滕本旺

(鹽城長河船舶設(shè)計公司，江蘇鹽城 224002)

淺析船舶建造精度控制

滕本旺

(鹽城長河船舶設(shè)計公司，江蘇鹽城 224002)

船舶精度控制是船舶建造中十分重要的技術(shù)，關(guān)系著船舶的質(zhì)量。精度控制不僅能縮短造船周期，降低造船成本，并且能提高船舶質(zhì)量，在船舶建造中起到了重要的地位。介紹了船舶建造的特點(diǎn)和船舶建造精度控制的發(fā)展過程以及船體分段精度控制的發(fā)展趨勢和可行性分析，詳細(xì)分析了船體建造的具體精度控制方法。

船舶建造;精度控制;精度管理

1 船舶建造與船舶精度管理

1.1 船舶建造的特點(diǎn)

眾所周知，船體的建造是按照設(shè)計的船體圖紙，經(jīng)過鋼材預(yù)處理、切割加工、彎曲加工、裝配和焊接等一系列的工序生產(chǎn)過程。鋼材預(yù)處理后被加工成零件，然后組裝成部件、分段，再在平臺總組成總段，最后在船塢搭載合攏成主船體。船舶建造具有以下施工特點(diǎn):①船體建造的周期長、工序多，累計誤差比較大;②船體結(jié)構(gòu)大，其形狀尺寸允許的誤差，相對機(jī)加工較大，但相對本身尺寸的誤差很小;③船體建造過程中的變形情況復(fù)雜，要掌握在切割、冷熱加工、焊接、矯正、吊運(yùn)和沖砂過程中的彈塑性與熱塑性變形規(guī)律比較困難;④建造過程中大多是手工制作，手工誤差難以控制。

1.2 船體建造精度管理

船體建造精度管理是當(dāng)代造船的重大新技術(shù)之一，也是船廠現(xiàn)代化科學(xué)管理的重要內(nèi)容。它是以船體建造精度標(biāo)準(zhǔn)為基本準(zhǔn)則，通過科學(xué)管理方法與先進(jìn)的工藝技術(shù)手段，對船體建造進(jìn)行全過程的尺寸精度分析與控制的一門技術(shù)。船體建造精度管理主要研究在船體建造過程中如何加放尺寸精度補(bǔ)償量取代余量，通過合理的建造公差，有效的工藝技術(shù)與管理技術(shù)，對船體零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸精度控制，以提高建造質(zhì)量。精度管理分事先精度管理和事后精度管理，其構(gòu)成如圖1所示。

2 船舶建造中精度的控制

2.1 船舶建造精度控制的涵義

造船精度控制是現(xiàn)代造船的一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，精度控制技術(shù)即是在各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中采取先進(jìn)的工藝技術(shù)、精準(zhǔn)的檢測手段，以船舶建造精度標(biāo)準(zhǔn)為基本準(zhǔn)則，以數(shù)量統(tǒng)計為理論基礎(chǔ)，以補(bǔ)償量取代余量為核心，并且采取一系列的技術(shù)管理措施，對船舶的建造進(jìn)行全過程的尺寸精度分析和控制。船體制造精度控制技術(shù)的源頭是生產(chǎn)設(shè)計。從生產(chǎn)設(shè)計開始，對船體零部件的尺寸精度進(jìn)行控制，從而最大限度的減少分段制造、分段總組及塢內(nèi)搭載裝配工作量，實(shí)施外場無修割、少修割，一次定位，快速裝配、快速搭載，縮短船舶建造的周期，從而取得降低船舶建造成本的綜合性效果。

圖1 精度管理構(gòu)成圖

2.2 船舶建造精度控制的發(fā)展過程

本文主要介紹國外的船舶建造精度控制的發(fā)展過程。國外造船精度控制經(jīng)歷了一個不斷發(fā)展、完善與提高的過程。其工藝技術(shù)，歸結(jié)為以下3個發(fā)展階段。

(1)分段上船臺(船塢)前進(jìn)行預(yù)修整，以適應(yīng)船臺或船塢裝配的尺寸精度要求。上世紀(jì)五十年代末，前蘇聯(lián)船廠應(yīng)用經(jīng)緯儀檢測技術(shù)對萬噸級油船船體分段采取預(yù)修整措施，使其按凈尺寸上船臺裝配，實(shí)現(xiàn)了船臺裝配的精度控制，從而有效地減少了船臺裝配的現(xiàn)場修整作業(yè)。

(2)對平直分段進(jìn)行建造全過程的尺寸精度控制，與曲面分段預(yù)修整尺寸精度控制相結(jié)合。上世紀(jì)七十年代，國外一些造船發(fā)達(dá)國家的造船業(yè)，開展了廣泛的尺寸鏈與公差研究、零部件加工中熱彈塑性變形研究等，通過大量的數(shù)據(jù)積累與分析，用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值或公式來確定加工變形的補(bǔ)償量問題，并對船體平行舯體的平直分段按精度計劃從分段制造到船臺裝配進(jìn)行有效的精度控制。

