張金國(guó)，劉春林，王剛偉，田佳彬

武漢第二船舶設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、建造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，而且便于設(shè)備安裝、維修和改換裝，降低其相關(guān)費(fèi)用［1-2］。動(dòng)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(chǔ)，而且有利于提高動(dòng)力裝置的功率密度，降低船舶負(fù)載，有效利用狹小的船舶空間；因此，動(dòng)力裝置已逐漸向集成化、模塊化方向發(fā)展，形成了動(dòng)力裝置模塊。

模塊化建造的關(guān)鍵在于模塊化設(shè)計(jì)［2-3］。目前，工程上對(duì)于模塊化設(shè)計(jì)主要側(cè)重于船舶總體技術(shù)方面，較少針對(duì)動(dòng)力裝置的模塊化設(shè)計(jì)開展研究分析；同時(shí)針對(duì)動(dòng)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(dòng)力裝置安裝精度高、設(shè)備安裝尺寸鏈相互影響性強(qiáng)，以及安裝設(shè)備設(shè)計(jì)艙室區(qū)域廣、安裝難度大等特點(diǎn)，針對(duì)“動(dòng)力裝置模塊—軸系—推進(jìn)器”這一船舶動(dòng)力裝置的建造，開展體系化的工藝設(shè)計(jì)，并運(yùn)用數(shù)值分析方法對(duì)動(dòng)力裝置安裝工序?qū)е碌陌惭b精度影響及分配進(jìn)行計(jì)算分析，為后續(xù)動(dòng)力裝置模塊化建造提供必要的指導(dǎo)及技術(shù)支持。

1 動(dòng)力裝置模塊—軸系—推進(jìn)器建造工藝設(shè)計(jì)

動(dòng)力裝置模塊主要包括集成安裝平臺(tái)，以及安裝于集成安裝平臺(tái)上的汽輪機(jī)、減速器、冷凝器、冷卻水泵等多型設(shè)備，汽輪機(jī)發(fā)出的功率通過(guò)減速器傳遞給軸系，做功后的蒸汽通過(guò)冷凝器予以冷凝，而冷凝器則通過(guò)冷卻水系統(tǒng)完成冷卻功能；冷卻水系統(tǒng)的進(jìn)水、出水管路與船體結(jié)構(gòu)相連，并與平臺(tái)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(tái)上。上述平臺(tái)、設(shè)備及系統(tǒng)管路的物理對(duì)接關(guān)系如圖1所示，在進(jìn)入艙室前，完成組裝及調(diào)試試驗(yàn)后開展進(jìn)艙安裝工作。而大型船舶的軸系較長(zhǎng)，主要包括推力軸承、主軸、彈性聯(lián)軸器等多型設(shè)備，在軸系的艉端裝有推進(jìn)器。

動(dòng)力裝置模塊—軸系—推進(jìn)器建造工藝設(shè)計(jì)主要涉及以下關(guān)鍵問(wèn)題。

1.1 統(tǒng)一安裝基準(zhǔn)問(wèn)題

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

1）統(tǒng)一基準(zhǔn)可減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的誤差影響，提高建造精度。在基準(zhǔn)確定后不得隨意調(diào)整基準(zhǔn)。

2）在統(tǒng)一基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)提高測(cè)量工裝工具精度，強(qiáng)化艇體結(jié)構(gòu)變形、設(shè)備安裝狀態(tài)等檢測(cè)手段。

3）細(xì)化設(shè)備安裝、對(duì)接精度等方面的技術(shù)要求，提高精細(xì)化設(shè)計(jì)及建造水平。

4）在上述工作基礎(chǔ)上，設(shè)置必要的“中間安裝狀態(tài)”檢查、測(cè)量環(huán)節(jié)（類似于機(jī)械裝配中的“研配”環(huán)節(jié)），降低安裝誤差累積效應(yīng)對(duì)安裝狀態(tài)的影響。

1.2 動(dòng)力裝置模塊與軸系安裝工藝設(shè)計(jì)

