側(cè)掛設(shè)備安裝姿態(tài)控制工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

高亞坤，張盛，劉洋，潘國(guó)雄

武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北武漢430064

側(cè)掛設(shè)備安裝姿態(tài)控制工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

高亞坤，張盛，劉洋，潘國(guó)雄

武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北武漢430064

針對(duì)實(shí)船側(cè)掛輔機(jī)設(shè)備的姿態(tài)控制問(wèn)題，開展側(cè)掛輔機(jī)設(shè)備安裝姿態(tài)控制工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制定工裝操控性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和調(diào)整精度的綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用標(biāo)準(zhǔn)件線性導(dǎo)軌和操控螺紋單元實(shí)現(xiàn)控制工裝的核心功能，完成工裝的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)、操控裝置等組件與裝配設(shè)計(jì)。利用仿真分析方法對(duì)工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在靜力加載作用下抵抗變形的能力、可移動(dòng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、工裝的強(qiáng)度和剛度特性，優(yōu)化控制工裝的組件尺寸和配合形式。依據(jù)工裝的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，制造工裝樣機(jī)并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明：控制工裝側(cè)掛設(shè)備姿態(tài)調(diào)整的精度可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，工裝結(jié)構(gòu)功能可行，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝姿態(tài)調(diào)整工作簡(jiǎn)化。

姿態(tài)控制；工裝設(shè)計(jì)；數(shù)值仿真；驗(yàn)證試驗(yàn)

0 引 言

航行時(shí)輔機(jī)設(shè)備的振動(dòng)噪聲是船舶輻射噪聲控制的重點(diǎn)，設(shè)備的振動(dòng)特性又與其安裝狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)備安裝通常采用側(cè)掛、正置、吊掛等方式，其中側(cè)掛設(shè)備安裝姿態(tài)受隔振器變形的影響較難控制。側(cè)掛設(shè)備安裝姿態(tài)不滿足要求時(shí)，電機(jī)與泵在傾斜條件下工作會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；隔振器的拉壓變形不均勻，會(huì)影響其隔振性能；側(cè)掛設(shè)備偏斜時(shí)，管路對(duì)接位置偏離，導(dǎo)致設(shè)備與管路之間產(chǎn)生安裝變形，影響撓性接管的隔振性能。

側(cè)掛輔機(jī)設(shè)備在船舶上的安裝均有一定的姿態(tài)和精度驗(yàn)收要求，目前，工廠利用吊線測(cè)量設(shè)備姿態(tài)，并配置調(diào)整墊圈，在船臺(tái)階段完成側(cè)掛設(shè)備安裝姿態(tài)的調(diào)整工作。受艙內(nèi)施工環(huán)境、隔振器蠕變變形等因素的影響，調(diào)整墊圈厚度的確定存在一定的難度，加工墊圈的姿態(tài)調(diào)整方法有效性較低。

本文將結(jié)合側(cè)掛設(shè)備的種類、重量、安裝位置條件，設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)場(chǎng)調(diào)整的工裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)行工裝組件及裝配的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并結(jié)合工裝樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證工裝的可靠性。

1 控制工裝的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)安裝工藝技術(shù)要求，側(cè)掛輔機(jī)設(shè)備安裝到機(jī)座上時(shí)，相對(duì)于機(jī)座應(yīng)沒有歪斜現(xiàn)象，與基面、中線面、隔壁或肋骨間的偏差在允許范圍內(nèi)。同時(shí)，控制工裝應(yīng)能承載設(shè)備和管路重量，滿足各型隔振器的最大間距安裝需求，保證結(jié)構(gòu)在最大設(shè)備重量安裝時(shí)不發(fā)生影響控制精度的變形?？刂乒ぱb結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求如下：