(3)對全船所有分段進(jìn)行建造全過程的尺寸精度控制。造船精度控制技術(shù)發(fā)展到上世紀(jì)八九十年代，日本、韓國等國的船廠，通過多年的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的積累與統(tǒng)計分析及理論計算，掌握了船體建造過程所有加工過程的變形規(guī)律，因而能給出大部分零部件、分段一個可靠的補(bǔ)償量及船臺裝配的調(diào)整量，并開發(fā)了計算機(jī)輔助補(bǔ)償量確定系統(tǒng)。

這3個發(fā)展階段反映了國外造船精度控制技術(shù)所采用的3種工藝方法。目前，國外先進(jìn)船廠大都已達(dá)到了第二階段水平，有些船廠已達(dá)到第三階段水平，有些國外船廠基本實(shí)現(xiàn)精度控制的自動化，這是造船精度管理的新的發(fā)展方向。

國內(nèi)從上世紀(jì)六十年代中期開始引入船體建造精度控制概念，通過廠校聯(lián)合共同努力，目前精度控制技術(shù)在國內(nèi)船業(yè)得到了廣泛研究和應(yīng)用。許多船廠都己做到對平行舯體分段加放補(bǔ)償量，曲面分段預(yù)修整上船臺，并建立了精度管理工作組。

2.3 船舶精度控制在船舶建造中的意義

船舶精度控制在船舶建造中的意義主要為:

第一，能確保船體的主尺寸和線形誤差在允許范圍內(nèi)，保證船舶的載重量及航速，從而保護(hù)船東的利益;第二，能夠控制船體結(jié)構(gòu)錯位在允許范圍之內(nèi)，保證船舶的強(qiáng)度和安全;第三，最大限度減少裝焊作業(yè)的現(xiàn)場修整工作量，提高勞動效率，降低人力成本;第四，提高船體分段下船塢的定位效率，縮短造船的周期;第五，提高鋼材的利用率，降低材料成本;第六，能夠減少結(jié)構(gòu)修割，高空作業(yè)平地做，改善工作的環(huán)境，保證生產(chǎn)工人的安全和健康;第七，能夠減少修割和返修，降低能源消耗，能夠節(jié)約能源，減少環(huán)境污染;第八，能夠控制接縫間隙在合理范圍之內(nèi)，有利于保證船舶焊接質(zhì)量，從而保證船舶航行的安全。

3 船體分段精度控制

3.1 船體分段精度控制的發(fā)展趨勢

通過對國內(nèi)外資料的分析，可以認(rèn)為當(dāng)前精度控制技術(shù)有如下幾個發(fā)展趨勢。

(1)變形分析理論化。這主要體現(xiàn)在兩個方面:一方面是幾種新的簡化熱彈塑性變形理論的提出和在焊接變形、線加熱成形、激光成形等領(lǐng)域的驗(yàn)證與應(yīng)用，使船體建造過程中的熱變形有可能從理論分析和計算得到;另一方面是計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，使船體建造過程中熱變形的數(shù)值計算已成為可能，目前日本、韓國都已在此方面開展了大量研究。由于理論計算與數(shù)值計算的快速度與低成本，使船廠可以不必經(jīng)過長時間的、大量的數(shù)據(jù)積累工作即可建立自己的補(bǔ)償量確定標(biāo)準(zhǔn)。

(2)精度控制系統(tǒng)集成化。由于精度控制涉及船廠的組織體系、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)設(shè)計、質(zhì)量保證等各方面，因而目前另一個趨勢是精度控制系統(tǒng)被集成到船廠CIMS系統(tǒng)中，是造船CIMS的子系統(tǒng)。因此，在精度控制的研究中，應(yīng)當(dāng)注意和整體系統(tǒng)及其子系統(tǒng)間的聯(lián)系，如數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)庫類型、數(shù)據(jù)采集傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)共享，其子系統(tǒng)對精度控制系統(tǒng)的約束與需求等。

系統(tǒng)的研究、數(shù)據(jù)積累與分析的成果，可開發(fā)出相應(yīng)的軟件，如補(bǔ)償量的計算機(jī)輔助確定軟件、數(shù)據(jù)采集分析軟件、精度監(jiān)控軟件、船廠精度控制系統(tǒng)等。除了因?qū)嵤┚瓤刂贫a(chǎn)生效益外，這些成果及軟件可以作為商品為船廠創(chuàng)造額外的效益。

