跳板本體鉸鏈中心線精度控制研究

劉 靖 嶠

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

工藝與材料

跳板本體鉸鏈中心線精度控制研究

劉 靖 嶠

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

根據(jù)船舶貨物滾裝跳板本體鉸鏈安裝的具體工序和方法，通過(guò)對(duì)跳板本體鉸鏈型式特點(diǎn)的研究，重點(diǎn)從定位基準(zhǔn)、焊接、鏜孔基準(zhǔn)和鏜孔方式對(duì)跳板本體鉸鏈中心線同心度精度的影響及其產(chǎn)生的原因作了詳細(xì)的論述。比較跳板本體鉸鏈采用長(zhǎng)假軸、多次定位鏜孔等多種安裝方法的利弊，及其對(duì)場(chǎng)地和機(jī)械加工工具的要求，對(duì)各種安裝方法所能達(dá)到的跳板本體鉸鏈中心線同心度精度等級(jí)進(jìn)行分析；提出采用二次拉線確定定位基準(zhǔn)、控制焊接變形工藝、鉸鏈雙面劃鏜孔基準(zhǔn)線和鏜孔機(jī)導(dǎo)軌等工藝措施，消除各道工序?qū)μ灞倔w鉸鏈中心線同心度精度的影響，使跳板本體鉸鏈中心線同心度的精度達(dá)到較高等級(jí)。通過(guò)實(shí)船驗(yàn)證，確認(rèn)該安裝工藝能使跳板本體鉸鏈中心線同心度的精度達(dá)到較高等級(jí)。

跳板鉸鏈；鉸鏈中心線；同心度；鏜孔；焊接變形

0　引言

船舶跳板的鉸鏈?zhǔn)翘宓年P(guān)鍵部位，跳板本體不僅通過(guò)鉸鏈與船體相連接，而且跳板的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中鉸鏈在不斷的運(yùn)動(dòng)；跳板在開(kāi)啟狀態(tài)還必須通行運(yùn)載貨物的車(chē)輛，鉸鏈要承受較大的載荷。如果跳板鉸鏈同心度不高，將造成跳板鉸鏈之間受力不均勻，輕則鉸鏈損耗較快，達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限，重則鉸鏈斷裂造成嚴(yán)重安全事故。由于跳板鉸鏈結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，安裝工序多，影響鉸鏈同心度的因素多，保證跳板鉸鏈同心度的精度要求難度甚大。

1　跳板鉸鏈

船舶跳板由于在使用時(shí)必須通行運(yùn)載貨物的車(chē)輛，一般跳板的寬度＞4m，長(zhǎng)度≈6m，跳板功能決定了跳板沿寬度方向設(shè)有3組以上的鉸鏈，鉸鏈中心線具有較長(zhǎng)的跨度；鉸鏈安裝在船體與跳板之間，受到空間限制，其銷(xiāo)軸直徑較小。

以某型船跳板為例，跳板鉸鏈布置見(jiàn)圖1；跳板鉸鏈組成見(jiàn)圖2。

圖1　跳板鉸鏈布置

圖2　跳板鉸鏈組成

2　影響跳板鉸鏈中心線精度的因素

2.1 安裝工序

一般安裝工序可以分為鉸鏈眼板放樣、套料及下料、零件組裝定位、部件焊接、火工校正、機(jī)械加工、鉸鏈部件在跳板本體定位、焊接、現(xiàn)場(chǎng)鏜孔［1］。

1） 鉸鏈眼板放樣。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將鉸鏈分解成單個(gè)零件，畫(huà)出每個(gè)零件的實(shí)際外形，并將制造零件需要的原材料通過(guò)理論計(jì)算。根據(jù)放樣的數(shù)據(jù)在整張鋼板上套料和下料進(jìn)行排列并切割。這2道工序目前均采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)控套料及下料，不存在誤差；

