李 欣，周 颎，張 權(quán)

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

近年來(lái)，隨著船舶日益大型化，其舵葉的質(zhì)量呈日益增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，有的甚至接近400t。上海外高橋造船有限公司（以下簡(jiǎn)稱“外高橋”）建造的400000dwt超大型礦砂船（Very Large Ore Carrier, VLOC）選配的半懸掛舵的舵葉尺寸（高×寬×厚）為16.5m×10.6m×2.4m，重約380t（含舵桿、上舵承和舵葉等），現(xiàn)有的液壓安裝平臺(tái)[1]已無(wú)法滿足該質(zhì)量舵葉的安裝要求，迫切需要研制一種新的液壓安裝平臺(tái)。

為提高智能化造船水平，外高橋自主研制了具有較大頂升能力的380t舵葉安裝平臺(tái)。該平臺(tái)的使用有助于提高舵葉安裝效率，縮短船塢周期，并最大程度地降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，確保安全生產(chǎn)。通過(guò)研制該舵葉安裝平臺(tái)，在掌握此類工裝設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的同時(shí)，可大幅降低設(shè)備的采購(gòu)成本。

1 總體設(shè)計(jì)方案概述

舵葉安裝平臺(tái)由主車架和工作架2個(gè)模塊組成（見(jiàn)圖1）。平臺(tái)下面是主車架，負(fù)責(zé)平臺(tái)的頂升和行走；平臺(tái)上面是工作架（左右兩側(cè)各1套），可通過(guò)橫移裝置打開和合攏。工作架的底層設(shè)計(jì)有2組夾緊油缸，起到夾緊和固定舵葉的作用。舵葉安裝平臺(tái)的主要設(shè)備包括主頂升裝置（4組）、行走液壓驅(qū)動(dòng)裝置（4組）、橫移液壓油缸（4組）、滑道（6組）、夾緊油缸（4組）、機(jī)械支撐桿（4組）、液壓泵站（包括油泵、油箱和液壓閥組）、泵站電源箱和主控制箱。

平臺(tái)的主車架采用水平桁架結(jié)構(gòu)[2]，中間部分采用4×5組的 H型鋼作為橫梁，交錯(cuò)相接，形成強(qiáng)框架，保證整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠，當(dāng)平臺(tái)處于工作狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)變形較小。平臺(tái)四端的支撐腿采用箱體結(jié)構(gòu)，用于安裝主頂升裝置?？紤]到舵葉的尺寸和施工高度，主車架的工作面設(shè)計(jì)為下沉式結(jié)構(gòu)，舵葉放置在下凹的工作面上，這樣可適當(dāng)降低舵葉安裝高度，適用于不同規(guī)格舵葉的安裝。

從節(jié)約設(shè)備制造成本、減少設(shè)備維修保養(yǎng)費(fèi)用的角度考慮，工作架采用固定連接結(jié)構(gòu)取代更為復(fù)雜的液壓升降機(jī)構(gòu)。固定工作架由上層、中間層和下層工作架組合而成，下層工作架與主車架固定在一起，中間層工作架與下層工作架之間和中間層工作架與上層工作架之間分別用螺栓連接。舵葉安裝完成之后，中間層工作架和上層工作架可從舵葉安裝平臺(tái)上拆解下來(lái)，方便在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存放。

圖1 舵葉安裝平臺(tái)總布置圖

安裝平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，主車架可用不同類型的工作架搭配，延伸出多種使用功能，可用于舵葉、螺旋槳、艉軸和大型豪華郵船吊艙推進(jìn)器的安裝，滿足船廠不同的使用需求。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平臺(tái)的液壓系統(tǒng)由主頂升液壓部分、橫移液壓部分、夾緊液壓部分和行走液壓部分等4部分組成。液壓泵站的所有部件都安裝在主車架結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，采用單變量柱塞泵加雙油箱的設(shè)計(jì)，2個(gè)油箱之間用連通管連接。液壓油泵先將液壓油送至閥塊單元，再通過(guò)閥塊單元將其送至主頂升油缸（4組）、橫移油缸（4組）、夾持油缸（4組）和液壓電機(jī)（4組）。液壓管與設(shè)備（液壓電機(jī)和油缸）接口通過(guò)金屬軟管連接。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)特征是閥塊采用疊加閥的形式，以便于進(jìn)行油路塊的設(shè)計(jì)及液壓系統(tǒng)的調(diào)試和維修。在各執(zhí)行部件上設(shè)置測(cè)壓點(diǎn)，以便更好地觀察其工作狀態(tài)。出于安全考慮，每個(gè)油缸的回油側(cè)都由順序閥來(lái)建立背壓，以防止油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)突然受到?jīng)_擊。每個(gè)油缸的油口都安裝防爆管閥，以保證管路破損時(shí)油缸能自鎖，且系統(tǒng)能自動(dòng)卸荷。每組液壓油缸都設(shè)置壓力開關(guān)，防止因誤操作而導(dǎo)致設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)損壞。