動(dòng)力裝置模塊上的設(shè)備在組裝于平臺(tái)上之后再進(jìn)艙安裝，并與軸系進(jìn)行對(duì)接安裝。兩者對(duì)接涉及兩者中哪一方就另一方的問(wèn)題，或者兩者船上并行安裝，通過(guò)調(diào)整相對(duì)容易調(diào)整的一方來(lái)就另一方。比如，根據(jù)CB/T3625-1994《舵、軸系找中鏜孔質(zhì)量要求》［4］中相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)定，對(duì)軸系軸殼進(jìn)行鏜孔后，軸系軸線已經(jīng)確定；軸系安裝后將無(wú)法對(duì)軸系進(jìn)行調(diào)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(guò)調(diào)整動(dòng)力裝置模塊來(lái)就軸系，從而完成動(dòng)力裝置模塊與軸系的安裝對(duì)接工作。

1.3 減速器—汽輪機(jī)—冷凝器安裝工藝設(shè)計(jì)

如圖1所示，減速器、汽輪機(jī)及冷凝器安裝于集成安裝平臺(tái)上，對(duì)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(tái)中間的汽輪機(jī)，然后根據(jù)定位后的汽輪機(jī)安裝其后的減速器以及冷凝器，從而防止尺寸鏈過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致累積誤差過(guò)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(jī)和冷凝器。上述方案孰優(yōu)孰劣，后續(xù)將通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

1.4 安裝對(duì)接環(huán)節(jié)余量設(shè)置

對(duì)船舶建造來(lái)說(shuō)，設(shè)備或模塊安裝于艙內(nèi)，對(duì)于其安裝精度有一定的要求；同時(shí)，考慮到“動(dòng)力裝置模塊—軸系—推進(jìn)器”安裝尺寸鏈較長(zhǎng)，各對(duì)接安裝環(huán)節(jié)相對(duì)理論設(shè)計(jì)均有一定的偏差，其誤差累積后將導(dǎo)致較大的數(shù)值；因此，從工程角度來(lái)講，一方面需要設(shè)置安裝對(duì)接環(huán)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)余量來(lái)解決誤差累積；另一方面，通過(guò)提高各對(duì)接安裝環(huán)節(jié)的安裝精度，避免最終安裝累積誤差過(guò)大甚至不能對(duì)接安裝的情況發(fā)生。

2 動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)法、工程經(jīng)驗(yàn)法和數(shù)值分析法［5］。在考慮船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備制造、安裝能力的情況下，分析設(shè)備安裝工藝流程，建立數(shù)學(xué)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(biāo)，核算封閉環(huán)合成精度是否滿足調(diào)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(guò)程。精度分配正向求解得到調(diào)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(guān)系，需要自頂向下和自下而上進(jìn)行迭代來(lái)尋求合理可行的解［7］。

3 精度分配方法工程適用性驗(yàn)證

對(duì)已建船舶的建造數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集整理，同時(shí)按照上述數(shù)值計(jì)算方法對(duì)已建船舶開展理論計(jì)算，對(duì)比分析實(shí)船建造數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的差異，以驗(yàn)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(zhǔn)點(diǎn)的定位zsshaft，組成環(huán)

2）艉軸與螺旋槳軸的對(duì)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(zhǎng)度；

3）推力軸承與艉軸的對(duì)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(zhǎng)度；

4）中間軸與推力軸承的對(duì)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(zhǎng)度；

5）高彈聯(lián)軸器與中間軸的對(duì)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(zhǎng)度。

由于偏移和偏斜的方向未知，以上組成環(huán)均可認(rèn)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(gè)變量，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求各變量的基準(zhǔn)值及偏差值，并代入式（1），對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)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(guò)計(jì)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(shí)，封閉環(huán)公差（誤差）公式為

上偏差尺寸為

下偏差尺寸為

應(yīng)用上述方法，對(duì)已建船舶軸系的建造偏差進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 已建船舶軸系垂向理論分析計(jì)算結(jié)果Table 1 Computational results of vertical deviation of a ship's shafting

