組合式船體肋板拉入機械裝置設(shè)計與應(yīng)用

孫冰妍 于功志

摘? ? 要：為了滿足新的造船規(guī)范，提高生產(chǎn)效率，保證船舶產(chǎn)品的精度和質(zhì)量，設(shè)計了一套專用的便捷、高效且不受場地限制并具有廣泛適用性的機械裝置，操作方便，投資少、見效快。該裝置采用了可自由組合的兩塊工作平臺，既可單獨作業(yè)，又可聯(lián)合作業(yè)，采用液壓絞車、聲光報警、拉力傳感器和系統(tǒng)壓力溢流等機電裝置，解決了運行穩(wěn)定、過載保護、變形控制等技術(shù)難題，提高船體分段建造質(zhì)量，縮短建造周期，降低造船成本。本裝置可提高造船生產(chǎn)效率和建造質(zhì)量，可供其它船企參考。

關(guān)鍵詞：船體；拉入法；組合式；機械裝置

中圖分類號：U671.4? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Design and Application of Combined Hull Rib Pulling-in Mechanism

SUN Bingyan，? YU Gongzhi

（ DaLian Ocean University，? Dalian 116023 ）

Abstract： In order to meet the new shipbuilding standards， improve production efficiency and ensure the accuracy and quality of ship products， a set of special， convenient， efficient and widely applicable mechanical device is designed， which is not subject to site restriction， easy to operate， low in investment and quick in effect. On the whole， two working platforms that can be freely combined are adopted in the design， which can work independently or jointly. For the first time， mechanical and electrical devices such as hydraulic winch， audible and visual alarm， tension sensor and system pressure overflow are adopted， which solve the technical problems such as stable operation， overload protection and deformation control. It is not only suitable for the domestic large shipyards， but also suitable for small and medium-sized shipyards in China that are unable to purchase large-scale plane sectional assembly lines. It is not limited by factory premises， improves the quality of hull sectional construction， shortens the construction period and reduces the shipbuilding cost. The research results of this topic can improve the shipbuilding efficiency and construction quality and may also provide reference for the domestic shipbuilding industry

Key words： Hull; Pull-in Method; Combined Type; Mechanical Device

1? ? ?前言

中船集團推出《建模2.0》作為集團公司2016 ～2025年推進建立現(xiàn)代造船模式的指南，提出持續(xù)推進“機械化，自動化，工裝化”的三化造船[1]。在船舶制造方面，大量應(yīng)用通用和專用機械設(shè)備進行船舶制造，創(chuàng)新機械化、工裝化造船的研發(fā)、應(yīng)用推廣機制，倡導(dǎo)和獎勵使用專用工裝輔助造船生產(chǎn)，改善作業(yè)條件，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

傳統(tǒng)的船體建造方式是在船體結(jié)構(gòu)組立過程中，將船體肋板沿板列垂直方向直接從上向下插入T型材與船體內(nèi)、外殼片體結(jié)合，船體肋板與T型材面板、腹板的梁孔處，用補板（堵板）做加強處理，這種傳統(tǒng)裝配方法已不能滿足PSPC船舶建造規(guī)范要求。

采用船體肋板拉入工法進行船體肋板裝配，可取消傳統(tǒng)的補板（堵板）加強結(jié)構(gòu)，減輕船體重量及裝配焊接工作量，降低結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力，并對船體建造各道工序的管理及質(zhì)量控制提出了更高要求。

目前國內(nèi)各骨干造船廠均在大型平面分段流水生產(chǎn)線上設(shè)置2～4個肋板拉入工位及1個半立體分段拉入工位，并安裝數(shù)套肋板拉入裝置設(shè)備及半立體分段拉入裝置設(shè)備來實現(xiàn)基于拉入工法的中底分段建造。一套進口完整的大型平面分段流水生產(chǎn)線，一般在7000～8000萬元，工位數(shù)量約15～19個，全線總長約230～300 m，其船體肋板及半立體分段拉入工位至少3～4個，長度約50～75 m。

一般中小型船廠要建立上述全套生產(chǎn)線難度較大，一是投資巨大，二是對現(xiàn)有的正常生產(chǎn)造成重大影響。鑒于存在上述問題，需要研究設(shè)計一套專用的便捷、高效且不受場地限制并有著廣泛適用性的工裝機械裝置，以滿足新的船舶建造規(guī)范和生產(chǎn)需求。

2? ? ?研制目標

（1）研制的船體肋板拉入機械裝置必需靈活方便，不受場地限制，既可以用于船體肋板拉入又可實現(xiàn)分段半立體拉入，操作要方便，投資要少，見效要快；

（2）液壓絞車低速扭矩大，運行穩(wěn)定，速度、拉力可控，可防止工件變形，提高裝配質(zhì)量。裝置拉力、速度可調(diào)整和控制并配有聲光報警裝置，可提示作業(yè)者某個區(qū)域有卡阻現(xiàn)象，就近處理；

