某艦艇電子裝備基座水平度加工及檢測(cè)新技術(shù)

金永明，樊仁才，吳作棟

（1. 中國人民解放軍海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

幾十年來，水面艦船及潛艇（簡稱“艦艇”）基座的加工、檢測(cè)及水平修正，是艦船建造、現(xiàn)代化改裝過程中難度最大、最重要的項(xiàng)目之一。在這方面曾花費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力[1]。然而，效果不盡人意，交驗(yàn)時(shí)水平誤差已滿足要求，但在建造后期還會(huì)出現(xiàn)變化，甚至超出技術(shù)要求，特別是艦船交付部隊(duì)后基座的水平仍然會(huì)發(fā)生變化，從一定程度上影響了某設(shè)備的使用精度。本文通過分析傳統(tǒng)的電子裝備基座水平度加工方法優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種新的方法，該方法可以提高工作效率，保證工程質(zhì)量，減少加工及檢測(cè)難度，并保證在水平度發(fā)生變化時(shí)能及時(shí)得到修正，以滿足作戰(zhàn)平臺(tái)的精度要求。

1 傳統(tǒng)加工某電子裝備基座水平度方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

按照傳統(tǒng)方法，基座在內(nèi)場(chǎng)只進(jìn)行簡單加工，完成簡單加工后，后續(xù)在艦上進(jìn)行大量的精加工工作。安裝過程為：簡單加工后的基座首先吊裝到艦艇上進(jìn)行位置找正、定位、焊接，定位時(shí)要保證基座中心線與全艦艏艉線平行；然后在艦艇上確定主基準(zhǔn)平臺(tái)，利用加工設(shè)備對(duì)基座進(jìn)行精加工，最后再進(jìn)行人工拂磨。人工拂磨主要利用著色方法，使用專用胎具和研磨膏進(jìn)行，專用胎具的平面度要求較高；達(dá)到要求的水平精度并自檢合格后進(jìn)行交驗(yàn)；完成基座交驗(yàn)后將進(jìn)行設(shè)備安裝調(diào)試。由于艦上條件有限，加工基準(zhǔn)和加工環(huán)境保障起來非常困難，將花費(fèi)很大的精力。

在艦船建造過程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的實(shí)際問題，已完成精加工的基座隨著時(shí)間和環(huán)境的變化，再次對(duì)其進(jìn)行水平度檢驗(yàn)時(shí)，其水平誤差還會(huì)發(fā)生變化[1]，有時(shí)變化還很大，甚至超出技術(shù)要求。這種情況下只有把已經(jīng)安裝好的設(shè)備從艦艇上拆下來，然后對(duì)基座進(jìn)行局部拂磨[2]。這不僅浪費(fèi)大量的人力、物力，還將破壞基座的整體平面度，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量與進(jìn)度。為了防止類似現(xiàn)象出現(xiàn)，必須探討防止和控制變形的新技術(shù)措施。

2 電子裝備基座水平度加工、檢測(cè)及修正新方法研究

2.1 某裝備安裝后總水平度的檢驗(yàn)與測(cè)量

船體基座交驗(yàn)合格后，開始設(shè)備安裝，安裝之后還要測(cè)量各設(shè)備相對(duì)艦基準(zhǔn)平臺(tái)的平行度，之所以對(duì)安裝基座的加工精度提出較高的要求，其最終目的就是使所安裝設(shè)備總的水平度達(dá)到各某裝備系統(tǒng)或設(shè)備的要求。設(shè)備總水平度的檢驗(yàn)同基座水平度檢驗(yàn)一樣，也有2種方法，即：全浮狀態(tài)檢驗(yàn)法和半座墩法。為減小測(cè)量誤差，一般把水平儀放在設(shè)備回轉(zhuǎn)部位的某一個(gè)平面上不動(dòng)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，測(cè)量其在各方位上的水平度，見圖1。EE1為設(shè)備基座安裝平面；OF（OF1）為設(shè)備總水平度檢驗(yàn)平面；βm=∠FOE，設(shè)備上水平儀所檢測(cè)位置與設(shè)備基座夾角，是一個(gè)固定值；γn=∠XOE，在不同方位角時(shí)設(shè)備基座與水平面夾角，這就是所需要測(cè)量的值；Δ=∠FOX，水平儀在某個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)；Δ′=∠F1OX1，水平儀在Δ=∠FOX成180°方位角處檢測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)。