計(jì)算分析顯示：對(duì)于安裝尺寸鏈較多的封閉組成環(huán)，采用極值法的計(jì)算結(jié)果數(shù)值較大。該方法較為保守，其結(jié)果會(huì)使各組成環(huán)分配較嚴(yán)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(jì)算的公差較為嚴(yán)格，會(huì)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(duì)接時(shí)，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(jì)算分析結(jié)果比較吻合。

4 動(dòng)力裝置模塊—軸系對(duì)接安裝精度計(jì)算及分析

按照上述精度分配方法，對(duì)某型船舶軸系—?jiǎng)恿ρb置模塊—船體基座、軸系—?jiǎng)恿ρb置模塊—冷卻水系統(tǒng)出口、軸系—?jiǎng)恿ρb置模塊—冷卻水系統(tǒng)進(jìn)口等對(duì)接安裝尺寸鏈進(jìn)行了數(shù)值分析；同時(shí)按照減速器、汽輪機(jī)安裝次序的不同，分別開展了分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2～表4所示。

通過(guò)對(duì)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(shè)置方面，各對(duì)接安裝環(huán)節(jié)精度分配合理可行，與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)船舶建造能力匹配性強(qiáng)；相關(guān)調(diào)節(jié)余量設(shè)置滿足船舶建造要求，可用于指導(dǎo)船舶動(dòng)力裝置模塊化建造。

2）“先裝汽輪機(jī)”、“先裝減速器”尺寸鏈計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析表明，兩種方式的計(jì)算結(jié)果差異不大。初步分析認(rèn)為，使用概率法（組成環(huán)分布不明確）進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，各對(duì)接環(huán)節(jié)方向不予以“人為干涉”。在船舶實(shí)際安裝過(guò)程中，“動(dòng)力裝置模塊安裝”與“軸系安裝”是并行開展的，因此無(wú)法通過(guò)減速器或汽輪機(jī)安裝起到“向偏差方向小進(jìn)行調(diào)整”的作用。因此，在可獲取軸系實(shí)船安裝偏差數(shù)據(jù)的情況下，利用該數(shù)據(jù)指導(dǎo)模塊上減速器、汽輪機(jī)安裝偏差向相反方向進(jìn)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(jìn)、出口管路的安裝偏差向較小方向發(fā)展。

表2 “軸系—?jiǎng)恿ρb置模塊—船體基座”對(duì)接安裝分析計(jì)算結(jié)果Table 2 The computational results of“shafting-marine power plant-hull”fixing

表3 “軸系-動(dòng)力裝置模塊-冷卻水出口管路”對(duì)接安裝分析計(jì)算結(jié)果Table 3 The computational results of“shafting-marine power plant-outlet pipeline of cooling water”fixing

表4 “軸系—?jiǎng)恿ρb置模塊—冷卻水進(jìn)口管路”對(duì)接安裝分析計(jì)算結(jié)果Table 4 The computational results of“shafting-marine power plant-inlet pipeline ofcooling water”fixing

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)船舶動(dòng)力裝置模塊化建造中碰到的對(duì)接安裝精度高、設(shè)備安裝尺寸鏈長(zhǎng)、安裝對(duì)接接口多等特點(diǎn)，重點(diǎn)開展了統(tǒng)一安裝基準(zhǔn)、動(dòng)力裝置模塊與軸系對(duì)接安裝、動(dòng)力裝置上集成設(shè)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(jì)算方法分析結(jié)果與已建船舶建造偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，采用概率法這一數(shù)值計(jì)算方法具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo)作用。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)動(dòng)力裝置多個(gè)對(duì)接安裝精度分配情況進(jìn)行了計(jì)算分析，分析表明，各對(duì)接安裝環(huán)節(jié)精度分配合理可行，相關(guān)調(diào)節(jié)余量設(shè)置滿足船舶建造要求，可用于指導(dǎo)船舶動(dòng)力裝置模塊化建造。船廠可在上述工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)某些環(huán)節(jié)人為調(diào)整偏差，實(shí)現(xiàn)后續(xù)環(huán)節(jié)安裝對(duì)接偏差向較小方向發(fā)展；同時(shí)進(jìn)一步強(qiáng)化各安裝對(duì)接環(huán)節(jié)的精度控制，以期達(dá)到精細(xì)化建造的目的。

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