祁偉民，李 芳，屈繼強(qiáng)，金 鑫，周春立，華學(xué)明

（1.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129；2.上海交通大學(xué)上海市激光與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.中國船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129；4.上海寶業(yè)機(jī)電有限公司，上海 201900）

0 引 言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運(yùn)輸船液貨圍護(hù)系統(tǒng)是LNG 船的核心裝置之一，目前正逐漸向高可靠性、低蒸發(fā)率、低生產(chǎn)成本和低維護(hù)費(fèi)用等方向發(fā)展。由我國自主研發(fā)設(shè)計(jì)的第四代17.4 萬mLNG首制船于2017 年11 月在滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“滬東廠”）開始建造，該船采用了法國GTT公司最新一代No.96 L03 +型液貨圍護(hù)系統(tǒng)，其蒸發(fā)率僅為0.1%，低溫絕緣性能相比以往提升了30%以上。

No.96 型液貨圍護(hù)系統(tǒng)的艙體為八邊形，由10 個(gè)面組成，見圖1。每個(gè)面有主、次2 個(gè)屏蔽層，每個(gè)屏蔽層都由屏壁和絕緣箱組成，其中屏壁材料是厚度為0.7 mm的殷瓦鋼。No.96 型液貨圍護(hù)系統(tǒng)的絕緣箱為填充珍珠巖的膠合板木箱，其中，主層絕緣箱高度為230 mm，次層絕緣箱高度為300 mm。No.96 L03 +型液貨圍護(hù)系統(tǒng)的主、次屏壁仍為殷瓦鋼，主層絕緣箱與No.96 型標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱相比，高度不變，內(nèi)部填充物由珍珠巖改為了玻璃棉。次層絕緣箱變?yōu)? 層，總高度仍為300 mm，其中原木箱厚度減小到92 mm，內(nèi)部填充物也改為玻璃棉，底部增加一層高度為208 mm的聚氨酯R-PUF泡沫。

圖1 No.96 L03 +型液貨圍護(hù)系統(tǒng)

上述174 000 m的L03 +型LNG船上有4 個(gè)液貨艙，每個(gè)液貨艙內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱共有6 類，數(shù)量為4 萬多個(gè)。No.96 L03 +型液貨圍護(hù)系統(tǒng)的主層絕緣箱僅填充材料發(fā)生了變化，絕緣箱本體的制造方法可與原制造方法保持一致。本文主要介紹次層絕緣箱的制造方法。

1 No.96-L03 +型絕緣箱分析

1.1 液貨艙分區(qū)和絕緣箱的特點(diǎn)

在各液貨艙內(nèi)部的不同區(qū)域安裝不同型號(hào)的絕緣箱，主要分為普通箱區(qū)域、加強(qiáng)箱區(qū)域和超級(jí)加強(qiáng)箱區(qū)域，見圖2。不同圖樣表示的是儲(chǔ)罐內(nèi)的不同區(qū)域，組成各區(qū)域的絕緣箱的種類亦各不相同。No.96-L03 +型液貨艙的普通箱區(qū)域位于液貨艙的平面部分，其標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱型為K1和K3，其中，K1 為次層絕緣箱，K3 為主層絕緣箱；加強(qiáng)箱區(qū)域位于液貨艙底部靠近角落的區(qū)域，其標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱型為K2 和K4，其中，K2 為次層絕緣箱，K4 為主層絕緣箱；超級(jí)加強(qiáng)箱區(qū)域區(qū)域位于液貨艙頂部靠近角落的區(qū)域，其標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱型為K5 和K7，其中，K5 為次層絕緣箱，K7 為主層絕緣箱。K1 箱由聚氨酯材料與膠合板粘接而成；K3、K4 和K7 箱為單層膠合板木箱；K2 和K5 箱由膠合板和聚氨酯R-PUF 泡沫2 層組成，二者的外形基本相同，可采用相同的工藝制造。表1 為No.96 L03 +型液貨圍護(hù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱參數(shù)。下面以K2 箱為例進(jìn)行分析。

