船舶建造過程中平面分段精度控制工藝研究

陸永勝，欒 婷

(揚州中遠海運重工有限公司，江蘇 揚州225211)

0 引言

近年來，因金融危機影響，造船形勢持續(xù)低迷。船東因資金鏈難以支撐而以船舶質(zhì)量問題為借口棄船、壓低船價的現(xiàn)象時有發(fā)生，所以提高船舶建造質(zhì)量可以有效緩解船東以船舶質(zhì)量問題為借口棄船、壓低船價的現(xiàn)狀。造船精度管理技術(shù)直接影響船舶的建造質(zhì)量和建造效率，因此，開展船舶建造精度管理勢在必行。

造船精度管理的發(fā)展階段如下：第一階段，采用卷尺、線錘進行分段精度測量。該階段的精度控制主要依靠現(xiàn)場精度人員的經(jīng)驗積累；第二階段，運用全站儀以及PDA(掌上電腦)進行測量。該階段測量的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)接嬎銠C上進行數(shù)據(jù)分析，分析后精度人員可以通過AutoCAD或者辦公軟件編制測量表和報告書；第三階段，精度管理體系流程建立。該階段能夠?qū)崿F(xiàn)精度分析軟件與船舶設(shè)計三維軟件(如Tribon等)的無縫連接，從而實現(xiàn)對分段形態(tài)數(shù)據(jù)的自動分析計算，并生成測量表和報告書[1]。目前國外主流造船企業(yè)的精度管理已進入第三階段，而國內(nèi)大部分造船企業(yè)仍處于第一階段，小部分造船企業(yè)處于第二階段。

船舶的中間部分一般接近平行，被稱為平行中體。在船舶結(jié)構(gòu)中，平行中體占全船比例較大，由此可見，船舶建造過程中，平面分段所占比重較大。因此，提高平面分段的精度控制工藝是提高船舶建造效率、縮短船舶建造周期的重要途徑，對船舶建造精度控制工藝研究有著重要意義。

1 平面分段概述

在以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的現(xiàn)代造船模式下，分段是船舶建造過程中最基本的中間產(chǎn)品。分段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一些分段外型平直或接近平直，稱為平面分段，反之，分段外型曲度較大的則稱為曲面分段[2]。

平面分段有很多，例如雙層底分段、甲板分段、雙舷側(cè)分段等。平面分段先經(jīng)過分段流水線(拼板裝配焊接工位、縱骨裝配焊接工位、小組裝配焊接工位、中組焊接裝配工位)，最后在平臺中心翻身大組。典型雙層底分段的裝配流程如圖1所示。圖中,第一行為分段散裝件S1的部件組成，圖中第二、三行為B15P分段的裝配流程。首先以內(nèi)底板為基面依次吊裝小組立肋板；其次安裝分段散裝件S1；然后吊裝并點焊拼板、散裝外板及骨材；最后安裝分段散裝件，形成完整的雙層底分段。

2 平面分段建造精度控制內(nèi)容及補償量計算

2.1 平面分段建造控制內(nèi)容

平面分段建造精度控制的內(nèi)容可分為：平面分段建造各個工序的補償量計算與分配、平面分段建造過程控制、平面分段精度標(biāo)準的制定，具體內(nèi)容如圖2所示。通過長期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析出不同建造條件下的補償量，并將該補償量分配到平面分段建造的每道工序，從而實現(xiàn)用補償量代替余量的理想狀態(tài)。建造過程控制是指在實際制造過程的每道工序中都采取有效的精度控制手段，確保不滿足精度要求的變形量在進入下道工序前去除。造船企業(yè)精度標(biāo)準是基于行業(yè)標(biāo)準，并結(jié)合造船企業(yè)設(shè)施條件、工藝技術(shù)水平、實際生產(chǎn)特點而制定的。精度標(biāo)準的制定是造船企業(yè)造船精度管理的最終目的，一般從技術(shù)和管理兩個方面來制定。技術(shù)方面包括編制產(chǎn)品技術(shù)文件和編制施工工藝文件等，管理方面包括編制作業(yè)標(biāo)準、編制精度控制檢測表和建立精度控制點。