行走機(jī)構(gòu)由液壓驅(qū)動(dòng)的電機(jī)和特定規(guī)格的行走輪組成，負(fù)責(zé)將裝載工件運(yùn)送到指定的水平位置處。平臺(tái)的4個(gè)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為可手動(dòng)90°轉(zhuǎn)向的形式，這樣可使平臺(tái)沿縱向和橫向2個(gè)方向移動(dòng)。

3 頂升裝置設(shè)計(jì)

平臺(tái)的頂升裝置由4個(gè)頂升點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)頂升點(diǎn)都設(shè)置一套頂升裝置（見(jiàn)圖2）。裝置由導(dǎo)向部分和頂升部分組成。

1) 導(dǎo)向部分由外導(dǎo)向筒（支撐腿箱體結(jié)構(gòu)）、內(nèi)導(dǎo)向筒和耐磨條組成，其作用是保證頂升點(diǎn)的穩(wěn)定性，同時(shí)承受平臺(tái)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平載荷。外導(dǎo)向筒與主車架剛性連接在一起，隨平臺(tái)一起升降；內(nèi)導(dǎo)向筒相對(duì)地面的高度固定。內(nèi)導(dǎo)向筒的筒壁外側(cè)帶有導(dǎo)向凸臺(tái)，耐磨條安裝在外導(dǎo)向筒的內(nèi)壁與導(dǎo)向凸臺(tái)之間，通過(guò)安裝在外導(dǎo)向筒筒壁上的頂絲，從外部調(diào)節(jié)耐磨板與內(nèi)導(dǎo)向筒導(dǎo)向凸臺(tái)面之間的距離，控制導(dǎo)向間隙的大小。耐磨條采用非金屬高分子抗摩擦材料制作，與內(nèi)導(dǎo)向筒導(dǎo)向面形成非金屬和金屬摩擦副，有效保護(hù)內(nèi)套筒導(dǎo)向面。

2) 頂升部分由頂升油缸、頂升座、銷軸、油管和平衡閥等組成，用來(lái)承受平臺(tái)的總質(zhì)量并執(zhí)行平臺(tái)升降動(dòng)作。頂升油缸采用兩端耳環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，倒置使用，其活塞桿端支撐在內(nèi)導(dǎo)向筒底部耳環(huán)銷軸上，缸體尾部耳環(huán)支撐在頂升座銷軸上。頂升座與外導(dǎo)向筒通過(guò)螺栓連接固定。頂升油缸進(jìn)出油口通過(guò)軟管引到頂升座外，連接平衡閥。

圖2 頂升裝置結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)向部分的導(dǎo)向間隙可根據(jù)內(nèi)導(dǎo)向筒和外導(dǎo)向筒實(shí)際加工情況和使用過(guò)程中的磨損情況進(jìn)行調(diào)整。導(dǎo)向部分的耐磨條材質(zhì)為非金屬，以有效保護(hù)內(nèi)導(dǎo)向筒，在維護(hù)時(shí)只更換耐磨條即可。頂升部分的液壓油缸采用兩端球軸承耳環(huán)形式，其安裝不受導(dǎo)向部分和頂升座加工精度的影響。此外，液壓油缸不受平臺(tái)移動(dòng)時(shí)水平橫向載荷的影響，可有效提高使用壽命，安裝更加方便。頂升部分的液壓油缸接有平衡閥，可有效鎖定平臺(tái)位置，并保證平臺(tái)下降時(shí)的平穩(wěn)性。

4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)由泵站電源箱、主控制箱、線控遙控按鈕盒、應(yīng)急停止按鈕、聲光報(bào)警器、各種類型的傳感器和開關(guān)組成（見(jiàn)圖3），除了可實(shí)現(xiàn)車架升降、縱橫方向行走、上部工作架開合和工作架上夾緊裝置夾緊與放松等功能以外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)傾斜超限、液溫過(guò)高和油位過(guò)低等故障的聲光報(bào)警，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)本地控制和通過(guò)遙控箱進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

該系統(tǒng)采用西門子S7-200系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）[3]作為控制系統(tǒng)的核心，配置傾斜傳感器、油溫傳感器和液位傳感器等設(shè)備作為PLC模擬量報(bào)警輸入。急停按鈕和壓力繼電器作為 PLC開關(guān)量報(bào)警輸入。主控箱（本地）和遙控按鈕箱（遠(yuǎn)程）上的按鈕及選擇開關(guān)作為 PLC開關(guān)量動(dòng)作輸入。經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)的邏輯程序，開關(guān)量輸出控制電機(jī)和電磁閥的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)車架升降、縱橫方向行走、上部工作架開合和工作架上夾緊裝置夾緊與放松等功能。

