鄔昌平， 趙 亮， 謝 妤

(1.上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司， 上海201913； 2. 滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海200129)

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas， LNG)船是國(guó)際公認(rèn)的高技術(shù)、高難度和高附加值的“三高”船舶，其液貨圍護(hù)系統(tǒng)、液貨駁運(yùn)系統(tǒng)和特殊的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成了LNG船的3大特點(diǎn)，其中液貨圍護(hù)系統(tǒng)是整個(gè)LNG船最特殊的區(qū)域，必須確保運(yùn)輸?shù)?163 ℃液化天然氣不會(huì)在液貨艙內(nèi)大量揮發(fā)，設(shè)計(jì)與建造難度極大。

上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱公司)承建的No.96薄膜型LNG船設(shè)有4個(gè)液貨艙，液貨艙鋼結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)性驗(yàn)收后開始建造液貨艙絕緣層，液貨艙絕緣層由次絕緣層(次絕緣箱+次層殷瓦)和主絕緣層(主絕緣箱+主層殷瓦)組成(見圖1)，次絕緣層和主絕緣層對(duì)于每一個(gè)10面體的液貨艙來說均是能夠承受一定壓力的密封層。

殷瓦卡舌折邊機(jī)主要用于將殷瓦舌板預(yù)制成L形(見圖2)，并將其穿入上述次絕緣箱表面開設(shè)的T形槽內(nèi)。液貨艙軸線方向的L形卡舌長(zhǎng)度約為43 m，橫向每相隔500 mm就會(huì)放置這種L形卡舌，直至布滿液貨艙的10個(gè)面，卡舌左右兩側(cè)安裝了厚度為0.7 mm的等長(zhǎng)于舌板的殷瓦列板，液貨艙前后方向的殷瓦卡舌和列板安裝完成后，殷瓦縫焊機(jī)對(duì)卡舌與左右兩側(cè)的殷瓦列板做縫焊，形成液貨艙的次絕緣層。

圖2 折彎前后的舌板材料

殷瓦卡舌折邊機(jī)是建造LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，公司自2005年從法國(guó)ERI公司引進(jìn)，至今已完成近20條該類型船舶的建造。然而，在液貨圍護(hù)系統(tǒng)的建造過程中，該設(shè)備暴露出穩(wěn)定性差、舌板成形缺陷和質(zhì)量不佳、伺服控制器損壞嚴(yán)重等諸多問題，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

1 殷瓦卡舌折邊機(jī)機(jī)械性能及存在的問題

殷瓦卡舌折邊機(jī)主要由伺服控制箱、卡舌折邊機(jī)機(jī)頭和控制盒組成，卡舌折邊機(jī)機(jī)頭(見圖3)主要由伺服控制器、伺服電機(jī)、減速機(jī)、成形輪、輸送導(dǎo)向臂組成，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由法國(guó)ERI公司生產(chǎn)，通過法國(guó)GTT(Gaztransport & Technigaz)公司認(rèn)可，適用于No.96-2(標(biāo)準(zhǔn))的LNG船建造，在日本、韓國(guó)及法國(guó)大西洋等船廠中均有使用。

1.1 機(jī)械功能

設(shè)備功能是將殷瓦舌板材料放置在料盤內(nèi)，通過30°、60°、90°壓輪，連續(xù)滾壓成L形殷瓦舌板，并根據(jù)法國(guó)GTT公司的要求，插入次絕緣箱的T形槽內(nèi)。

1.2 技術(shù)性能

(1) 機(jī)械參數(shù)。速度：0～n可調(diào)；額定速度：n=3 000 mm/min；最大速度：nmax=4 100 mm/min。

(2) 供電及控制。伺服控制供電：DC 48 V；直流無刷電機(jī)控制：帶換相監(jiān)測(cè)霍爾傳感器的三相變頻伺服控制；配電箱供電：?jiǎn)蜗?30 V，50 Hz。

1.3 存在的問題

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和跟蹤考察發(fā)現(xiàn)，法國(guó)ERI公司殷瓦卡舌折邊機(jī)存在如下問題：