2） 零件組裝定位焊接。將跳板鉸鏈下料好的零件組裝成一個(gè)鉸鏈部件，焊接完畢后，由火工校正；然后對(duì)有機(jī)械加工要求的部位進(jìn)行加工。在上述幾道工序中將產(chǎn)生較大的誤差，但只要在零件下料時(shí)預(yù)留足夠的余量，在機(jī)加工前對(duì)鉸鏈部件重新劃線定位，而且單個(gè)鉸鏈單元體積不大，按照通用機(jī)械加工工藝就可消除上述幾道工序中產(chǎn)生的誤差；

3） 鉸鏈部件在跳板本體定位、焊接、現(xiàn)場(chǎng)鏜孔。將組裝好的鉸鏈部件與跳板本體焊接，并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)跳板鉸鏈進(jìn)行鏜孔。在這幾道工序中由于跳板鉸鏈?zhǔn)翘宓闹饕芰?gòu)件，與跳板本體的焊接型式要求是全溶透焊，焊接工作量大，焊接引起的變形量很大；鉸鏈與跳板本體連接后體積大，基本無(wú)法容納機(jī)加工工具，采用通用加工工藝將產(chǎn)生較大誤差。

2.2 影響因素

2.2.1 定位基準(zhǔn)

由于鉸鏈中心線為空間直線，刻劃鉸鏈中心線位置必須對(duì)照參照物。跳板本體為結(jié)構(gòu)件，其構(gòu)件的外形和定位公差均按船體結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)（CB/T4000—2005《中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》），其劃線定位偏差允許值為≤3mm；跳板本體也是采用焊接方式連接，焊接后跳板本體結(jié)構(gòu)也會(huì)變形，其變形允許值≤6mm［2］。如果每個(gè)鉸鏈單元均以所在跳板本體結(jié)構(gòu)面為基準(zhǔn)定位，將會(huì)對(duì)鉸鏈中心線精度產(chǎn)生影響（見(jiàn)圖3）。

圖3　鉸鏈中心線偏差示意

2.2.2 焊接

焊接過(guò)程中產(chǎn)生的高溫，使鋼材變軟變形，再冷卻后原鋼材已變形；焊接時(shí)鋼材融化成液態(tài)，冷卻后變成固態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中由于鋼材變形，使鉸鏈向一邊傾斜；為解決上述影響鉸鏈同心度的因素，一般選擇CO2氣體保護(hù)焊的型式，降低焊接高溫對(duì)鉸鏈變形的影響［3］；采用在鉸鏈焊接前在側(cè)面加臨時(shí)支撐的方式防傾；安裝時(shí)設(shè)置反變形量；采用長(zhǎng)假軸作為鉸鏈定位和控制焊接變形的工具。但上述措施只能改善部分變形，不能徹底消除焊接引起的鉸鏈同心度誤差。原因是：

1） CO2氣體保護(hù)焊接的原理是采用CO2氣體降低鉸鏈焊縫區(qū)的溫度，但焊接的基本原理還是利用電弧產(chǎn)生的高溫將鋼板變成液態(tài)，再冷卻變成固態(tài)；

2） 側(cè)面的臨時(shí)支撐只是提供1個(gè)反作用力防止變形，并不會(huì)消除變形，拆除臨時(shí)支撐后，鉸鏈仍然會(huì)有變形；

3） 鉸鏈的焊接變形量很難量化，焊接時(shí)的環(huán)境溫度、焊接設(shè)備、施焊人的焊接水平等都影響焊接變形；

4） 跳板鉸鏈的特點(diǎn)是：跨度長(zhǎng)、通孔直徑小，長(zhǎng)假軸實(shí)際為細(xì)長(zhǎng)桿，在重力作用下，本身有撓曲變形。

以某型船的通道為例，鉸鏈跨度≈6000mm，鉸鏈直徑≈80mm，分別采用2mm壁厚的鋼管和實(shí)心圓鋼做長(zhǎng)假軸，采用結(jié)構(gòu)有限元分別計(jì)算其在重力作用下的撓曲。簡(jiǎn)化梁長(zhǎng)度為6mL=，截面直徑為Φ80mm，簡(jiǎn)化力學(xué)模型［4］見(jiàn)圖4。