3.2 船體分段精度控制的可行性分析

從生產(chǎn)現(xiàn)場來看，船體分段精度控制要求分段建造流程、設(shè)備和工藝有一定的穩(wěn)定性，這樣才能穩(wěn)定余量和補(bǔ)償量標(biāo)準(zhǔn)。目前已成功建造交付多條商品船，生產(chǎn)工藝、流程和設(shè)備已穩(wěn)定，基本具備控制分段精度的生產(chǎn)條件。從軟件來看，應(yīng)用先進(jìn)的TRIBON船舶設(shè)計軟件，能夠進(jìn)行余量、補(bǔ)償量加放，計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)三維建模和干涉檢驗(yàn)。這樣能夠在計算機(jī)模型中提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計間隙偏大或構(gòu)件相碰等情況，能夠提前修改。從裝焊技術(shù)的發(fā)展來看，目前船體分段裝配采用擴(kuò)大中組和重型分段建造等方法，使分段裝配精度得以提高，分段建造變形減少。國內(nèi)造船業(yè)大量采用焊接變形小的自動焊和半自動焊，減少分段焊接變形;大間隙焊接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟(最大間隙可達(dá)25 mm且不超過板厚)，這樣可以彌補(bǔ)分段精度的控制偏差，保證分段能順利進(jìn)行搭載焊接，分段精度控制比以前容易進(jìn)行實(shí)施。

4 具體的精度控制

4.1 胎架

胎架是精度造船的基礎(chǔ)，各組立分段裝配的依據(jù)。胎架如果出現(xiàn)了幾毫米的誤差，實(shí)施到分段上就有可能是十或幾十毫米的偏差，尤其是艏艉分段的建造。在胎架的制作時，要考慮胎架自身的穩(wěn)定性。胎架的設(shè)計除了模板制造的尺寸要求精確、總體尺寸要保證、線型要光順吻合之外，還應(yīng)該有足夠的連接剛性和整體四角水平。對于目前廣泛應(yīng)用的活絡(luò)胎架，每2個活絡(luò)胎之間縱、橫向要有加強(qiáng)連接，以此來滿足整個裝配過程中分段不出現(xiàn)偏差和變形。胎架的水平面應(yīng)該盡量減少誤差，應(yīng)該考慮分段的變行，在胎架制作中要采用加反變形措施。

4.2 設(shè)置對合線

對合線控制是精度控制的關(guān)鍵內(nèi)容之一，目前國內(nèi)外對此都比較重視。在各個裝配的分段，如零部件、分段、總段建造時，一般都留有工藝余量。裝配中要對零部件進(jìn)行修正，切除工藝余量后再組裝。而修正這些偏差需要預(yù)修整，包括重新測量、劃線、切割、裝配、矯正，需耗費(fèi)大量的工時和材料。例如拼板時，為了保證對角線尺寸的正確，在板的長、寬方向一般都要加放余量，放好構(gòu)件線以后，再對板邊進(jìn)行二次切割。生產(chǎn)設(shè)計時，引入公差標(biāo)準(zhǔn)來控制施工精度，在兩兩相拼接的板上距板邊一定的位置處設(shè)置對合線，作業(yè)者可按對合線調(diào)整方正度，達(dá)到無余量裝配。這樣既減少了修正量，又確保了裝配質(zhì)量。同樣的道理，在分段生產(chǎn)設(shè)計中，通過設(shè)置中心線、縱剖線、肋骨檢驗(yàn)線、水線等三維線型模式，裝配時依據(jù)點(diǎn)、線、面的型位尺寸裝配對合，就可判斷分段的正方度和扭曲度，以確保分段的裝配精度。如在建造18萬t散貨船時對合基準(zhǔn)線設(shè)置為:全船中心線、9 m和18 m直剖線;分段正肋位-100 mm的肋骨檢驗(yàn)線;4.8、13.6、18.4 m 水線。在裝配階段建立線型肋骨拼接矯直線;小組和中組拼板板縫對合線;肋板框架對合線;圓弧加工的切點(diǎn)線、裝配定位線;安裝參考線等。在分段完工后，用樣沖敲出這些標(biāo)記線，還可便于塢內(nèi)搭載。在生產(chǎn)設(shè)計文件里設(shè)置了對合基準(zhǔn)線，同時繪制出各小組和中組分段的施工圖紙，對總體尺寸和水平、彎曲度提出要求，有利于提高部件、分段裝配精度控制手段，減少消耗，節(jié)省工時，降低建造成本。

4.3 加放補(bǔ)償量

在傳統(tǒng)的船體造船中，實(shí)施精度管理時，都采用加放余量的方法來確保整條船的尺寸精度。隨著精度管理在造船上的廣泛發(fā)展，加放余量已不適宜造船生產(chǎn)發(fā)展的需要。精度管理最重要以補(bǔ)償量取代余量，因此補(bǔ)償量的確定是船舶精度控制的核心內(nèi)容之一。它可保證各工序的尺寸精度，提高鋼材利用率，縮短船塢周期，滿足船體建造的精度要求。

