)。如果借助琴鋼絲完成鉸鏈對中，首先利用經(jīng)緯儀找出鉸鏈軸線的2個(gè)端點(diǎn)，利用工具張緊鋼絲并通過這2個(gè)端點(diǎn)將鉸鏈中心線直觀地顯現(xiàn)出來，接著即可利用這根鋼絲確定所有鉸鏈的安裝位置。雖然需要拉鋼絲對中工具，但琴鋼絲輔助測量法的優(yōu)點(diǎn)很多：1) 步驟簡單，不需要重復(fù)地找中；2) 操作容易，幾乎不需要借助精密儀器；3) 風(fēng)險(xiǎn)可控，只要確保張緊工具牢固，就有一根可見、可靠的鉸鏈軸線。

經(jīng)過比較分析，研究人員決定采用琴鋼絲輔助測量法完成45000t集滾船的艉跳板鉸鏈對中作業(yè)。

1.2 同軸度測量方法

1.2.1 鋼絲撓度的影響

受拉力的鋼絲因重力的影響不可避免地會從兩端向中部連續(xù)下沉，鋼絲越長，下沉越明顯，即受力鋼絲中點(diǎn)的撓度值越大。0.5mm的琴鋼絲（材質(zhì)為SFjC）在水平受拉力為400N情形下的下沉量（即鋼絲撓度值）可從圖2中查找獲得[4]。例如，長度為20.8m的受力鋼絲，其中點(diǎn)處的下沉量為2.09mm。

艉跳板鉸鏈的軸線長度超過20m，中部的下沉量約為2mm。通過鋼絲顯現(xiàn)的鉸鏈中心線與實(shí)際需要的呈直線的鉸鏈中心線是不一樣的。若不考慮鋼絲撓度而直接對中，則主鉸鏈和副鉸鏈的安裝精度要求，尤其是副鉸鏈處的“軸銷下表面與鉸鏈孔下表面的間隙為(2±1)mm”（如圖1c所示）的要求將難以得到保證。因此，控制和測量期間必須消除鋼絲下沉帶來的負(fù)面影響，這就需要對每個(gè)測量點(diǎn)的鋼絲下沉量進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 鋼絲下沉量模型及函數(shù)建立

1.2.2.1 鉸鏈相對位置數(shù)據(jù)采集

在鉸鏈同軸度測量期間，采用0.5mm的琴鋼絲（材質(zhì)為SFjC），利用拉力器使水平受拉力400N。受力的軸系長度建議為20.8m，以中間副鉸鏈H5為中心，參考滾裝設(shè)備圖紙，確定各鉸鏈與中間副鉸鏈H5的距離，見表1。其中，H1和H9為主鉸鏈，一個(gè)主鉸鏈由內(nèi)、外2塊鉸鏈板構(gòu)成。

1.2.2.2 下沉曲線模型建立

由圖2可知，鋼絲中心處的下沉量為2.09mm。根據(jù)（-10.400，0），（10.400，0）和（0，-2.09）等3個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，并假設(shè)鋼絲密度是均勻的、所有直徑是完全一樣的，可繪制一根連續(xù)下沉的曲線，并建立模型，見圖3。

表1 控制測量點(diǎn)及其下沉量

根據(jù)模型，建立連續(xù)性函數(shù)為

式(1)中：x為距離H5（中點(diǎn)）的長度，m；y為鋼絲下沉量，mol。

將點(diǎn)(10.400，0)代入到式(1)中，可得出函數(shù)為

1.2.2.3 下沉量計(jì)算

根據(jù)函數(shù)，計(jì)算各測量點(diǎn)的鋼絲下沉量，如表1所示。

1.3 鉸鏈同軸度的控制和測量

在鉸鏈同軸度控制和測量期間，應(yīng)逆向考慮琴鋼絲的固有下沉量，從而對主鉸鏈和副鉸鏈進(jìn)行精確定位及同軸度測量。具體做法為：

1) 調(diào)整主鉸鏈，在主鉸鏈上預(yù)先找到的鉸鏈中心與鋼絲貼近或略低 0.2～0.4mm?？山柚啼摮吆桶屑堉甘俱q鏈中心，見圖4。

2) 調(diào)整副鉸鏈，使副鉸鏈孔的前方、后方和下方與鋼絲的距離滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)注意在測量下方距離時(shí)考慮鋼絲下沉量的影響。

3) 主鉸鏈和副鉸鏈焊接安裝期間，借助鋼絲監(jiān)控同軸度，若有必要，直接或通過焊接順序調(diào)整鉸鏈。

4) 主鉸鏈和副鉸鏈焊接安裝后，借助鋼絲測量所有鉸鏈的同軸度，應(yīng)滿足圖紙要求。

2 對中工具的設(shè)計(jì)

2.1 對中工具核心功能的設(shè)計(jì)