分別選取截面形狀為直徑Φ80mm的實(shí)心圓鋼和直徑Φ80mm×2mm的無(wú)縫鋼管進(jìn)行撓度計(jì)算。依托有限元軟件MSC.Patran/Nastran采用Beam單元建立有限元模型［5］（見(jiàn)圖5）。

圖4　簡(jiǎn)化力學(xué)模型

圖5　有限元模型

圖6　梁的變形（直徑為Φ80mm的實(shí)心圓鋼）

圖7　梁的變形（直徑為Φ80mm×2mm的無(wú)縫鋼管）

2.2.3 鏜孔基準(zhǔn)

跳板鉸鏈與跳板本體連接后體積很大，只能用鏜孔機(jī)進(jìn)行鏜孔，鏜孔機(jī)是比較簡(jiǎn)單的機(jī)加工工具，只有驅(qū)動(dòng)頭和切削工具，沒(méi)有定位基準(zhǔn)［6］；鉸鏈中心線只在圖紙上，實(shí)際施工中是不存在的。最簡(jiǎn)單直接的方法是采用跳板鉸鏈面板為基準(zhǔn)，鏜孔機(jī)與跳板鉸鏈面板垂直。但跳板鉸鏈在與跳板本體連接時(shí)要焊接，焊接會(huì)產(chǎn)生變形，如以跳板鉸鏈面板為鏜孔基準(zhǔn)將會(huì)對(duì)鉸鏈中心線產(chǎn)生偏差（見(jiàn)圖8）。

圖8　鉸鏈中心線偏差示意

2.2.4 鏜孔設(shè)備

根據(jù)通道鉸鏈的特點(diǎn)，通孔直徑小，跨度大，一般的鏜孔機(jī)不能一次完成鏜孔工作，需分若干次完成，每完成一次鏜孔工作，鏜孔機(jī)需再次定位，每次定位也會(huì)產(chǎn)生誤差，多次定位后累積誤差較大。

3　消除影響鉸鏈中心線精度因素采取的工藝措施

3.1 定位基準(zhǔn)

為消除鉸鏈定位基準(zhǔn)對(duì)鉸鏈中心線精度的影響，在跳板本體焊接及火工結(jié)束后，根據(jù)放樣數(shù)據(jù)重新在跳板本體上刻劃跳板中心線和鉸鏈中心線。具體工藝措施如下（定位基準(zhǔn)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖9）：

步驟 1 在跳板本體胎架制造時(shí)應(yīng)在平臺(tái)上預(yù)先刻劃跳板中心線、跳板鉸鏈中心線，跳板本體結(jié)構(gòu)制造完畢，脫胎架前在跳板本體和胎架上預(yù)留復(fù)驗(yàn)咬合線；

步驟2 跳板本體焊接結(jié)束后，脫胎架進(jìn)行火工校正；

水污染是工程運(yùn)行中面臨的主要環(huán)境問(wèn)題，在后續(xù)運(yùn)行管理中需嚴(yán)格執(zhí)行水質(zhì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，按規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，增加水質(zhì)化驗(yàn)巡檢次數(shù)和抽檢次數(shù)，確保水質(zhì)合格達(dá)標(biāo)以減少水污染對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響。尾水導(dǎo)流工程運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)統(tǒng)籌兼顧治污、環(huán)境保護(hù)以及尾水導(dǎo)流工程的建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)工程輸水目標(biāo)努力，切實(shí)保障受水區(qū)生態(tài)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

步驟3 火工校正結(jié)束后，根據(jù)脫胎架前預(yù)留的復(fù)驗(yàn)咬合線，將跳板本體再上胎架進(jìn)行變形測(cè)量；

步驟 4 在跳板本體上重新刻劃跳板中心線和鉸鏈中心線。根據(jù)樣臺(tái)提供的鉸鏈放樣數(shù)據(jù)，利用激光經(jīng)緯儀重新刻劃跳板本體中心線，校正跳板鉸鏈中心線；

步驟5 根據(jù)每組鉸鏈單元安裝位置和步驟1中確定的跳板鉸鏈中心線，實(shí)測(cè)每組鉸鏈單元眼板的外形并制作樣板，按照樣板加工鉸鏈單元并編號(hào)；