圖2 液貨艙內(nèi)部區(qū)域分布圖

表1 L03 +型液貨圍護(hù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱參數(shù)

1.2 K2 型雙層標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱

K2 型雙層標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱示意圖見圖3。上層箱體的外形尺寸（長×寬×高）為1 140 mm ×999 mm×92 mm。箱體內(nèi)部由6 塊長而窄的膠合板分隔成7 個(gè)隔間，內(nèi)部隔板厚12 mm，每個(gè)隔間內(nèi)都填充有玻璃棉，箱體側(cè)面還留有4 個(gè)間距相同的小孔，用于通入惰性氣體。下層箱體的外形尺寸（長×寬×高）為1 182 mm×999 mm×208 mm。

圖3 K2型雙層標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱示意圖

2 制造工藝流程設(shè)計(jì)

滬東廠現(xiàn)有的生產(chǎn)線僅能生產(chǎn)單層的膠合板木箱，生產(chǎn)流程見圖4a。標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱自動(dòng)生產(chǎn)線的主要工序包括：部件板裝配；側(cè)板打釘；箱體底板裝配及打釘；箱體翻轉(zhuǎn)；箱體整平；玻璃棉填充；箱體頂板固定及打釘；成品檢驗(yàn)與包裝。圖5 為絕緣箱生產(chǎn)線工位圖，其中虛線框內(nèi)的各工位為原有生產(chǎn)線的工位布置情況。首先，在M10 和M20工位，操作工在模具盤上拼裝上層箱體的框架，搭載各插板并進(jìn)行固定；其次，由機(jī)器人R1 完成箱體側(cè)板的自動(dòng)打釘；最后，在M30 工位由操作工拼裝底板，由機(jī)器人R2 自動(dòng)打釘。在生產(chǎn)線的起始端和末端分別設(shè)計(jì)升降機(jī)工位，生產(chǎn)線為上、下雙層結(jié)構(gòu)。箱體流轉(zhuǎn)到后升降臺(tái)工位，由機(jī)器人R3 抓取箱體，完成翻轉(zhuǎn)之后送入整平工位；模具盤經(jīng)過末端升降機(jī)下降，沿下層流水線返回到生產(chǎn)線起始端，隨后再上升，重復(fù)利用。

圖4 絕緣箱制造工藝流程圖

圖5 絕緣箱生產(chǎn)線工位圖

2.1 雙層絕緣箱的制造流程

L03 +系統(tǒng)中出現(xiàn)了K2 型雙層箱，根據(jù)K2 型標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱的結(jié)構(gòu)，需先將上層箱體四周框體與底板連接，并翻轉(zhuǎn)180°，進(jìn)行上、下箱體對(duì)中拼接，其次進(jìn)行玻璃棉填充，最后對(duì)蓋板進(jìn)行安裝和固定。這樣，絕緣箱的組裝流程與原先的流程不完全相同，對(duì)原有生產(chǎn)線進(jìn)行改造和優(yōu)化，從而滿足新的生產(chǎn)需求，這是十分必要的。經(jīng)分析，K2 型標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱上層箱體部分的制造流程與原有單層箱體的制造流程基本一致，因此原生產(chǎn)線中整平工位之前的相關(guān)工位可保留。需增加下層R-PFU搬運(yùn)、裝配和打釘?shù)戎圃飙h(huán)節(jié)，改造之后的絕緣箱自動(dòng)生產(chǎn)線布置如圖5 所示。此外，對(duì)原有生產(chǎn)線中的填充工位進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)玻璃棉自動(dòng)填充機(jī)構(gòu)。限于篇幅，此處不再詳細(xì)介紹。

