380t舵葉安裝平臺總體設計

李 欣，周 颎，張 權

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

近年來，隨著船舶日益大型化，其舵葉的質(zhì)量呈日益增長的態(tài)勢，有的甚至接近400t。上海外高橋造船有限公司（以下簡稱“外高橋”）建造的400000dwt超大型礦砂船（Very Large Ore Carrier, VLOC）選配的半懸掛舵的舵葉尺寸（高×寬×厚）為16.5m×10.6m×2.4m，重約380t（含舵桿、上舵承和舵葉等），現(xiàn)有的液壓安裝平臺[1]已無法滿足該質(zhì)量舵葉的安裝要求，迫切需要研制一種新的液壓安裝平臺。

為提高智能化造船水平，外高橋自主研制了具有較大頂升能力的380t舵葉安裝平臺。該平臺的使用有助于提高舵葉安裝效率，縮短船塢周期，并最大程度地降低現(xiàn)場作業(yè)的風險，確保安全生產(chǎn)。通過研制該舵葉安裝平臺，在掌握此類工裝設備的設計和制造技術的同時，可大幅降低設備的采購成本。

1 總體設計方案概述

舵葉安裝平臺由主車架和工作架2個模塊組成（見圖1）。平臺下面是主車架，負責平臺的頂升和行走；平臺上面是工作架（左右兩側(cè)各1套），可通過橫移裝置打開和合攏。工作架的底層設計有2組夾緊油缸，起到夾緊和固定舵葉的作用。舵葉安裝平臺的主要設備包括主頂升裝置（4組）、行走液壓驅(qū)動裝置（4組）、橫移液壓油缸（4組）、滑道（6組）、夾緊油缸（4組）、機械支撐桿（4組）、液壓泵站（包括油泵、油箱和液壓閥組）、泵站電源箱和主控制箱。

平臺的主車架采用水平桁架結(jié)構(gòu)[2]，中間部分采用4×5組的 H型鋼作為橫梁，交錯相接，形成強框架，保證整體結(jié)構(gòu)的強度。這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠，當平臺處于工作狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)變形較小。平臺四端的支撐腿采用箱體結(jié)構(gòu)，用于安裝主頂升裝置?？紤]到舵葉的尺寸和施工高度，主車架的工作面設計為下沉式結(jié)構(gòu)，舵葉放置在下凹的工作面上，這樣可適當降低舵葉安裝高度，適用于不同規(guī)格舵葉的安裝。

從節(jié)約設備制造成本、減少設備維修保養(yǎng)費用的角度考慮，工作架采用固定連接結(jié)構(gòu)取代更為復雜的液壓升降機構(gòu)。固定工作架由上層、中間層和下層工作架組合而成，下層工作架與主車架固定在一起，中間層工作架與下層工作架之間和中間層工作架與上層工作架之間分別用螺栓連接。舵葉安裝完成之后，中間層工作架和上層工作架可從舵葉安裝平臺上拆解下來，方便在作業(yè)現(xiàn)場存放。

圖1 舵葉安裝平臺總布置圖

安裝平臺采用模塊化設計，主車架可用不同類型的工作架搭配，延伸出多種使用功能，可用于舵葉、螺旋槳、艉軸和大型豪華郵船吊艙推進器的安裝，滿足船廠不同的使用需求。

2 液壓系統(tǒng)設計

平臺的液壓系統(tǒng)由主頂升液壓部分、橫移液壓部分、夾緊液壓部分和行走液壓部分等4部分組成。液壓泵站的所有部件都安裝在主車架結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，采用單變量柱塞泵加雙油箱的設計，2個油箱之間用連通管連接。液壓油泵先將液壓油送至閥塊單元，再通過閥塊單元將其送至主頂升油缸（4組）、橫移油缸（4組）、夾持油缸（4組）和液壓電機（4組）。液壓管與設備（液壓電機和油缸）接口通過金屬軟管連接。

