船舶動力裝置模塊化建造工藝設計及精度分配

張金國，劉春林，王剛偉，田佳彬

武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢430205

0 引 言

模塊化造船不僅能夠縮短船舶設計、建造周期，提高產(chǎn)品質量，降低制造成本，而且便于設備安裝、維修和改換裝，降低其相關費用［1-2］。動力裝置作為船舶重要組成部分及主要艙室布放系統(tǒng)，其模塊化程度的提高不僅為模塊化造船奠定了基礎，而且有利于提高動力裝置的功率密度，降低船舶負載，有效利用狹小的船舶空間；因此，動力裝置已逐漸向集成化、模塊化方向發(fā)展，形成了動力裝置模塊。

模塊化建造的關鍵在于模塊化設計［2-3］。目前，工程上對于模塊化設計主要側重于船舶總體技術方面，較少針對動力裝置的模塊化設計開展研究分析；同時針對動力裝置模塊化建造精度分配的研究也較少。因此，本文擬根據(jù)大型船舶動力裝置安裝精度高、設備安裝尺寸鏈相互影響性強，以及安裝設備設計艙室區(qū)域廣、安裝難度大等特點，針對“動力裝置模塊—軸系—推進器”這一船舶動力裝置的建造，開展體系化的工藝設計，并運用數(shù)值分析方法對動力裝置安裝工序導致的安裝精度影響及分配進行計算分析，為后續(xù)動力裝置模塊化建造提供必要的指導及技術支持。

1 動力裝置模塊—軸系—推進器建造工藝設計

動力裝置模塊主要包括集成安裝平臺，以及安裝于集成安裝平臺上的汽輪機、減速器、冷凝器、冷卻水泵等多型設備，汽輪機發(fā)出的功率通過減速器傳遞給軸系，做功后的蒸汽通過冷凝器予以冷凝，而冷凝器則通過冷卻水系統(tǒng)完成冷卻功能；冷卻水系統(tǒng)的進水、出水管路與船體結構相連，并與平臺上的冷卻水泵相連，冷卻水系統(tǒng)部分管路直接安裝于平臺上。上述平臺、設備及系統(tǒng)管路的物理對接關系如圖1所示，在進入艙室前，完成組裝及調試試驗后開展進艙安裝工作。而大型船舶的軸系較長，主要包括推力軸承、主軸、彈性聯(lián)軸器等多型設備，在軸系的艉端裝有推進器。

動力裝置模塊—軸系—推進器建造工藝設計主要涉及以下關鍵問題。

1.1 統(tǒng)一安裝基準問題

建立統(tǒng)一的安裝基準是精確定位安裝的基礎，是保證軸系與減速器對接安裝、冷卻水泵進出口管路安裝等滿足安裝精度及振動噪聲控制要求的基礎。

1）統(tǒng)一基準可減少基準轉變過程中的誤差影響，提高建造精度。在基準確定后不得隨意調整基準。

2）在統(tǒng)一基準的基礎上，應提高測量工裝工具精度，強化艇體結構變形、設備安裝狀態(tài)等檢測手段。

3）細化設備安裝、對接精度等方面的技術要求，提高精細化設計及建造水平。

4）在上述工作基礎上，設置必要的“中間安裝狀態(tài)”檢查、測量環(huán)節(jié)（類似于機械裝配中的“研配”環(huán)節(jié)），降低安裝誤差累積效應對安裝狀態(tài)的影響。

1.2 動力裝置模塊與軸系安裝工藝設計

動力裝置模塊上的設備在組裝于平臺上之后再進艙安裝，并與軸系進行對接安裝。兩者對接涉及兩者中哪一方就另一方的問題，或者兩者船上并行安裝，通過調整相對容易調整的一方來就另一方。比如，根據(jù)CB/T3625-1994《舵、軸系找中鏜孔質量要求》［4］中相關的設計規(guī)定，對軸系軸殼進行鏜孔后，軸系軸線已經(jīng)確定；軸系安裝后將無法對軸系進行調整，否則就需重新開展軸系鏜孔工作；因此考慮到上述情況，將通過調整動力裝置模塊來就軸系，從而完成動力裝置模塊與軸系的安裝對接工作。