2.2 P-RFU裝配打釘

對(duì)于雙層箱體的結(jié)構(gòu)，在上層箱體的底板打釘完成之后，在填充絕緣材料之前，需完成R-PFU裝配和打釘，包括翻轉(zhuǎn)、對(duì)中、打釘和再搬運(yùn)等一系列流程。具體來說，就是在機(jī)器人R2 完成打釘之后，由機(jī)器人R3將上層箱體搬運(yùn)到對(duì)中臺(tái)上，與已放置在操作臺(tái)上的下層箱體進(jìn)行對(duì)中，隨后由另一臺(tái)機(jī)器人對(duì)下層箱體與上層箱體進(jìn)行疊合打釘，打釘完畢之后，由機(jī)器人R3 將箱體搬送至整平區(qū)域的傳送帶上，完成后續(xù)的制造流程。相比原No.96 系統(tǒng)的絕緣箱生產(chǎn)線，新系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)對(duì)雙層箱體絕緣箱的生產(chǎn)，在原生產(chǎn)線上新增加2 臺(tái)機(jī)器人，一臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)下層聚氨酯泡沫板的上料，一臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)上層箱體與下層箱體的疊合釘釘。為保證上層箱體與下層箱體對(duì)中拼接的尺寸滿足要求，設(shè)計(jì)專用的對(duì)中臺(tái)，實(shí)現(xiàn)2 層箱體的自動(dòng)對(duì)中。

具體組裝步驟如下：

1）在M10 工位，在預(yù)先搭載好的模具盤上放置切割好的上層箱體側(cè)板和箱體內(nèi)部隔板，并在M20 工位由操作工進(jìn)行人工預(yù)打釘；

2）由機(jī)器人R1 完成對(duì)上層箱體側(cè)面框架的打釘；

3）在M30 工位，在完成側(cè)板打釘?shù)纳蠈酉潴w框架上加載箱體底板，由人工預(yù)打釘，對(duì)底板進(jìn)行初步定位；

4）由機(jī)器人R2 對(duì)箱體底板進(jìn)行打釘；

5）由機(jī)器人R6 搬運(yùn)一個(gè)下層箱體放在對(duì)中臺(tái)上；

6）由機(jī)器人R3 將上層箱體從物流線上取下來并將其翻轉(zhuǎn)，與下層箱體疊放在一起；

7）由對(duì)中臺(tái)上的氣泵推動(dòng)擋板，使上、下2 層箱體對(duì)齊之后，由機(jī)器人R5 對(duì)上層箱體與下層箱體進(jìn)行疊合打釘；

8）將結(jié)合完畢的箱體搬離對(duì)中臺(tái)，運(yùn)送至一旁的傳送帶上，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的整平和玻璃棉填充步驟；

9）在M40 工位由人工加裝箱體蓋板，并打釘固定；

10）由傳送帶將上層箱體傳送至機(jī)器人R4 處，由機(jī)器人R4 對(duì)其蓋板進(jìn)行打釘。

由上述分析可知，整個(gè)雙層箱體式箱型的組裝過程：對(duì)于上層箱體來說是打釘→搬運(yùn)→對(duì)中→打釘→搬運(yùn)→填充→打釘?shù)倪^程；對(duì)于下層箱體來說是搬運(yùn)→對(duì)中→打釘→搬運(yùn)→填充→打釘?shù)倪^程。

在機(jī)器人R5 釘合上層箱體與下層箱體時(shí)，雙層標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱型的釘位見圖6。由圖6 可知，在每條長方形隔間的中部和箱體邊緣都有鋼釘對(duì)上、下2 層箱體加以固定，其中，每個(gè)K2 箱型的箱子需要36 個(gè)釘子固定上、下2 層箱體，每個(gè)K5 箱型的箱子需要54 個(gè)釘子固定上、下2 層箱體。