液壓系統(tǒng)設計的技術特征是閥塊采用疊加閥的形式，以便于進行油路塊的設計及液壓系統(tǒng)的調(diào)試和維修。在各執(zhí)行部件上設置測壓點，以便更好地觀察其工作狀態(tài)。出于安全考慮，每個油缸的回油側(cè)都由順序閥來建立背壓，以防止油缸運動時突然受到?jīng)_擊。每個油缸的油口都安裝防爆管閥，以保證管路破損時油缸能自鎖，且系統(tǒng)能自動卸荷。每組液壓油缸都設置壓力開關，防止因誤操作而導致設備和鋼結(jié)構(gòu)損壞。

行走機構(gòu)由液壓驅(qū)動的電機和特定規(guī)格的行走輪組成，負責將裝載工件運送到指定的水平位置處。平臺的4個行走機構(gòu)設計為可手動90°轉(zhuǎn)向的形式，這樣可使平臺沿縱向和橫向2個方向移動。

3 頂升裝置設計

平臺的頂升裝置由4個頂升點構(gòu)成，每個頂升點都設置一套頂升裝置（見圖2）。裝置由導向部分和頂升部分組成。

1) 導向部分由外導向筒（支撐腿箱體結(jié)構(gòu)）、內(nèi)導向筒和耐磨條組成，其作用是保證頂升點的穩(wěn)定性，同時承受平臺移動時產(chǎn)生的水平載荷。外導向筒與主車架剛性連接在一起，隨平臺一起升降；內(nèi)導向筒相對地面的高度固定。內(nèi)導向筒的筒壁外側(cè)帶有導向凸臺，耐磨條安裝在外導向筒的內(nèi)壁與導向凸臺之間，通過安裝在外導向筒筒壁上的頂絲，從外部調(diào)節(jié)耐磨板與內(nèi)導向筒導向凸臺面之間的距離，控制導向間隙的大小。耐磨條采用非金屬高分子抗摩擦材料制作，與內(nèi)導向筒導向面形成非金屬和金屬摩擦副，有效保護內(nèi)套筒導向面。

2) 頂升部分由頂升油缸、頂升座、銷軸、油管和平衡閥等組成，用來承受平臺的總質(zhì)量并執(zhí)行平臺升降動作。頂升油缸采用兩端耳環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，倒置使用，其活塞桿端支撐在內(nèi)導向筒底部耳環(huán)銷軸上，缸體尾部耳環(huán)支撐在頂升座銷軸上。頂升座與外導向筒通過螺栓連接固定。頂升油缸進出油口通過軟管引到頂升座外，連接平衡閥。

圖2 頂升裝置結(jié)構(gòu)圖

導向部分的導向間隙可根據(jù)內(nèi)導向筒和外導向筒實際加工情況和使用過程中的磨損情況進行調(diào)整。導向部分的耐磨條材質(zhì)為非金屬，以有效保護內(nèi)導向筒，在維護時只更換耐磨條即可。頂升部分的液壓油缸采用兩端球軸承耳環(huán)形式，其安裝不受導向部分和頂升座加工精度的影響。此外，液壓油缸不受平臺移動時水平橫向載荷的影響，可有效提高使用壽命，安裝更加方便。頂升部分的液壓油缸接有平衡閥，可有效鎖定平臺位置，并保證平臺下降時的平穩(wěn)性。

4 電控系統(tǒng)設計

電控系統(tǒng)由泵站電源箱、主控制箱、線控遙控按鈕盒、應急停止按鈕、聲光報警器、各種類型的傳感器和開關組成（見圖3），除了可實現(xiàn)車架升降、縱橫方向行走、上部工作架開合和工作架上夾緊裝置夾緊與放松等功能以外，還可實現(xiàn)對平臺傾斜超限、液溫過高和油位過低等故障的聲光報警，同時能實現(xiàn)本地控制和通過遙控箱進行遠程控制。

該系統(tǒng)采用西門子S7-200系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）[3]作為控制系統(tǒng)的核心，配置傾斜傳感器、油溫傳感器和液位傳感器等設備作為PLC模擬量報警輸入。急停按鈕和壓力繼電器作為 PLC開關量報警輸入。主控箱（本地）和遙控按鈕箱（遠程）上的按鈕及選擇開關作為 PLC開關量動作輸入。經(jīng)過PLC內(nèi)的邏輯程序，開關量輸出控制電機和電磁閥的動作，實現(xiàn)車架升降、縱橫方向行走、上部工作架開合和工作架上夾緊裝置夾緊與放松等功能。