1）工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，對(duì)于不同設(shè)備具有通用性；

2）工裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠、穩(wěn)定；

3）工裝制造、加工可行性高；

4）最大承載設(shè)備重量為1 tf；

5）姿態(tài)調(diào)整的范圍為20 mm，調(diào)整精度為0.1 mm。

2 控制工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

控制工裝與設(shè)備通過(guò)隔振器連接后，隔振器受設(shè)備重力作用發(fā)生變形，導(dǎo)致設(shè)備安裝姿態(tài)傾斜。調(diào)節(jié)推進(jìn)螺桿，帶動(dòng)工裝的上箱體相對(duì)固定的下箱體平移運(yùn)動(dòng)，改變側(cè)掛設(shè)備上方隔振器的水平定位位置，調(diào)整設(shè)備安裝俯仰姿態(tài)直至滿足工藝要求。測(cè)量工裝上箱體與下箱體的相對(duì)位移，明確設(shè)備姿態(tài)調(diào)整墊圈的加工厚度。恢復(fù)工裝至初始位置，在隔振器與設(shè)備安裝面之間加裝墊圈，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝姿態(tài)調(diào)整［1］。

2.2 基本組件設(shè)計(jì)

控制工裝的初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要由支撐板、推進(jìn)螺桿、擋板、上箱體、下箱體、線性導(dǎo)軌、上安裝板、下安裝板等組成。支撐板的作用是支撐推進(jìn)螺桿，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)螺桿定位、旋轉(zhuǎn)，保證螺桿結(jié)構(gòu)的精確水平移動(dòng)。推進(jìn)螺桿與擋板裝配成一個(gè)整體，通過(guò)固定在上箱體的圓形封板帶動(dòng)上箱體沿水平方向移動(dòng)。上、下箱體通過(guò)安裝配合裝置實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，工裝基座設(shè)計(jì)為下箱體的底板，與內(nèi)場(chǎng)水平安裝臺(tái)架固定在一起，保證工裝的平穩(wěn)支撐和精確放置姿態(tài)［2-3］。

2.3 組件優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)工裝初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分析結(jié)構(gòu)制造、使用中可能存在的問(wèn)題，在保持原有工裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從上下箱體的裝配、上箱體和推進(jìn)螺桿的裝配、加強(qiáng)板的設(shè)置、隔振器與工裝的裝配等方面對(duì)控制工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（圖1），改進(jìn)后的工裝結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)如下［4］：

1）上、下箱體的配合裝置選用線性導(dǎo)軌。由于工裝工作環(huán)境較差，配合面的防銹、防塵、防油污處理工藝成本高、工序復(fù)雜，如果選用一般的T型槽配合方式，裝配面的加工精度要求較高、成本高，而采用的線性導(dǎo)軌為定制件，控制精度、環(huán)境適應(yīng)性及成本均能較好地滿足設(shè)計(jì)要求。

2）上箱體和推進(jìn)螺桿的裝配優(yōu)化。上箱體板厚較小，在其上加工盲孔，螺桿頂推箱體，對(duì)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不利影響。優(yōu)化結(jié)構(gòu)是在上箱體加工通孔，推進(jìn)螺桿尾端加工成階梯形，控制上箱體反向運(yùn)動(dòng)，然后加裝擋板控制上箱體正向運(yùn)動(dòng)，操控上箱體的前后移動(dòng)。

3）箱體加強(qiáng)板的設(shè)置?？紤]到工裝的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)在上、下箱體內(nèi)部設(shè)置2塊加強(qiáng)筋板和1塊腹板，考慮到結(jié)構(gòu)自重與加強(qiáng)板的施焊工藝，在加強(qiáng)板上開減輕孔［5］。

圖1 控制工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of tooling optimization design

4）設(shè)備隔振器與工裝的裝配。在設(shè)備隔振器與箱體之間，設(shè)計(jì)上、下安裝板進(jìn)行過(guò)渡連接。為提升安裝板的使用效率，在安裝板上充分、合理布置多型設(shè)備的安裝孔，用于安裝不同型號(hào)、不同距離的隔振器，隔振器與安裝板連接，避免影響工裝箱體的強(qiáng)度、剛度和控制精度［6］。