圖6 K2和K5上、下2層箱體連接釘位圖

3 絕緣箱自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

在管理學(xué)領(lǐng)域，流程節(jié)拍指的是某一生產(chǎn)線連續(xù)完成相同的2 個(gè)產(chǎn)品的間隔時(shí)間，即完成1 個(gè)產(chǎn)品所需的平均時(shí)間。影響生產(chǎn)節(jié)拍的最重要因素是整條生產(chǎn)線上耗時(shí)最長的工序，稱之為“生產(chǎn)瓶頸”。只要能把生產(chǎn)瓶頸的時(shí)間縮短，整條流水線的效率就會(huì)明顯提高。優(yōu)化瓶頸是優(yōu)化生產(chǎn)線的重要方法。若采用直線型流水線，則把雙層箱體結(jié)構(gòu)箱型的所有生產(chǎn)步驟（見圖7a）拆分開來，分別計(jì)時(shí)，由此可得以下流程：

圖7 初始生產(chǎn)流程和優(yōu)化后流程圖解

1）在M20 工位，由操作員在模具臺(tái)上夾持膠合板散件并進(jìn)行預(yù)打釘；

2）由機(jī)器R1 人打釘；

3）在M30 工位，由人工放置箱體底板并進(jìn)行預(yù)打釘；

4）由機(jī)器人R2 打釘；

5）由機(jī)器人R6 運(yùn)送下層箱體；

6）由機(jī)器人R3 搬運(yùn)初步成形的上層箱體；

7）由機(jī)器人R5 打釘；

8）機(jī)器人搬運(yùn)上、下2 層已結(jié)合完畢的箱體，進(jìn)入后續(xù)整平和填充絕緣材料的步驟。

在上述步驟中，由于在每臺(tái)機(jī)器人前都設(shè)置了緩沖工位，工人經(jīng)過培訓(xùn)，可快速完成作業(yè)，使機(jī)器人不會(huì)出現(xiàn)待機(jī)狀態(tài)，且生產(chǎn)線上的傳送帶的傳送速度是恒定的，因此可得出生產(chǎn)線的總時(shí)長取決于機(jī)器人工位的工作時(shí)間。在施工現(xiàn)場(chǎng)，以K2 雙層標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱的制造為例，實(shí)際測(cè)試各工位所需時(shí)間，結(jié)果見表2。

表2 生產(chǎn)流程與各工位的節(jié)拍

從表2 中可看出，從模具搭載到絕緣箱材料填充之前的工序中，機(jī)器人R1 打釘耗時(shí)100 s，機(jī)器人R2 打釘耗時(shí)100 s，機(jī)器人R5 打釘及其前置工序（機(jī)器人R6 搬運(yùn)和機(jī)器人R3 搬運(yùn)）耗時(shí)132 s。顯然，整條生產(chǎn)線的瓶頸在于機(jī)器人R5 打釘及其前置工序。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人R3、R5 和R6 的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，建立2臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人和1 臺(tái)打釘機(jī)器人的協(xié)同工作區(qū)域，實(shí)現(xiàn)3 臺(tái)機(jī)器人聯(lián)動(dòng)，優(yōu)化后的流程如圖7b 所示。由K2箱型生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化前，雙層箱體組裝總共消耗的時(shí)間為147 s，優(yōu)化之后，機(jī)器人R6 取下層箱與機(jī)器人R3 取上層箱并翻身同時(shí)進(jìn)行，總體在機(jī)器人R3、R5 和R6 協(xié)同工作區(qū)域停留的時(shí)間僅為109 s，作業(yè)效率相比優(yōu)化前提高了25.9%。經(jīng)過調(diào)試和優(yōu)化，重新設(shè)計(jì)的絕緣箱自動(dòng)生產(chǎn)流水線系統(tǒng)已投入使用，日均生產(chǎn)K2 和K5 雙層絕緣箱200 余只，運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足No.96 L03 +型各種標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱的生產(chǎn)需求。

4 結(jié) 語

通過分析L03 +型標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱的特點(diǎn)，尤其是雙層絕緣箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在盡可能利用原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了滿足雙層標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱自動(dòng)制造需求的生產(chǎn)線。目前，重新設(shè)計(jì)的絕緣箱自動(dòng)生產(chǎn)流水線系統(tǒng)已投入使用，并通過了法國GTT公司的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，獲得了全球首張L03 +型絕緣箱認(rèn)證證書，為絕緣箱的柔性化制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。