圖3 電控系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

5.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析和優(yōu)化

舵葉安裝平臺(tái)的最大頂升能力達(dá)到640t，最大的頂升舵葉重380t。在如此大的負(fù)荷下，平臺(tái)底部會(huì)發(fā)生扭曲變形。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮把主車架變形量控制在合理范圍內(nèi)的問(wèn)題。

采用有限元分析軟件 MSC/PATRAN &NASTRAN，分別對(duì)平臺(tái)各支撐腿箱體結(jié)構(gòu)與主車架聯(lián)接結(jié)構(gòu)、箱體結(jié)構(gòu)上的端蓋受力和主車架底座中心變形進(jìn)行有限元計(jì)算分析。通過(guò)對(duì)平臺(tái)的力學(xué)行為進(jìn)行計(jì)算和仿真，模擬分析鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中的應(yīng)力和變形范圍，判斷鋼結(jié)構(gòu)的承載能力和變形情況。圖 4為主車架有限元模型。

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定主車架負(fù)載變形的設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)，即將主車架中心處的下沉量控制在6mm以內(nèi)。通過(guò)對(duì)幾套設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，選取合適的鋼板厚度和鋼板等級(jí)，在滿足設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)的提前下，將主車架的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制在合理的范圍內(nèi)。最終選定的設(shè)計(jì)方案不僅滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求和提高整體穩(wěn)定性的要求，而且能達(dá)到減輕平臺(tái)質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本的目的。

圖4 主車架有限元模型

5.2 系統(tǒng)安全保護(hù)機(jī)制

舵葉安裝平臺(tái)在全負(fù)載工況下需承載約380t的負(fù)載。施工人員最高的作業(yè)高度約為18m。在安裝舵葉過(guò)程中，要求安裝過(guò)程平穩(wěn)，不能有任何沖擊和振動(dòng)。因此，整個(gè)平臺(tái)在操作過(guò)程中對(duì)安全性的要求非常高，必須建立安全有效的操作機(jī)制。在該平臺(tái)的控制系統(tǒng)中，盡可能地考慮操作過(guò)程中可能存在的安全隱患，設(shè)計(jì)一套先進(jìn)合理的安全防護(hù)機(jī)制。該平臺(tái)系統(tǒng)配置有各類傳感器和xy傾斜儀，對(duì)油位、油溫、油壓和平臺(tái)基面斜度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)緊急停車，同時(shí)通過(guò)聲光報(bào)警告知現(xiàn)場(chǎng)的操作人員。

在平臺(tái)安全裝置的配置方案[4]中，主車架上的4個(gè)主立柱上分別設(shè)置有4個(gè)旋轉(zhuǎn)警示燈，所有動(dòng)作都伴隨聲光報(bào)警信號(hào)；主車架兩側(cè)設(shè)置有4個(gè)緊急停止按鈕，主操作盤和遙控裝置上各設(shè)置有1個(gè)緊急停止按鈕。當(dāng)主頂升油缸受損時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止所有動(dòng)作。主頂升油缸、橫移油缸、夾緊油缸和行走馬達(dá)的閥塊及管路分別配置有超壓保護(hù)開關(guān)，當(dāng)對(duì)應(yīng)參數(shù)超出設(shè)定值時(shí)可自動(dòng)切斷電氣主回路和控制回路電源。

當(dāng)平臺(tái)出現(xiàn)傾斜超差時(shí)，系統(tǒng)會(huì)緊急停止，傾斜不會(huì)自動(dòng)消除。為將平臺(tái)從傾斜狀態(tài)恢復(fù)為水平狀態(tài)，設(shè)置一個(gè)強(qiáng)制執(zhí)行按鈕，通過(guò)該按鈕控制4個(gè)主頂升油缸的升降；作為保護(hù)功能，經(jīng)由xy傾斜儀讀數(shù)可邏輯判斷出處于傾斜最高點(diǎn)的油缸，而該油缸在傾斜超差消除之前無(wú)法控制上升，只能控制下降。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文所述380t舵葉安裝平臺(tái)已完工交付，并已成功應(yīng)用于多條400000dwt VLOC舵葉的安裝工作中。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該舵葉安裝平臺(tái)工作平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)便，頂升同步控制精度高，能安全高效地完成舵葉的安裝工作。

通過(guò)研制該產(chǎn)品，掌握了此類船舶工裝裝備的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，提高了國(guó)內(nèi)船舶的智能制造水平，為今后研制其他類型的液壓工裝設(shè)備提供了設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)。