3 控制工裝的仿真優(yōu)化

控制工裝在設(shè)備載荷作用下，必須同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度要求。通過(guò)有限元分析方法對(duì)各主要構(gòu)件按其受力狀況建立模型，計(jì)算最大設(shè)計(jì)載荷作用下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布狀況，明確結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的薄弱部位，提出主要承載部件結(jié)構(gòu)形式和尺寸的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案［7］。工裝仿真模型如圖2所示，其中設(shè)備的重量為工裝的最大設(shè)計(jì)載荷1 tf，設(shè)備模型為均勻剛體。

圖2 加裝設(shè)備的工裝結(jié)構(gòu)仿真模型Fig.2 Simulation model of tooling with equipment

3.1 上箱體行進(jìn)過(guò)程的工裝強(qiáng)度分析

工裝初始模型中（上箱體水平位移為0 mm），箱體和支撐板的板厚為30 mm，推進(jìn)螺桿直徑為36 mm，線性導(dǎo)軌極限靜載荷為136.31 kN，極限彎矩為2.08 kN·m。工裝選用Q235鋼制造，設(shè)計(jì)要求調(diào)整精度為0.1 mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，即σ＜235 MPa，結(jié)構(gòu)變形Δ≤0.05 mm。計(jì)算工裝在最大載荷下，上箱體向支撐板方向水平移動(dòng)0，15和30 mm時(shí)工裝模型的變形和應(yīng)力情況，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為二維圖形進(jìn)行比較［8］，如圖3所示。

由圖3可知，3種情況下的最大變形均小于0.02 mm，結(jié)構(gòu)剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全符合設(shè)計(jì)要求。相對(duì)其他位移模型，靜載狀態(tài)下位移為0 mm時(shí)的最大變形較大，將其模型作為后續(xù)優(yōu)化研究的初始模型（位移0 mm，板厚30 mm），進(jìn)行箱體板厚優(yōu)化和減輕孔優(yōu)化，重點(diǎn)分析工裝模型的剛度特性。

圖3 上箱體不同位移時(shí)的仿真分析結(jié)果Fig.3 Simulation results of different displacement on top-box

3.2 箱體板厚的仿真優(yōu)化

工裝的外形尺寸由設(shè)備大小決定，在不改變工裝外形尺寸的條件下，箱體板厚是影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的重要因素。上、下箱體的板厚優(yōu)化方案主要有5種，即板厚分別為30，10，16，20和26 mm。5種方案的其他參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為：工裝底板厚30 mm；擋板厚30 mm；上、下箱體內(nèi)部加強(qiáng)板厚度均為20 mm；推進(jìn)螺桿直徑36 mm。工裝板厚優(yōu)化模型的最大變形與應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，初始板厚30 mm的變形和應(yīng)力均符合并且遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)要求，從材料經(jīng)濟(jì)性考慮，不將其作為優(yōu)化結(jié)構(gòu)的板厚尺寸。板厚10 mm的最大變形與設(shè)計(jì)要求的最大變形0.05 mm要求接近，箱體內(nèi)部開減輕孔后可能會(huì)使剛度減小，從而不能滿足設(shè)計(jì)要求，也不作為優(yōu)化方案?？紤]到16與10 mm板厚模型結(jié)構(gòu)性能接近，30與26 mm板厚模型結(jié)構(gòu)性能接近，因此，綜合經(jīng)濟(jì)性和剛度儲(chǔ)備的因素，選取20 mm作為工裝箱體的設(shè)計(jì)板厚。

圖4 不同箱體板厚的仿真分析結(jié)果Fig.4 Simulation results of different thickness on box

3.3 箱體減輕孔的仿真優(yōu)化

靜載作用下上箱體和下箱體的變形控制是工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在箱體內(nèi)部加裝2塊縱向加強(qiáng)筋板、1塊橫向加強(qiáng)腹板，以提高箱體的剛度。考慮到結(jié)構(gòu)自重與加強(qiáng)板的施焊，需對(duì)加強(qiáng)板開減輕孔。在板厚20 mm工裝模型的加強(qiáng)板上，設(shè)計(jì)1種圓孔和4種方孔的減輕孔優(yōu)化方案如表1所示。各工裝減輕孔優(yōu)化模型的最大變形與應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