（3）采用遙控操作，方便靈活，安全可靠。兩套液壓泵站可單獨控制、聯(lián)合控制，單、聯(lián)合控制時拉力及繩速同步性良好，單、聯(lián)合控制均由在線及無線（遙控）手操作盒控制操作；

（4）液壓控制系統(tǒng)具備有超壓溢流功能，配置壓力傳惑器、帶數(shù)顯儀表。任意一臺機組（液壓絞車及液壓站和電控）1#或2#拉入裝置超負荷時，必須保證兩套系統(tǒng)同時停機保護，并用警示燈顯示某個機組過載（防止任意一臺拉入裝置超載拉入，導(dǎo)致工件及絞車及設(shè)備損壞）；

（5）液壓控制系統(tǒng)中絞車拉力及絞車繩速具備調(diào)節(jié)功能，配置拉力傳惑器、帶數(shù)顯儀表。液壓站具有低溫補償功能并自動控溫，保證北方冬季-20 ℃能正常啟動工作；

（6）1#與2#工作平臺的控制信號聯(lián)接，使用防水堅固型航空插頭聯(lián)接，方便快速拆裝聯(lián)接。

船體肋板拉入機械裝置設(shè)計示意圖，如圖1所示。

3? ? 研制內(nèi)容

3.1? ?工藝研究

目前傳統(tǒng)的中底分段建造采用肋扳插裝法，對各工序質(zhì)量控制要求比較低，分段建造精度相對比較差，船臺合攏中修補量大，工時材料浪費也比較多。

（1）傳統(tǒng)插裝法肋板結(jié)構(gòu)形式

插裝工法中梁孔開孔寬度約100㎜，肋板插入T型材后用補板加強處理，安裝施工精度低，補板數(shù)量多，焊接工作量大。傳統(tǒng)肋板補板節(jié)點圖，見圖2所示。

（2）拉入法肋板結(jié)構(gòu)形式

拉入法中梁孔開孔寬度小，T型材與開孔之間的間隙≤3㎜，肋板拉入T型材后，肋板直接與T型材腹板焊接，安裝施工精度高，焊接工作量小，節(jié)省板材及焊材。拉入法船體肋板骨材連接節(jié)點圖/，見圖3所示。

3.2? ?機械裝置技術(shù)要求

（1）由于肋板厚度一般在10～15㎜左右，要求拉入裝置具備拉力調(diào)整控制功能，防止工件變形損壞；

（2）由于半立體分段重量大，幾何尺寸大，要求多套拉入小車具備拉力速度同步控制功能；

（3）由于半立體分段幾何尺寸大，要求控制系統(tǒng)具備在線控制及遙控功能；

（4）由于片體尺寸大，實船建造可考慮劃分為多個尺寸適宜的片體分段，減少安裝重量與安裝尺寸，吊裝過程中可能變形，要求拉入裝置具備變形調(diào)整功能；

（5）由于不同船型中底結(jié)構(gòu)不同，肋板梁孔T型材位置變化大，要求拉入點的出繩位置具備隨意調(diào)整功能；

（6）由于不在大型平面分段流水生產(chǎn)線上布置，要求裝置具備場地使用的靈活性和適用性。

3.3? ?機械裝置設(shè)計方案

機械裝置結(jié)構(gòu)示意圖，見圖4所示。

3.3.1剛性平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）要求結(jié)構(gòu)合理、強度高、精度高，且具備片體變形調(diào)整功能，平臺拆裝吊裝靈活方便；

（2）考慮了片體定位功能；

（3）考慮了電器系統(tǒng)快速聯(lián)接功能；

（4）由于到拉入分段類型繁多，設(shè)計了導(dǎo)向渠，確保適用不同類型分段拉入；

（5）考慮了拉入裝置現(xiàn)場安裝的1#、2#兩塊剛性平臺快捷組合問題。

3.3.2機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于此裝置要完成大型半立體分段的拉入，采用了液壓絞車作為主拉入動力驅(qū)動裝置。

（1）液壓絞車低速大扭矩，運行穩(wěn)定，速度拉力可控，可防止工件變形，提高裝配質(zhì)量；

（2）拉力、速度可調(diào)整控制并配有聲光報警裝置，可提示作業(yè)者某個區(qū)域有卡阻現(xiàn)象，就近處理；

（3）液壓系統(tǒng)采用壓力溢流控制技術(shù)及每套裝置配備拉力傳感器，保證兩套拉入系統(tǒng)的拉力、速度同步，從而確保半立體分段持續(xù)安全可靠拉入；