圖1 設(shè)備安裝后總水平度檢驗(yàn)示意圖

由圖1 可知：

3.2 電子裝備基座水平誤差的修正

為了分析計(jì)算方便，首先建立物理模型與數(shù)學(xué)模型，見圖2。

圖2 電子裝備基座水平度誤差計(jì)算示意圖

把艦艇基準(zhǔn)平臺(tái)看成是水平面，將其作為艦艇的水平基準(zhǔn)。電子裝備基座安裝在艦艇的各級(jí)甲板上，γi為其在每隔30°的方位角上測(cè)量得到的相對(duì)艦基準(zhǔn)平臺(tái)的水平夾角，γi隨電子裝備基座方位角αi的變化而變化。電子裝備基座是個(gè)圓，其半徑為R，圖2中：γ0=∠AOB，為方位角α0=0時(shí)，電子裝備基座與艦基準(zhǔn)平臺(tái)的水平夾角；H0＝AB，為α0=0時(shí)，電子裝備基座上半徑為R的點(diǎn)到安裝水平面的垂直距離；β為當(dāng)γmax為最大值時(shí)，電子裝備基座的方位角α；Hmax=DC，當(dāng)γ=γmax時(shí)，電子裝備基座上半徑為R的點(diǎn)到安裝水平面的垂直距離。

由圖2可知：

式（4）說明了Hj與γj存在的關(guān)系, 經(jīng)分析存在關(guān)系為

式中：Hm為Hj的最大變化量，當(dāng)α0=0、α1=90°時(shí)，可以得到：

由式（6）～式（7）得：

由（4）式可知：H1=Rsinγ1。

將H0=Rsinγ0代入（8）、（9）式中得

由此：

將式（10）和式（11）代入式（5）得：

式（4）～式（12）中：γ0、γ1為實(shí)際的測(cè)量值；α為電子裝備基座的方位角，為已知。

也就是說，只要在相互垂直的2個(gè)方向上測(cè)出電子裝備基座相對(duì)艦基準(zhǔn)平臺(tái)的水平夾角，就可以通過上式計(jì)算出360°范圍內(nèi)水平誤差的分布情況。正常情況下，該分布曲線是一個(gè)正弦曲線，見圖3。

圖3 水平誤差分布曲線示意圖

2.3 某電子裝備基座水平度加工、檢驗(yàn)及修正新方法

1）加工新方法

新的加工方法注重基座的平面度和剛度要求，降低基座的安裝水平度要求。基座在車間內(nèi)完成精加工，基座的內(nèi)外徑、高度、厚度均加工到技術(shù)要求，精度要求非常高的基座可在厚度上留適當(dāng)?shù)挠嗔?。在車間精加工后須達(dá)到平面度和粗糙度要求，之后吊裝上艦，然后對(duì)基座進(jìn)行精準(zhǔn)定位，接著進(jìn)行焊接施工，焊接時(shí)要利用對(duì)稱施工氬弧焊等反變形技術(shù)，并嚴(yán)格控制施工速度。在設(shè)計(jì)基座時(shí)要重點(diǎn)保證剛度要求，當(dāng)基座的剛度和平面度得到保證的情況下，在艦艇上將不再進(jìn)行拂磨加工[2]，這將極大降低基座在船上安裝后的工作量，基座的加工效率和質(zhì)量將得到根本性提高。

2）檢驗(yàn)新方法

為避免座墩或半座墩時(shí)船體受力產(chǎn)生變形影響基座水平檢測(cè)精度及真實(shí)性，除主基準(zhǔn)平臺(tái)以外的基座均利用電子差分水平儀在艦船全浮狀態(tài)下進(jìn)行2個(gè)以上不同方位的檢測(cè)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)量及同步性要比傳統(tǒng)方法更好。之后，利用本文提出的數(shù)學(xué)模型自動(dòng)繪出水平相對(duì)誤差正弦曲線。找出基座平面的傾斜最大誤差及對(duì)應(yīng)的方位角，這些數(shù)據(jù)可以為設(shè)備的安裝及有關(guān)系統(tǒng)的零位修正提供幫助。新方法在上艦后進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)關(guān)注點(diǎn)在基座的整體高低安裝水平度、方位定位精度以及安裝高度，艦上不需要對(duì)基座粗糙度、平面度、厚度等進(jìn)行檢驗(yàn)。

3）新方法對(duì)某裝備綜合體的要求

在某裝備綜合體火控解算軟件開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮到船體變形的影響，應(yīng)該以當(dāng)前使用狀態(tài)下基座的傾斜方位及最大誤差進(jìn)行系統(tǒng)修正，而不是以艦船完成建造后最初的檢驗(yàn)值作為一成不變的修正值。實(shí)際上大部分基座在建造過程上或服役一段時(shí)間后，其水平傾斜方向及最大誤差均發(fā)生了不同程度的變化。艦船要定期對(duì)主要電子裝備基座進(jìn)行水平度復(fù)查，并將復(fù)查數(shù)據(jù)輸入到指揮儀或相關(guān)設(shè)備中，保證使用水平信息的系統(tǒng)和設(shè)備能得到當(dāng)前真實(shí)的水平信息，保證某裝備的使用精度。