4.3.1 補(bǔ)償量加放技術(shù)的發(fā)展過程

造船中的精度控制的發(fā)展源于機(jī)械制造中的公差與配合。20世紀(jì)50年代，造船出現(xiàn)了2大技術(shù)突破:一是原蘇聯(lián)應(yīng)用激光經(jīng)緯儀對船體的分段采用預(yù)修整;二是日本開始接受質(zhì)量管理的新思路，用統(tǒng)計質(zhì)量管理和群眾性質(zhì)量管理相結(jié)合，發(fā)展成造船質(zhì)量管理體系。到了20世紀(jì)60年代，開始運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計方法與尺寸鏈理論，探索公差及其合理的分配。到20世紀(jì)80年代，日本成功運(yùn)用電子計算機(jī)技術(shù)開發(fā)補(bǔ)償系統(tǒng)，并且開發(fā)了計算機(jī)輔助補(bǔ)償量確定系統(tǒng)，建立了零部件子系統(tǒng)，充實(shí)到船型信息集成系統(tǒng)，從而方便了生產(chǎn)設(shè)計和制圖工作。

4.3.2 補(bǔ)償量加放原則

(1)補(bǔ)償量加放設(shè)置的基本原則:

①與板的長和寬有關(guān)。板越長或越寬，補(bǔ)償量加放越大;

②跟板的厚度有關(guān)。板越薄，補(bǔ)償量越大;

③與角焊縫的焊腳有關(guān)。焊腳越大，補(bǔ)償量越大;

④與結(jié)構(gòu)的稀密程度有關(guān)。結(jié)構(gòu)越密，補(bǔ)償量越大。

(2)具體的補(bǔ)償量加放原則:

①工件或產(chǎn)品的重復(fù)性(相似性)。重復(fù)的產(chǎn)品可以按照成熟的尺寸精度補(bǔ)償量進(jìn)行加放，而具有相似性的產(chǎn)品可以按照相似產(chǎn)品進(jìn)行加放;

②穩(wěn)定的工藝。不同的建造方法對于分段的變形趨勢和大小都是不相同的;

③嚴(yán)格的質(zhì)量控制。嚴(yán)格的質(zhì)量控制可以實(shí)現(xiàn)船體建造全過程的尺寸精度控制，且盡可能的以補(bǔ)償量取代工藝余量;

④確定補(bǔ)償量時以焊接收縮變形因素為主。

4.3.3 補(bǔ)償量加放系統(tǒng)確立的作用

(1)減少了無效勞動。通過補(bǔ)償量取代余量，可以大大的減少不必要的作業(yè)時間，從而提高了生產(chǎn)效率。

(2)降低了作業(yè)難度。由于實(shí)施精度造船后，各部件、分段的精度提高了船體裝配成為簡單的要素作業(yè)，這就大大降低了公認(rèn)的熟練化程度，加快了造船速度，縮短了造船周期。

(3)有利于高效焊接。由于船體的焊縫精度得到了高效的控制和提高，這就使得高效焊接設(shè)備的使用成為了可能，并使得AIP方案優(yōu)選結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。

(4)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。造船精度提高后，各種間隙、錯位和余量大大減少，船體強(qiáng)度得到了強(qiáng)有力的保證。

5 結(jié)語

以計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)為代表的信息技術(shù)革命正在迅速改變著社會的生產(chǎn)方式。企業(yè)是信息化的主角，信息技術(shù)已成為決定企業(yè)競爭力強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素。我國造船業(yè)的發(fā)展正在以信息化帶動工業(yè)化，實(shí)施跨越式的發(fā)展。船舶建造是以船體建造為基礎(chǔ)，因此精度控制在船舶建造中起到了非常關(guān)鍵的作用。精度管理是造船企業(yè)高效率、低成本造船的保證，是造船企業(yè)技術(shù)革新、工藝革新的基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)各大造船廠為了抓緊縮短造船的周期，都在推廣2個一體化。但是具備2個一體化的前提條件是精度控制和精度管理技術(shù)的提高，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，縮短造船的周期，降低生產(chǎn)成本，提高效率，以便企業(yè)獲得最大的利潤。因此生產(chǎn)設(shè)計精度控制技術(shù)是船舶建造重要的技術(shù)支持，以達(dá)到最大限度減少現(xiàn)場修整量，提高工作效率。

［1］ 郭榮奎，蔡三明，秦耀良.補(bǔ)償量加放技術(shù)的分析和應(yīng)用［J］.江蘇船舶，2007，24(6):1-4.

［2］ 秦耀良，郭榮奎，唐建瓊.船舶建造精度控制技術(shù)研究［J］.江蘇船舶，2008，25(2):41-41.

U673.2

B

2011-06-10

滕本旺(1968-)，男，工程師，主要從事船舶設(shè)計工作。