（4）設(shè)置繩索定向?qū)蜓b置及繩索防脫落裝置，解決了繩索水平多方向運行的技術(shù)難題；

（5）設(shè)置鋼絲繩防護裝置，防止刮削，造成損壞更換。

3.3.3控制系統(tǒng)設(shè)計

考慮到裝置要完成大型半立體分段的拉入，需要多人指揮、多人操作、同步性差等缺點，采用無線遙控控制技術(shù)為本裝置的主控設(shè)計：

（1）多通道工業(yè)級遙控控制系統(tǒng)，單人操作實現(xiàn)多種功能的同步控制功能；

（2）拉力、壓力輸出控制、顯示及報警系統(tǒng)，實現(xiàn)速度拉力可控制；

（3）在線控制系統(tǒng)為備用控制系統(tǒng)，保證設(shè)備操作的可靠性。

3.3.4鋼板調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計

裝置設(shè)計為場地拉入法施工，中薄板組成的焊接片體容易出現(xiàn)彈性變形，設(shè)計上在兩個剛性平臺區(qū)采用電磁調(diào)平系統(tǒng)，解決鋼板變形問題。在每個平臺上均勻布置6塊單臺吸力達5 t的電磁吸盤，兩套共12塊總吸力達60 t，保證片體與平臺嚙合良好。

4? ? 裝置設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

4.1? ?關(guān)鍵技術(shù)

（1）采用了液壓絞車、聲光報警、拉力傳感器和系統(tǒng)壓力溢流裝置，解決了運行穩(wěn)定、過載保護、變形控制等技術(shù)難題；

（2）采用了可自由組合的兩塊工作平臺，可單獨作業(yè)，也可聯(lián)合作業(yè)，改變了拉入法建造工藝設(shè)施需布置在大型平面分段流水線上才能實施拉入法作業(yè)的現(xiàn)狀；

（3）結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、合理，巧妙采用繩索定向、導(dǎo)向裝置，解決了大型平面分段流水線上只能拉入單一類型中底分段難題；

（4）采用同步集中控制技術(shù)，實現(xiàn)兩套絞車同步穩(wěn)定持續(xù)拉入，效率高，減少了操作人員；

（5）采用壓力溢流技術(shù)并配套使用工裝拉板，克服了普通拉入裝置單繩單點拉入容易導(dǎo)致的肋板零件變形、拉入設(shè)備損壞的弊端；

（6）采用電磁調(diào)平裝置，解決了片體吊裝轉(zhuǎn)運后產(chǎn)生彈性變形的矯平問題，實現(xiàn)了在任意場地都能夠順利拉入功能，減少大量運輸修補工時費用。

該裝置使用靈活方便，不受場地限制，既可肋板拉入又可實現(xiàn)半立體分段拉入，操作方便，不對平面生產(chǎn)線構(gòu)成影響，適用于沒有投資能力建設(shè)大型平面分段流水生產(chǎn)線的中小型造船廠，提高造船質(zhì)量，縮短分段建造周期，降低造船成本。

4.2? 創(chuàng)新點

（1）采用兩個可以組合的作業(yè)平臺，可單獨作業(yè)，也可聯(lián)合作業(yè)，靈活方便、不受場地限制，每個作業(yè)平臺上分別配置帶有液壓動力系統(tǒng)的絞車；

（2）拉入繩索通過每個作業(yè)平臺的定向、導(dǎo)向裝置，將中底分段每個肋位的肋板逐一拉入至指定位置，并可設(shè)置兩組拉入裝置同步控制實現(xiàn)半立體分段的整體拉入；

（3）改變了目前拉入法建造工藝設(shè)施需布置在大型平面分段流水線上才能實施作業(yè)的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了一套裝置兩種拉入功能，投資少、見效快；

（4）采用液壓絞車作為主拉入裝置，液壓絞車低速大扭矩，運行穩(wěn)定，速度拉力可控，可防止工件變形，提高裝配質(zhì)量；液壓系統(tǒng)采用壓力溢流控制技術(shù)，每套裝置配備拉力傳感器和速度傳感器，并配有聲光報警裝置，保證兩套拉入系統(tǒng)的拉力、速度同步，確保半立體分段持續(xù)安全可靠拉入。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示；

（5）設(shè)計了鋼絲繩防脫裝置，有效的解決了普通卷楊機拉入裝置頻繁更換鋼絲繩的問題；

（6）設(shè)計了兩套導(dǎo)向渠及導(dǎo)向小車，滿足不同肋板及半立體分段拉入工藝要求，實現(xiàn)多功能拉入，占地少、運行距離短、結(jié)構(gòu)簡單、造價低；