新方法對(duì)設(shè)備的研制和開發(fā)也提出了新的要求。為保證設(shè)備安裝調(diào)試質(zhì)量，提高工作效率，避免和減小船體變形影響設(shè)備的水平度，在設(shè)備開發(fā)時(shí)就要考慮設(shè)計(jì)專用水平調(diào)整環(huán)。對(duì)于有水平度要求的電子裝備基座和設(shè)備之間安裝帶有一定斜度的調(diào)整環(huán)，調(diào)整環(huán)上開有調(diào)整用的圓孔。有了調(diào)整環(huán)就可以對(duì)其水平度在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整[3]，避免誤差疊加帶來的負(fù)面影響，特別是綜合體式裝備，水平誤差的疊加情況更加復(fù)雜，單個(gè)設(shè)備和基座水平滿足要求，但綜合在一起就可能超差。如果在設(shè)備研發(fā)時(shí)就考慮到這一點(diǎn)并設(shè)計(jì)專用調(diào)整環(huán)或調(diào)整墊片，就能避免或減小誤差疊加帶來的諸多不利影響，更好地滿足整個(gè)某裝備系統(tǒng)水平度精度和協(xié)調(diào)性要求。

2.4 技術(shù)特點(diǎn)

1）由于在車間內(nèi)加工電子裝備基座，大大降低了基座精加工難度和風(fēng)險(xiǎn)，提高了加工質(zhì)量和效率，大幅度降低了加工成本。傳統(tǒng)的基座加工方法無論“全浮狀態(tài)加工法”和“半座墩加工法”都要在船上安裝加工用的臨時(shí)車床，根據(jù)確定的加工基準(zhǔn)對(duì)基座進(jìn)行粗加工和精加工，最后利用胎具對(duì)基座進(jìn)行拂磨，工序復(fù)雜，耗費(fèi)大量的人力、物力。利用新的加工方法可以簡化加工工序，即在車間內(nèi)完成基座的粗加工和精加工后就進(jìn)行艦上安裝，安裝的時(shí)候首先定位基座，之后調(diào)整基座，使其水平達(dá)到要求，待艦船下水后，根據(jù)兩條相交直線決定一個(gè)平面的原理，只要任意測(cè)量2組以上基座水平數(shù)據(jù)，利用本文前面提到的物理模型與數(shù)學(xué)模型，基座在各個(gè)方位上的水平誤差分布曲線圖就能夠畫出，并找到基座水平方向上的誤差最大值及它所對(duì)應(yīng)的方位位置，代入模型進(jìn)行計(jì)算即可得到其水平度在任意方位上的精確值，并能利用火控軟件進(jìn)行精確的修正。系統(tǒng)精度將會(huì)比目前方法有所提高。

2）在艦船進(jìn)行現(xiàn)代化改裝或修理時(shí)，不需要對(duì)基座重新進(jìn)行加工拂磨，大大減小了改裝工作量。但是艦艇在航行一段時(shí)間后，受波浪載荷等因素的影響，船體會(huì)出現(xiàn)一定程度的變形，基座的水平度也會(huì)發(fā)生一定程度的變化。當(dāng)水平度超過要求時(shí)，就要對(duì)設(shè)備進(jìn)行分解，露出基座平面，重新進(jìn)行拂磨。這必然會(huì)造成基座的厚度越來越薄，基座的剛度將越來越差。根據(jù)新的理論，由于基座厚度和剛性較大，基座本身基本上不會(huì)變形，只是隨著船體變形，基座作為一個(gè)剛性的平面體其水平度發(fā)生整體傾斜。利用新方法，不需要把設(shè)備從基座上分解下來，只要在設(shè)備上測(cè)量兩組以上水平度值就可進(jìn)行計(jì)算機(jī)修正。

3）保證所有有水平精度要求的設(shè)備和系統(tǒng)能得到更加真實(shí)的水平數(shù)據(jù)。在艦船全浮狀態(tài)下，利用電子差分水平儀可以方便地測(cè)量出2組以上的水平度數(shù)據(jù)，就可對(duì)電子裝備設(shè)備或者系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而提高有水平精度要求的設(shè)備和系統(tǒng)的精度。

3 結(jié)論

本文探討了加工及檢測(cè)艦船電子裝備的基座的新辦法，該方法已經(jīng)在某船廠的電子裝備基座加工中得到了應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，提高了工程效率和工程質(zhì)量。