表1 減輕孔優(yōu)化方案Tab.1 Lightening holes optimization

圖5 不同減輕孔方案的仿真分析結(jié)果Fig.5 Simulation results of different lightening holes

由圖5可知，工裝模型變形的幅值隨下箱體開孔減小而逐漸減小，下箱體剛度對(duì)工裝變形影響較大，因此，在滿足施工條件時(shí)應(yīng)盡量保證下箱體開孔后的剛度。圓形孔不利于焊接施工，方形減輕孔模型的應(yīng)力與變形分布規(guī)律一致，方案5的結(jié)構(gòu)最大變形與應(yīng)力分別為0.035 6 mm和19.6 MPa，其模型剛度和強(qiáng)度性能最優(yōu)，可將其作為減輕孔優(yōu)化的工裝結(jié)構(gòu)。

3.4 支撐板的仿真優(yōu)化

深入分析工裝模型后發(fā)現(xiàn)，支撐板寬度影響線性導(dǎo)軌的劃線、定位和安裝，同時(shí)板厚優(yōu)化、減輕孔優(yōu)化的仿真結(jié)果均表明，支撐板兩側(cè)承擔(dān)的應(yīng)力較小，因而可對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：寬度由800 mm改為400 mm，在“50 mm-80 mm”減輕孔方案（方案5）的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算，變形與應(yīng)力仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同支撐板優(yōu)化方案的仿真分析結(jié)果Fig.6 Simulation results of different support plates

支撐板寬度的減小不影響工裝整體結(jié)構(gòu)性能，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形均分布合理，最大變形和應(yīng)力峰值分別為0.036 3 mm和21.6 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求，因此可對(duì)支撐板的寬度進(jìn)行改進(jìn)。

3.5 優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果

工裝模型的變形和應(yīng)力的仿真計(jì)算結(jié)果如圖7～圖10所示。工裝整體應(yīng)力分布均勻，無(wú)明顯應(yīng)力集中區(qū)域，變形由下至上逐漸增加；支撐板和上箱體連接推進(jìn)螺桿的開孔邊緣出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但遠(yuǎn)小于工裝整體變形；線性導(dǎo)軌的滑塊與滑軌接觸位置出現(xiàn)應(yīng)力集中?；瑝K結(jié)構(gòu)變形大于滑軌，由設(shè)備安裝端向支撐板一端的滑塊結(jié)構(gòu)變形逐漸降低。

圖7 工裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力云圖Fig.7 Contours of deformation and stress of tooling

圖8 工裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)的上箱體位移和應(yīng)力云圖Fig.8 Contours of deformation and stress of top-box

圖9 工裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)的線性導(dǎo)軌位移和應(yīng)力云圖Fig.9 Contours of deformation and stress of linear guides

圖10 工裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)的支撐板位移和應(yīng)力云圖Fig.10 Contours of deformation and stress of support plate

依據(jù)控制工裝仿真計(jì)算結(jié)果，確定主體尺寸為800 mm×440 mm×1 528 mm、箱體板厚20 mm、加開“50 mm-80 mm”的方形減輕孔、支撐板寬度為400 mm的工裝結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案。

4 控制工裝的驗(yàn)證試驗(yàn)

依據(jù)工裝的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，制造了設(shè)備安裝姿態(tài)控制工裝樣機(jī)（圖11）進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備重量為92.6 kgf，在設(shè)備上增加配重模擬管路重量。

試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）在隔振器安裝板上配鉆安裝孔，將設(shè)備與工裝通過(guò)隔振器連接緊固，靜置24 h后測(cè)量設(shè)備狀態(tài)；

2）操控手輪控制上箱體位移，調(diào)整設(shè)備姿態(tài)至合理狀態(tài)，靜置12 h后用水平儀測(cè)量設(shè)備的安裝狀態(tài)，如不滿足要求，重新調(diào)整設(shè)備姿態(tài)直至滿足要求，記錄工裝上、下安裝板的水平間距以及各隔振器距安裝面的距離；

圖11 側(cè)掛設(shè)備姿態(tài)控制工裝結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of equipment attitude controlling-tooling