（7）設(shè)計了兩套液壓絞車，分別布置在1#、2#平臺的固定位置，拉入鋼絲繩是通過定向滑輪組及導(dǎo)向滑輪組沿各滑輪組水平多點多方向運動，解決了傳統(tǒng)繩索滑輪組只能垂直單一方向運行的技術(shù)問題；

（8）滑輪組水平多點多方向運行必須克服繩索從滑輪槽中脫落，設(shè)計了防脫落機構(gòu)，解決了拉入繩索水平方向多點多方向自由安全運行的技術(shù)問題；

（9）采用機、電、液、傳感器、無線遙控等同步集中控制技術(shù)，實現(xiàn)兩套絞車同步穩(wěn)定持續(xù)拉入，效率高，減少了操作人員；

（10）設(shè)計了兩種防變形措施：一是液壓系統(tǒng)可設(shè)定壓力溢流，防止拉力過大；二是設(shè)計多套防變形拉板工裝；

（11）設(shè)計了電磁調(diào)平裝置，解決了片體吊裝轉(zhuǎn)運后產(chǎn)生彈性變形的矯平問題，實現(xiàn)在任意場地都能夠順利拉入功能，減少大量運輸修補工時費用；

（12）實現(xiàn)了快速聯(lián)接，可隨時拆卸轉(zhuǎn)運到任意場地內(nèi)安裝。

4.3? 工作原理

在設(shè)有拉入導(dǎo)向渠端（3-1）的拉入裝置（1）的前端設(shè)有1#平臺（1-1）和2#平臺（2-1），在拉入裝置的后側(cè)與1#、2#平臺相連接的位置設(shè)有1#動力平臺（1-2）和2#動力平臺（2-2）。

1#動力平臺和2#動力平臺內(nèi)分別安裝有液壓絞車和遙控控制系統(tǒng)，在液壓絞車上連接有拉入繩索，繩索通過動力平臺定向滑輪組及導(dǎo)向渠中的導(dǎo)向滑輪組進行可變位置的靈活拉入。裝置示意圖見圖6。

5? ? 應(yīng)用實例

通過對某158 000 DWT原油輪的中底部203分段拉入操作試驗數(shù)據(jù)分析，本裝置拉入效率高、操作簡單方便、節(jié)省材料、降低造船成本。

5.1 工時比較

工人勞動強度降低，生產(chǎn)效率提高，與傳統(tǒng)插裝法的工時對比數(shù)據(jù)，見圖7。

5.2? ?物耗比較

與傳統(tǒng)插裝工法相比較，可以節(jié)省大量補板（堵板）、焊材、板材、打磨砂輪片、磨頭等。與傳統(tǒng)插裝法的物耗對比數(shù)據(jù)，見圖8。

5.3? ?成本比較

全船分段總數(shù)220個，其中平直分段129個，實船施工中均采用組合式船體肋板拉入機械裝置施工。據(jù)統(tǒng)計，節(jié)省工時費用25.15萬元，節(jié)省物耗成本75.78萬元，合計節(jié)省成本100.93萬元。

實踐表明：大型及超大型原油輪，因其結(jié)構(gòu)形式簡單、空間大、鋼板較厚，十分適宜采用肋板拉入法制作立體分段。某158 000 DWT油輪中底分段的肋板及半立體分段采用該裝置取得非常理想的效果，降低了工時、物耗成本，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶的使用要求。

6? ? 小結(jié)

該機械裝置適用國內(nèi)大型船廠，也適用于沒有能力購置大型平面分段流水線的中小型造船廠，不受廠房場地限制，具有性價比高、使用靈活等優(yōu)勢。在提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的同時，大幅度縮短了船體分段建造周期，降低了造船成本，在船型方面能夠覆蓋散貨船、原油輪、集裝箱船、礦砂船等，貨艙區(qū)域有利于實現(xiàn)標準化、模塊化作業(yè)[2]，對于船舶建造水平的提高、產(chǎn)品設(shè)計及成本減少、工人作業(yè)環(huán)境改善等具有重要意義[3]。

參考文獻

[1]苑淋涵，張英杰. “三化造船”的規(guī)劃與推進研究[J]. 中外船舶科技，2020（2）.

[2]安恩博. 船體結(jié)構(gòu)裝配工序模型研究及工時計算應(yīng)用[D].大連理工大學(xué)， 2020.

[3]劉穎. 船體分段構(gòu)件的虛擬裝配工藝規(guī)劃技術(shù)研究[D].江蘇科技大學(xué)， 2013.

作者簡介：孫冰妍（1999-），女，在讀碩士研究生。研究方向：船舶與海洋工程、機械。

于功志（1972-），男，副教授。研究方向：船舶與海洋工程、輪機工程。

收稿日期：2022-03-07