圖1 雙層底分段制作流程

圖2 平面分段建造的精度控制

2.2 平面分段建造過程補償量的分配與計算

在船舶建造過程中，焊接構(gòu)件在焊接過程中會產(chǎn)生焊接變形，焊接收縮變形是船舶建造過程中影響構(gòu)件變形的主要因素。因此，為滿足船體完工后，理想精度要求的無余量狀態(tài)，需要在零部件加工、裝配、焊接、火工矯正等各道工序增加補償量。

(1)船臺合攏階段

船臺合攏階段是船體分段建造的最后一道工序，該階段補償僅針對船臺合攏過程中的收縮。該階段補償量的加放為：

C船臺合攏補償=c7

(2)總段裝配階段

總段裝配階段補償量除了包含總段裝配階段的縱向和橫向補償c6，還包含后一道工序(船臺合攏)階段的補償要求c7。因此，該階段補償量的加放為：

C總段裝配補償=c6+c7

(3)分段組立裝配階段

分段裝配階段補償量除了包含分段裝配階段的縱向和橫向補償c5，還包含后兩道工序(總段裝配和船臺合攏)階段的補償要求c6+c7。因此，該階段補償量的加放為：

C分段裝配補償=c5+c6+c7

(4)小組階段

組件裝配階段補償量除了包含組件裝配階段的縱向和橫向補償c4，還包含后面三道工序(分段裝配、總段裝配和船臺合攏)階段的補償要求c5+c6+c7。因此，該階段補償量的加放為：

C組件裝配補償=c4+c5+c6+c7

(5)部件裝配

和組件裝配一樣，部件裝配階段補償量除了包含部件裝配階段的縱向和橫向補償c3，還包含后面四道工序(組件裝配、分段裝配、總段裝配和船臺合攏)階段的補償要求c4+c5+c6+c7。因此，該階段補償量的加放為：

C部件裝配補償=c3+c4+c5+c6+c7

(6)零件加工和裝配

零件是構(gòu)成船體分段的最小單元，因此，在零件加工、裝配過程中，除了考慮零件加工、裝配的縱向和橫向補償a1+a2，還需要考慮后續(xù)所有工序的補償要求。因此，該階段補償量的加放為：

C零件加工裝配補償=c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7

分段組立裝配階段的收縮補償量主要是內(nèi)構(gòu)件橫向和縱向收縮補償。對于平面分段的縱橫構(gòu)件，縱向構(gòu)件主要分強縱桁材和縱骨材，縱骨一般為球扁鋼、T型材等型材，橫向構(gòu)件一般為肋骨框架。假定每根強縱桁材的焊接收縮量為a，每根縱骨的焊接收縮量為b，每個肋骨框架的收縮量為c。

分段組立階段的橫向收縮量D5：

式中：M為強縱桁材根數(shù)；N為縱骨根數(shù)。

分段組立階段的縱向收縮量D6：

（7）有些招標(biāo)不符合法定程序，從發(fā)標(biāo)書至開標(biāo)時間少于 20天，更有甚者中間還有可能對某些內(nèi)容進行變動，讓投標(biāo)單位叫苦不迭；

而對于組立階段縱向構(gòu)件的收縮，可以看做連續(xù)的過程，即可將強縱桁材和縱骨的焊接收縮看作相同構(gòu)件的收縮。假設(shè)其平均的收縮為d，則有以下等式：

則組立階段的橫向收縮D5：

D5=(M+N)d

而上述的焊接收縮a、b、c均取現(xiàn)場測量的平均值，其存在波動偏差。假設(shè)其波動偏差分別為Δa、Δb、Δc，則其收縮波動范圍分別為(a-Δa、a+Δa)、(b-Δb、b+Δb)、(c-Δc、c+Δc)，其中，焊接收縮a、b可轉(zhuǎn)變?yōu)?d-Δd、d+Δd)。對這些波動范圍取較大值，可得出最終的組立階段補償量C5。