鋼絲的對中工具（拉線工具）需實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)核心功能。

1) 可將激光經(jīng)緯儀找出的理論軸線投射成左右2個(gè)端點(diǎn)；

2) 固定鋼絲，并使其通過2個(gè)軸線上的2個(gè)端點(diǎn)。

研究人員設(shè)計(jì)、制作并在首制船上使用的對中工具見圖5和圖6。

對中工具由框架、調(diào)整塊、絲桿和靶心構(gòu)成。

1) 靶心的正面中心處刻有十字線，靶心的凸肩外圓與調(diào)整塊的內(nèi)圓精確匹配，配合間隙控制在0.10～0.20mm；

2) 調(diào)整塊的正中心位置開有直徑為0.6～0.7mm的小孔，用于穿過鋼絲；

3) 調(diào)整塊可通過絲桿調(diào)整位置，最大調(diào)整范圍為20mm；

4) 2個(gè)框架分別焊接固定在合適高度的左側(cè)和右側(cè)支撐架（與船體平臺牢固焊接）上。

對中時(shí)，先用激光經(jīng)緯儀找出理論軸線，根據(jù)該理論軸線調(diào)整絲桿，使嵌入調(diào)整塊靶心的十字線中點(diǎn)與理論軸線重合；移除靶心，將 0.5mm鋼絲穿過調(diào)整塊小孔，并使用工具將鋼絲拉緊。該狀態(tài)下的鋼絲近乎與理論軸線重合，可作為參考線，用于主鉸鏈和副鉸鏈的定位及同軸度測量。

艉跳板鉸鏈拉線對中工具的安裝示意圖見圖7。

2.2 對中工具輔助功能設(shè)計(jì)

對工具進(jìn)行改進(jìn)，提高工具的適用性和測量精度（見圖8）。具體的做法為：

1) 將鋼絲固定的工件集成在拉線對中工具上，使整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)變得靈巧，更加適用于狹窄作業(yè)空間。

2) 運(yùn)用測量主機(jī)機(jī)座撓度時(shí)張緊鋼絲用的工具來張緊此處鋼絲，確保400N水平拉力的精確性。施工過程中，利用重物張緊鋼絲難以使水平拉力精確到400N，所使用的一般拉力器均沒有受力大小的指示。利用現(xiàn)有的在主機(jī)機(jī)座撓度測量過程中使用的鋼絲張緊工具，只需緩慢將螺母擰緊以壓縮彈簧，直到螺母大端平面與定距桿對齊，即表明鋼絲水平拉力為400N（見圖9）。

3 結(jié) 語

本文研究設(shè)計(jì)了一種艉跳板鋼絲下沉量計(jì)算和測量方法，使鉸鏈（尤其是副鉸鏈）的同軸度控制更為科學(xué)、精準(zhǔn)。根據(jù)同軸度測量方法，相應(yīng)地設(shè)計(jì)了一套琴鋼絲拉線對中工具，利用該套工具可將艉跳板鉸鏈的理論軸系通過近乎直線的鋼絲顯現(xiàn)出來，更加便于對艉跳板鉸鏈進(jìn)行調(diào)整、定位。

運(yùn)用所取得的主要原理和成果，成功完成了系列45000t集滾船中艉跳板的鉸鏈安裝，對其他類似活動鉸鏈的安裝具有借鑒意義。

[1] 錢鴻，賈復(fù). 滾裝船主尺度分析和經(jīng)濟(jì)性特征[J]. 上海造船，2005 (2)： 57-60.

[2] 李青. 45000噸級集裝箱滾裝船總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究[R]. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，2013.

[3] 華川. 淺析我國沿海港口對滾裝船尾斜跳板的一般技術(shù)要求[J]. 水運(yùn)工程，1995 (9)： 19-20.

[4] 朱保萍，董現(xiàn)坤. 試論滾裝船的技術(shù)特點(diǎn)及建造技術(shù)要求[J]. 天津航海，2000 (1)： 22-25.

[5] 王紅宇. 鋼絲參考曲線. MAN-B&W質(zhì)量控制文件[Z]. 1998.

Study on Hinge Alignment and Its Measurement Technique in Large Quarter Ramp Installation

HUANG Zhong-jian，HUANG Yun-feng，YANG Li-zhi，WANG Hui

（Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

Quarter ramp is the passage for cargos and vehicles rolling on/off the Ro-Ro ship. It is usually connected to the ship by a number of hinges. The manufactory of the quarter ramp has strict regulations on the coaxiality of the hinges, which means the hinges must be measured and controlled in the installation to realize a precise alignment. In this paper, the measurement method of the coaxiality for large size hinges is studied by measuring the deflection of the main engine foundation on the basis of the sagging of a piano wire, and thus the approximate center line of the hinges is obtained. Then a model for the sagging curve of the piano wire is established in accordance with the gravitation, and the offset between the sagging and the center line of the hinges is calculated. In addition to this, an alignment tool to measure and control coaxiality is designed, which have two points flashing on the center. These two points indicate the center line of the hinges found by the laser theodolites, and the piano wire is fixed and strained on the tool with the two points as the scale mark. The result of the study has been successfully applied to the hinge installation of the quarter ramps on the 45000t Con-Ro ship series, which plays an active role both in raising work efficiency and in improving the quality of the equipment.

quarter ramp; hinge; coaxiality; piano wire

U674.13+8

B

2095-4069 (2017) 01-0059-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.011

2016-03-14

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝[2012]534號）

黃中堅(jiān)，男，工程師，1984年生。2007年畢業(yè)于寧波大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶制造輪機(jī)工藝相關(guān)工作。