步驟6 按照編號(hào)將鉸鏈單元安裝在相應(yīng)位置，保證鉸鏈眼板與跳板本體間隙小于1mm。

3.2 焊接

焊接產(chǎn)生變形如“2.2.1”所述是不可避免的，只能在跳板鉸鏈焊接過(guò)程中盡量控制變形量，在跳板鉸鏈部件加工鉸鏈孔時(shí)應(yīng)留有余量，待鉸鏈單元在焊接結(jié)束后重新找出正確的鉸鏈中心線，最后通過(guò)鏜孔消除焊接對(duì)鉸鏈中心線精度的影響。

由于鏜孔機(jī)本身的局限性，每次切削的進(jìn)刀量很小，如鉸鏈在焊接時(shí)不采取措施控制變形量，將造成鉸鏈孔預(yù)留較大余量，鏜孔工作量大，時(shí)間長(zhǎng)。所以為消除焊接對(duì)鉸鏈中心線精度的影響，應(yīng)采取控制焊接變形量和焊接后再次鏜孔的工藝措施。

圖9　定位基準(zhǔn)

具體鉸鏈眼板焊接工藝措施如下：

步驟1 用鋼管制作1根長(zhǎng)假軸，保證能穿過(guò)所有鉸鏈，為減少長(zhǎng)假軸的自然撓曲，中間可加裝臨時(shí)支撐。在鉸鏈眼板側(cè)面安裝臨時(shí)防傾肘板［7］；

步驟2 采用CO2氣體保護(hù)焊并對(duì)稱(chēng)施焊，由專(zhuān)人通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)長(zhǎng)假軸來(lái)監(jiān)測(cè)鉸鏈變形量，隨時(shí)控制焊接順序。

3.3 鏜孔基準(zhǔn)

為消除鏜孔基準(zhǔn)對(duì)鉸鏈中心線精度影響，根據(jù)兩點(diǎn)一線的原理，在每個(gè)鉸鏈單元正反兩面找出鉸鏈中心點(diǎn)，利用這兩點(diǎn)再加上必要的輔助線作為鏜孔基準(zhǔn)。具體工藝措施如下（鏜孔基準(zhǔn)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖10）：

步驟1 跳板鉸鏈眼板在跳板本體焊接全部結(jié)束后，進(jìn)行火工校正；然后通道本體進(jìn)入內(nèi)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平和定位，然后由鉗工根據(jù)樣臺(tái)提供的數(shù)據(jù)重新刻劃跳板中心線；

步驟2 在鉸鏈眼板正反兩面固定激光經(jīng)緯儀專(zhuān)用光標(biāo)靶標(biāo)，用激光經(jīng)緯儀在每組鉸鏈正反面刻劃鉸鏈中心點(diǎn)并做十字標(biāo)記，用圓規(guī)在鉸鏈面板上劃出鉸鏈鏜孔調(diào)校圓和鏜孔檢測(cè)圓［8］；

步驟3 鏜孔機(jī)定位，根據(jù)步驟2確定的鉸鏈中心線十字標(biāo)記定位鏜刀，定位時(shí)應(yīng)以步驟2刻劃的鉸鏈正反面的中心點(diǎn)為基準(zhǔn)。定位完成后，進(jìn)行定位檢查，手動(dòng)調(diào)整鏜刀接近鉸鏈面，然后手動(dòng)慢速轉(zhuǎn)動(dòng)鏜孔一圈，以步驟1刻劃的調(diào)校圓和檢測(cè)圓為基準(zhǔn)，檢查鏜刀在轉(zhuǎn)動(dòng)中與上述基準(zhǔn)是否保持一致，如不能保持一致，需再次調(diào)整鏜刀定位。按上述方法對(duì)每個(gè)鉸鏈正反面進(jìn)行鏜刀定位檢查。直到全部合格后才能開(kāi)始鏜孔。