(1) 穩(wěn)定性較差。設(shè)備無法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，大多數(shù)設(shè)備通常在折彎5～10條長(zhǎng)約43 m的舌板后，便會(huì)出現(xiàn)停止運(yùn)行的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)生產(chǎn)。

(2) 存在失控現(xiàn)象。在實(shí)船建造過程中，為縮短操作盒電纜的長(zhǎng)度，通常將伺服控制箱布置在液貨艙中部位置(距離卡舌折邊機(jī)機(jī)頭約22 m處)。當(dāng)設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)控制盒失控現(xiàn)象時(shí)，須按下伺服控制箱上的緊急停止按鈕方可使設(shè)備停止工作。在操作人員跑向伺服控制箱的這段時(shí)間里，L形舌板前端在次絕緣箱卡舌槽內(nèi)被頂死，卡舌折邊機(jī)又繼續(xù)以設(shè)定的速度輸出，使得設(shè)備尾端的L形舌板隆起，導(dǎo)致卡舌報(bào)廢。

(3) 伺服控制器損壞嚴(yán)重。該進(jìn)口設(shè)備在連續(xù)使用后會(huì)出現(xiàn)機(jī)械運(yùn)行走走停停的現(xiàn)象，甚至發(fā)生控制器、電路板損毀的現(xiàn)象，不但影響生產(chǎn)而且增加維修成本。

(4) 機(jī)械設(shè)計(jì)存在缺陷。該設(shè)備幾乎所有的伺服電機(jī)與齒輪箱均會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象，甚至在卡舌折邊機(jī)工作期間發(fā)生伺服電機(jī)與齒輪箱脫落的情況。

2 問題剖析與解決

卡舌折邊機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)(見圖4)主要由伺服控制器、伺服電機(jī)、齒輪箱組成。伺服電機(jī)連續(xù)做功導(dǎo)致溫升及發(fā)熱，而該設(shè)備的伺服控制器散熱面積過小，對(duì)伺服控制器造成嚴(yán)重影響，具體分析如下。

圖4 卡舌折邊機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電機(jī)做功溫升過高所引起的機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定分析與對(duì)策

滾壓L形殷瓦卡舌成形需約200 W功率，采用48 V、230 W瑞典產(chǎn)直流無刷伺服電機(jī)(見圖5)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，連續(xù)運(yùn)行1個(gè)工作日，電機(jī)溫度可達(dá)70～80 ℃，這一溫度致使放置在電機(jī)內(nèi)用以監(jiān)測(cè)位置的傳感器非常敏感，甚至?xí)鲥e(cuò)，這是造成機(jī)械運(yùn)行不穩(wěn)定的因素之一。

圖5 直流無刷伺服電機(jī)

從圖5所示的直流無刷伺服電機(jī)圖可以看出：該電機(jī)沒有設(shè)置散熱裝置，在工作負(fù)載暫載率≤40%的工況下，沒有任何問題；若工作負(fù)載暫載率為100%，則會(huì)出現(xiàn)溫度隨時(shí)間不斷升高的問題，導(dǎo)致電機(jī)過熱，影響機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性。

在電機(jī)表面無散熱材料的工況下，根據(jù)傅里葉定律，熱阻方程式為

(1)