圖3 電控系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 關鍵技術的應用

5.1 平臺結(jié)構(gòu)有限元計算分析和優(yōu)化

舵葉安裝平臺的最大頂升能力達到640t，最大的頂升舵葉重380t。在如此大的負荷下，平臺底部會發(fā)生扭曲變形。因此，在結(jié)構(gòu)設計中必須考慮把主車架變形量控制在合理范圍內(nèi)的問題。

采用有限元分析軟件 MSC/PATRAN &NASTRAN，分別對平臺各支撐腿箱體結(jié)構(gòu)與主車架聯(lián)接結(jié)構(gòu)、箱體結(jié)構(gòu)上的端蓋受力和主車架底座中心變形進行有限元計算分析。通過對平臺的力學行為進行計算和仿真，模擬分析鋼結(jié)構(gòu)在實際使用中的應力和變形范圍，判斷鋼結(jié)構(gòu)的承載能力和變形情況。圖 4為主車架有限元模型。

根據(jù)仿真結(jié)果對鋼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確定主車架負載變形的設計衡準，即將主車架中心處的下沉量控制在6mm以內(nèi)。通過對幾套設計方案進行對比，選取合適的鋼板厚度和鋼板等級，在滿足設計衡準的提前下，將主車架的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制在合理的范圍內(nèi)。最終選定的設計方案不僅滿足結(jié)構(gòu)強度要求和提高整體穩(wěn)定性的要求，而且能達到減輕平臺質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本的目的。

圖4 主車架有限元模型

5.2 系統(tǒng)安全保護機制

舵葉安裝平臺在全負載工況下需承載約380t的負載。施工人員最高的作業(yè)高度約為18m。在安裝舵葉過程中，要求安裝過程平穩(wěn)，不能有任何沖擊和振動。因此，整個平臺在操作過程中對安全性的要求非常高，必須建立安全有效的操作機制。在該平臺的控制系統(tǒng)中，盡可能地考慮操作過程中可能存在的安全隱患，設計一套先進合理的安全防護機制。該平臺系統(tǒng)配置有各類傳感器和xy傾斜儀，對油位、油溫、油壓和平臺基面斜度進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)問題，系統(tǒng)會自動緊急停車，同時通過聲光報警告知現(xiàn)場的操作人員。

在平臺安全裝置的配置方案[4]中，主車架上的4個主立柱上分別設置有4個旋轉(zhuǎn)警示燈，所有動作都伴隨聲光報警信號；主車架兩側(cè)設置有4個緊急停止按鈕，主操作盤和遙控裝置上各設置有1個緊急停止按鈕。當主頂升油缸受損時，系統(tǒng)會自動停止所有動作。主頂升油缸、橫移油缸、夾緊油缸和行走馬達的閥塊及管路分別配置有超壓保護開關，當對應參數(shù)超出設定值時可自動切斷電氣主回路和控制回路電源。

當平臺出現(xiàn)傾斜超差時，系統(tǒng)會緊急停止，傾斜不會自動消除。為將平臺從傾斜狀態(tài)恢復為水平狀態(tài)，設置一個強制執(zhí)行按鈕，通過該按鈕控制4個主頂升油缸的升降；作為保護功能，經(jīng)由xy傾斜儀讀數(shù)可邏輯判斷出處于傾斜最高點的油缸，而該油缸在傾斜超差消除之前無法控制上升，只能控制下降。

6 結(jié) 語

本文所述380t舵葉安裝平臺已完工交付，并已成功應用于多條400000dwt VLOC舵葉的安裝工作中。實際應用結(jié)果表明，該舵葉安裝平臺工作平穩(wěn)，操作簡便，頂升同步控制精度高，能安全高效地完成舵葉的安裝工作。

通過研制該產(chǎn)品，掌握了此類船舶工裝裝備的設計和制造技術，提高了國內(nèi)船舶的智能制造水平，為今后研制其他類型的液壓工裝設備提供了設計和制造經(jīng)驗。