3.4 鏜孔設(shè)備

為消除鏜孔設(shè)備多次定位帶來(lái)的累積誤差，根據(jù)跳板鉸鏈的特點(diǎn)，可通過(guò)為鏜孔機(jī)增加導(dǎo)軌，一次定位完成所有鉸鏈單元鏜孔工作。具體工藝措施如下（帶導(dǎo)軌鏜孔機(jī)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖11）：

步驟 1 跳板鉸鏈鏜孔特點(diǎn)分析：鏜刀行程短，鏜孔機(jī)行走距離長(zhǎng)。在鏜刀的行程中，鏜刀要轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行切削，這個(gè)行程只要大于每個(gè)鉸鏈單元的跨度即可，行程≈250mm，一般的鏜孔機(jī)均可滿足；鏜孔機(jī)的行走距離要求大于整個(gè)鉸鏈的跨度，距離很長(zhǎng)，但在這個(gè)行程中鏜刀并不需要全程進(jìn)行切削，行走距離≈6000mm，鏜孔機(jī)無(wú)法滿足；

步驟2 基于步驟1的分析，在普通鏜孔機(jī)上加裝導(dǎo)軌，導(dǎo)軌本體要求具備足夠的強(qiáng)度，保證鏜刀工作時(shí)鏜孔機(jī)的穩(wěn)定；為保證精度，導(dǎo)軌與鏜孔機(jī)采用平面接觸，接觸面必須進(jìn)行精加工，表面光潔度＜1.6，軌道平直度控制在＜0.05mm；

步驟 3 定位時(shí)鏜孔機(jī)帶導(dǎo)軌一起定位，定位后將導(dǎo)軌固定，鏜刀工作時(shí)鏜孔機(jī)保持在導(dǎo)軌上靜止不動(dòng)，鏜刀完成一組鉸鏈的鏜孔工作后，鏜刀停止工作，推動(dòng)鏜孔機(jī)在導(dǎo)軌上平移到下一組鉸鏈單元前繼續(xù)鏜孔，直到完成所有鉸鏈單元鏜孔工作。

圖10　鏜孔基準(zhǔn)

圖11　帶導(dǎo)軌鏜孔機(jī)

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)跳板鉸鏈中心線精度影響因素的分析并針對(duì)性地采取工藝措施，在實(shí)船的跳板鉸鏈安裝過(guò)程中，跳板鉸鏈眼板預(yù)留5mm的鏜孔余量，在鉸鏈的焊接中采取了防變形措施，將因焊接導(dǎo)致鉸鏈變形對(duì)鉸鏈中心線的精度影響全部控制在＜2mm；然后按照上述工藝措施進(jìn)行鏜孔，完成后復(fù)測(cè)鉸鏈中心線同心度，跳板鉸鏈跨度在6000mm達(dá)到±0.2mm以內(nèi)，完全滿足跳板設(shè)計(jì)要求。

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Research on Precision Control of Ship Ramp Hinge Centerline

LIU Jing-qiao
（Marine Design & Research Institute of China，Shanghai 200011）

Based on the installation process and method of ship ramp hinge and the study on the characteristics of ship ramp hinge，this paper focuses on the influence of location datum，welding，boring reference and boring methods on the concentricity precision of rump hinge centerline，and elaborates the reasons of the influence. It compares the advantages and disadvantages of long dummy shaft，multiple positioning boring and some other installation methods； analyzes the requirements on work space and tooling，and the attainable concentricity precision level of ramp hinge centerline based on various installation methods； and proposes techniques such as the secondary line stretching method to determine location datum，the welding deformation control technique，the drawing of boring reference line and boring machine rails on both sides of the hinge，so as to eliminate the effect of each procedure on the concentricity precision of ramp hinge centerline，and to keep the precision at a high level. Practice onboard ship validates that the proposed technique can make the ramp hinge concentricity precision to reach a higher level.

ramp hinge； hinge centerline； concentricity； boring； welding deformation

U667.3

A

2095-4069 （2016） 03-0061-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.011

2015-05-27

劉靖嶠，男，高級(jí)工程師，1972年生。1994年畢業(yè)于華東船舶工業(yè)學(xué)院船舶工程系，長(zhǎng)期從事船舶舾裝設(shè)計(jì)工作。