1.3 減速器—汽輪機—冷凝器安裝工藝設計

如圖1所示，減速器、汽輪機及冷凝器安裝于集成安裝平臺上，對于其安裝次序，可以組成多種方案。一種方案是首先安裝居于平臺中間的汽輪機，然后根據(jù)定位后的汽輪機安裝其后的減速器以及冷凝器，從而防止尺寸鏈過長導致累積誤差過大；另一種方案是先安裝減速器，然后根據(jù)定位后的減速器安裝其后的汽輪機和冷凝器。上述方案孰優(yōu)孰劣，后續(xù)將通過數(shù)值計算方法對其進行對比分析。

1.4 安裝對接環(huán)節(jié)余量設置

對船舶建造來說，設備或模塊安裝于艙內，對于其安裝精度有一定的要求；同時，考慮到“動力裝置模塊—軸系—推進器”安裝尺寸鏈較長，各對接安裝環(huán)節(jié)相對理論設計均有一定的偏差，其誤差累積后將導致較大的數(shù)值；因此，從工程角度來講，一方面需要設置安裝對接環(huán)節(jié)，通過調節(jié)余量來解決誤差累積；另一方面，通過提高各對接安裝環(huán)節(jié)的安裝精度，避免最終安裝累積誤差過大甚至不能對接安裝的情況發(fā)生。

2 動力裝置模塊—軸系精度分配方法及分配流程

目前常用的精度分配方法有母型法、標準法、工程經(jīng)驗法和數(shù)值分析法［5］。在考慮船體結構、設備制造、安裝能力的情況下，分析設備安裝工藝流程，建立數(shù)學模型，確定尺寸鏈方程［6］。根據(jù)精度分配方法，確定各組成環(huán)的制造精度、安裝精度分配指標，核算封閉環(huán)合成精度是否滿足調整能力的要求，精度分配流程如圖2所示。

從圖2可以看出，精度分配包含自頂向下和自下而上的過程。精度分配正向求解得到調整能力或約束要求，反向求解給出偏差控制要求；基于工程因素的關系，需要自頂向下和自下而上進行迭代來尋求合理可行的解［7］。

3 精度分配方法工程適用性驗證

對已建船舶的建造數(shù)據(jù)進行了收集整理，同時按照上述數(shù)值計算方法對已建船舶開展理論計算，對比分析實船建造數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結果的差異，以驗證精度分配方法的工程適用性。

已建船舶軸系從艉向艏包括螺旋槳軸、艉軸、推力軸承、中間軸和高彈聯(lián)軸器，高彈聯(lián)軸器艏端與減速器連接。以高彈聯(lián)軸器輸入端定位（垂向）為封閉環(huán)Z，各組成環(huán)zi包括：

1）軸系艉部基準點的定位zsshaft，組成環(huán)

2）艉軸與螺旋槳軸的對中偏斜和偏移（分別記為x和z），組成環(huán)z2=8.840x1+z1，其中8.840 m為艉軸的長度；

3）推力軸承與艉軸的對中偏斜和偏移，組成環(huán)z3=3.320(x1+x2)+z2，其中3.320 m為推力軸承的長度；

4）中間軸與推力軸承的對中偏斜和偏移，組成環(huán)z4=2.350(x1+x2+x3)+z3，其中2.350 m為中間軸的長度；

5）高彈聯(lián)軸器與中間軸的對中偏斜和偏移，組成環(huán)z5=1.770(x1+x2+x3+x4)+z4，其中1.770 m為高彈聯(lián)軸器的長度。

由于偏移和偏斜的方向未知，以上組成環(huán)均可認為是增環(huán)，因此封閉環(huán)尺寸鏈公式為

以上封閉環(huán)尺寸鏈共有9個變量，根據(jù)相關標準要求各變量的基準值及偏差值，并代入式（1），對其進行計算，計算結果如下。

1）采用極值法。

上偏差尺寸為

下偏差尺寸為

2）采用概率法（組成環(huán)為正態(tài)分布）。

上偏差尺寸為

式中，C為可靠性系數(shù)，可通過計算得到。下偏差尺寸為

3）采用概率法（組成環(huán)分布不明確）。

此時，封閉環(huán)公差（誤差）公式為

上偏差尺寸為

下偏差尺寸為

應用上述方法，對已建船舶軸系的建造偏差進行了計算，計算結果如表1所示。

表1 已建船舶軸系垂向理論分析計算結果Table 1 Computational results of vertical deviation of a ship's shafting