式中：R為熱阻，°C/W；q為熱流或功率，W；T1為電機(jī)溫度，℃；T2為電機(jī)散熱器溫度，℃；ΔT為2個(gè)不同表面的溫度差，℃。

根據(jù)上述方程式，當(dāng)電機(jī)沒有設(shè)置散熱器時(shí)ΔT=T1，當(dāng)其他條件相同時(shí)，熱阻最大。

對(duì)于過大的熱阻所引起的電機(jī)過熱，可以通過增加電機(jī)的散熱器予以解決，如圖6所示。

圖6 電機(jī)安裝的散熱器

電機(jī)加裝散熱器后，增加了散熱面積，設(shè)定散熱器允許溫度T2為50 ℃，如圖7所示。

圖7 散熱器安裝

將電機(jī)表面溫度T1=80 ℃，q=200 W，散熱器表面溫度T2=50 ℃，代入式(1)，得出

(1) 電機(jī)沒有設(shè)置散熱器時(shí)的熱阻為

(2) 電機(jī)設(shè)置散熱器時(shí)的熱阻為

由式(2)和式(3)可以得出：電機(jī)設(shè)置散熱器后的熱阻是沒有設(shè)置散熱器熱阻的37.5%，該結(jié)論得到法國(guó)ERI公司認(rèn)可，改造后的卡舌折邊機(jī)用于實(shí)船生產(chǎn)效果顯著，能連續(xù)工作而不停頓，提高了工作效率，降低了設(shè)備使用成本。

2.2 伺服控制器溫升過高所引起的機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定及控制器損壞分析與對(duì)策

該設(shè)備使用的伺服控制器用于直流無刷電機(jī)的伺服控制，俗稱直流變頻器。在連續(xù)工作的工況下，隨著時(shí)間的推移，伺服控制器及控制器內(nèi)部的功率器件的溫度會(huì)不斷升高，導(dǎo)致伺服控制器工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)損壞，故伺服控制器的散熱非常重要，為此對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。下面以三維實(shí)體模型展現(xiàn)設(shè)計(jì)，并且對(duì)照法國(guó)ERI公司的伺服控制器的散熱設(shè)計(jì)，比較發(fā)現(xiàn)其散熱的特性遠(yuǎn)勝于法國(guó)ERI公司的設(shè)計(jì)，已通過1條船次層液貨艙的施工驗(yàn)證該設(shè)計(jì)是高效合理的，如圖8～圖10所示。

圖8 表面積為3 709 mm2的法國(guó)ERI公司伺服控制器散熱器

圖9 表面積為9 254 mm2的滬東型電機(jī)/伺服控制器散熱器

圖10 表面積為9 254 mm2的滬東型電機(jī)/伺服控制器散熱器總成圖

2.3 電機(jī)及減速機(jī)在工作過程中松動(dòng)和脫落問題的分析與對(duì)策

法國(guó)ERI公司殷瓦卡舌折邊機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(減速機(jī)、伺服電機(jī)、伺服控制器)設(shè)計(jì)存在懸臂過大(206.3 mm)的問題，另外在折邊過程中存在振動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致減速機(jī)與伺服電機(jī)的連接螺栓松動(dòng)與脫落的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如圖11和圖12所示。

圖11 減速機(jī)與伺服電機(jī)結(jié)合部

圖12 減速機(jī)與伺服電機(jī)連接齒輪

盡管對(duì)連接螺栓采取了放松措施，減速機(jī)與伺服電機(jī)松動(dòng)與脫落現(xiàn)象依舊。為此，在重新設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)器、散熱器時(shí)，通過上、下散熱器的裝配(見圖13和圖14)，使得伺服電機(jī)與減速機(jī)連成一體，防止減速器與電機(jī)松動(dòng)與脫落，通過實(shí)船使用，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的有效性。

圖13 減速機(jī)與伺服電機(jī)上散熱器的連接設(shè)計(jì)

圖14 減速機(jī)與伺服電機(jī)下散熱器的連接設(shè)計(jì)

3 結(jié)束語

對(duì)法國(guó)ERI公司最新一批5臺(tái)殷瓦卡舌折邊機(jī)進(jìn)行改造(見圖15)，順利解決了上述設(shè)備存在的穩(wěn)定性差、舌板成形缺陷和質(zhì)量不佳、伺服控制器損壞嚴(yán)重等問題。在目前的實(shí)船生產(chǎn)中，該設(shè)備始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，生產(chǎn)效率大幅提升，整體改造取得了良好的使用效果，受到了使用部門的認(rèn)可。

圖15 滬東中華改進(jìn)后的法國(guó)ERI公司 次層殷瓦卡舌折邊機(jī)