3）以水平間距的值為標(biāo)準(zhǔn)加工墊圈，并安裝在隔振器與設(shè)備安裝面之間，靜置24 h后采用水平儀檢測(cè)設(shè)備的安裝狀態(tài)，記錄各隔振器距安裝面的距離［9］。

試驗(yàn)記錄結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)備姿態(tài)調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of validation test on equipment attitude controlling

試驗(yàn)結(jié)果表明：隔振器的蠕變會(huì)影響設(shè)備的安裝姿態(tài)；控制工裝有效地調(diào)正了設(shè)備姿態(tài)，工裝功能可行；工裝樣機(jī)調(diào)整過(guò)程中隔振器無(wú)異常變形；工裝樣機(jī)箱體向后移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)隔振器與臺(tái)架之間加裝墊圈時(shí)相同的調(diào)整效果。

相比船臺(tái)階段利用吊線配置墊圈的方式，控制工裝可將姿態(tài)調(diào)整工作前移至內(nèi)場(chǎng)階段完成，并為調(diào)整工作提供了較好的環(huán)境和視角；工裝的調(diào)整方式更靈活，工藝上增加了裝配墊板的方式調(diào)整設(shè)備姿態(tài)；工裝可在設(shè)備安裝管路條件下有效地進(jìn)行設(shè)備姿態(tài)調(diào)整［10］。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)與優(yōu)化的工裝對(duì)側(cè)掛設(shè)備姿態(tài)調(diào)整的精度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工裝結(jié)構(gòu)功能可行，操作簡(jiǎn)單。該工裝適用于在建艦船上使用的中、小型側(cè)掛設(shè)備的姿態(tài)調(diào)整工作，姿態(tài)調(diào)整范圍為20 mm，調(diào)整精度0.1 mm，最大承載設(shè)備重量為1 tf，可在內(nèi)場(chǎng)階段完成側(cè)掛設(shè)備俯仰姿態(tài)調(diào)整、墊圈的配置和加工，改善設(shè)備姿態(tài)調(diào)整的工作環(huán)境，降低以往僅能在船臺(tái)階段完成的設(shè)備姿態(tài)調(diào)整工作的難度，提升墊片配置和加工的準(zhǔn)確度，為船臺(tái)階段的施工節(jié)省時(shí)間、提高施工效率。

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［責(zé)任編輯：易基圣］

Structure design and optimization on the tooling of side-fixed equipment installation attitude control

GAO Yakun，ZHANG Sheng，LIU Yang，PAN Guoxiong
Wuchang Shipbuilding Industry Group Co.Ltd.，Wuhan 430064，China

In order to solve the attitude control problem of side-fixed equipment installation,this paper conducts the structure design of a tool for attitude control and establishes the corresponding design goal of handling,stability,and adjustment accuracy,using standard parts such as linear rail and thread control units to realize the core functions.Moreover,the stable structure,equipment mounting structure,control de?vice,and assembly design of the system are also completed.Then,the structure is optimized by using the simulation analysis method,and its resistance to deformation under static force,the structural stability dur?ing motion,and the properties of strength and stiffness are analyzed.The component size and the form of the control tooling are also optimized.Finally,this paper conducts a functional verification test on the pro?posed tooling,and the results show that the tooling successfully meets the requirements of the precision de?sign purpose,and the structure is feasible and simply operational,which simplifies the process of installa?tion attitude adjustment.

attitude controlling；tooling design；numerical simulation；validation test

U664.5

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.015

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1025.020.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

高亞坤，張盛，劉洋，等.側(cè)掛設(shè)備安裝姿態(tài)控制工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.中國(guó)艦船研究，2015，10（6）：101-106，113. GAO Yakun，ZHANG Sheng，LIU Yang，et al.Structure design and optimization on the tooling of side-fixed equipment installation attitude contro［lJ］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：101-106，113.

2015-01-06 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2015-11-10 10:25

高亞坤（通信作者），女，1987年生，碩士，工程師。研究方向：艦艇振動(dòng)噪聲控制。E-mail：gaoyakun0723@163.com張盛，男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：艦艇振動(dòng)噪聲控制。E-mail：275718552@qq.com