計算分析顯示：對于安裝尺寸鏈較多的封閉組成環(huán)，采用極值法的計算結果數(shù)值較大。該方法較為保守，其結果會使各組成環(huán)分配較嚴的公差，因而有一定的局限性。因此在船舶建造中，按極值法計算的公差較為嚴格，會增加工藝上的困難和制造成本［8］。

已建船舶軸系高彈聯(lián)軸器與減速器安裝對接時，軸系較減速器低約2～4 mm，較具代表性的兩條船分別為4.0和4.3 mm，與采用概率法的理論計算分析結果比較吻合。

4 動力裝置模塊—軸系對接安裝精度計算及分析

按照上述精度分配方法，對某型船舶軸系—動力裝置模塊—船體基座、軸系—動力裝置模塊—冷卻水系統(tǒng)出口、軸系—動力裝置模塊—冷卻水系統(tǒng)進口等對接安裝尺寸鏈進行了數(shù)值分析；同時按照減速器、汽輪機安裝次序的不同，分別開展了分析計算，計算結果如表2～表4所示。

通過對比分析上述數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：

1）在精度分配及安裝余量設置方面，各對接安裝環(huán)節(jié)精度分配合理可行，與現(xiàn)有國內船舶建造能力匹配性強；相關調節(jié)余量設置滿足船舶建造要求，可用于指導船舶動力裝置模塊化建造。

2）“先裝汽輪機”、“先裝減速器”尺寸鏈計算結果對比分析表明，兩種方式的計算結果差異不大。初步分析認為，使用概率法（組成環(huán)分布不明確）進行理論計算時，各對接環(huán)節(jié)方向不予以“人為干涉”。在船舶實際安裝過程中，“動力裝置模塊安裝”與“軸系安裝”是并行開展的，因此無法通過減速器或汽輪機安裝起到“向偏差方向小進行調整”的作用。因此，在可獲取軸系實船安裝偏差數(shù)據(jù)的情況下，利用該數(shù)據(jù)指導模塊上減速器、汽輪機安裝偏差向相反方向進行，更有利于軸系與主減速器、模塊與船體基座，以及冷卻水進、出口管路的安裝偏差向較小方向發(fā)展。

表2 “軸系—動力裝置模塊—船體基座”對接安裝分析計算結果Table 2 The computational results of“shafting-marine power plant-hull”fixing

表3 “軸系-動力裝置模塊-冷卻水出口管路”對接安裝分析計算結果Table 3 The computational results of“shafting-marine power plant-outlet pipeline of cooling water”fixing

表4 “軸系—動力裝置模塊—冷卻水進口管路”對接安裝分析計算結果Table 4 The computational results of“shafting-marine power plant-inlet pipeline ofcooling water”fixing

5 結 語

本文針對船舶動力裝置模塊化建造中碰到的對接安裝精度高、設備安裝尺寸鏈長、安裝對接接口多等特點，重點開展了統(tǒng)一安裝基準、動力裝置模塊與軸系對接安裝、動力裝置上集成設備的安裝次序等方面的工藝分析研究。將極值法、概率法等數(shù)值計算方法分析結果與已建船舶建造偏差數(shù)據(jù)進行了對比，結果表明，采用概率法這一數(shù)值計算方法具有較強的工程指導作用。在此基礎上，運用數(shù)值計算方法對動力裝置多個對接安裝精度分配情況進行了計算分析，分析表明，各對接安裝環(huán)節(jié)精度分配合理可行，相關調節(jié)余量設置滿足船舶建造要求，可用于指導船舶動力裝置模塊化建造。船廠可在上述工藝設計的基礎上，通過某些環(huán)節(jié)人為調整偏差，實現(xiàn)后續(xù)環(huán)節(jié)安裝對接偏差向較小方向發(fā)展；同時進一步強化各安裝對接環(huán)節(jié)的精度控制，以期達到精細化建造的目的。

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