橫向收縮量C5計算如下：

C5=D5+(M+N)Δd

=(M+N)(d+Δd)

縱向補償量C6計算如下：

以上所論述的船體建造全過程補償量及所推算的組立裝配階段的補償為理論情況下的補償量，在現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況中還應(yīng)根據(jù)實際情況考慮建造誤差、前后道累計誤差等因素所引起的尺寸偏差造成補償量不足問題，需要大量的現(xiàn)場測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為支撐。

3 平面分段建造過程精度控制工藝研究

3.1 平面分段建造流程及其精度控制點

平面分段主要經(jīng)歷中組立和大組立的過程，對于單片體分段，僅經(jīng)歷中組立過程；對于多片體分段，各個片體組裝大組后形成分段。中組立的建造流程主要是將縱橫構(gòu)件裝焊在主板上，大組立的建造流程主要是中組立片體相互組裝焊接。單片體分段的建造流程(中組立)如圖3所示。

圖3 單片分段中組立建造流程示意圖

平面分段建造過程中的精度控制點見表1。

表1 精度控制點

表1的精度控制點、各個階段均須對長寬尺寸進行控制。在主板拼板階段，還須對主板的方正度和主板的端面直線度進行控制；劃線階段主要控制劃線的精度及基準線的施工；縱橫構(gòu)件裝焊階段主要對構(gòu)件安裝的精度和主板水平進行管理；大組裝焊階段主要對片段之間的重合度和分段水平度進行管理。各個階段所測量管理的長寬尺寸，可進行累積統(tǒng)計，進而測算出本組立階段的精確收縮值和波動偏差。

3.2 平面分段建造過程精度控制工藝

在主板拼板過程中，拼板的正方度和端面直線度是精度管理的重點，其直接關(guān)系到分段重合度及其最終搭載時合攏口的對接精度。在每一個拼縫拼接時，都對其對角線進行測量核對。當(dāng)超出精度標(biāo)準時，對拼縫進行縱向微調(diào)，這樣在主板整體拼接完成后，其方正度和端面直線度均可保證。正確的拼板過程精度控制工藝示意圖如圖4所示。

圖4 拼板精度控制工藝示意圖

劃線階段主要根據(jù)拼板的精度狀況，對縱橫內(nèi)構(gòu)件進行劃線，并劃制基準線用于后道的對接。其中劃線應(yīng)注意區(qū)分組立階段和搭載階段的收縮補償。組立階段的補償分散加放在縱橫內(nèi)構(gòu)件上，而搭載階段的收縮補償則根據(jù)圖紙補償量加放方位進行加放，例如雙層底加放在艉部和舷側(cè)部位。其中基準線所形成的的封閉區(qū)間方正度需得到保證，與內(nèi)構(gòu)件劃線相一致。劃線補償加放及基準線施工示意圖如圖5所示。

圖5 劃線補償加放及基準線劃制示意圖

中組階段的內(nèi)構(gòu)件裝焊主要保證其按線裝配的精度、裝配垂直度及焊接前后的片體水平。對于構(gòu)件間存在垂向?qū)雍缚p的結(jié)構(gòu)，其焊接后會引起主板水平上翹，應(yīng)在焊接前對主板加放相應(yīng)的反變形，以保證片體焊后到達水平良好的狀況。

大組階段的裝焊精度控制主要管理片體與片體間的組裝精度、重合度、端面度、水平度等精度管理點。一方面其重合度、端面度精度的好壞，受前道拼板精度影響較大，在前道拼板方正度不良時，則分段的重合度很難達到良好狀況，因此應(yīng)注重管理前后道全流程的過程精度管理。大組階段重合度及端面度管理示意圖如圖6所示。

圖6 大組重合度及端面度精度管理示意圖

平面分段組立階段的精度控制點主要集中在尺寸、方正度、端面度和重合度上。從上述分析的精度控制工藝流程上可看出，前道拼板劃線的主板尺寸、對角線偏差、方正度和端面度是分段組立階段的重要精度控制點。

3.3 基于精度控制的平面分段尺寸鏈精度分析

尺寸鏈是一組封閉的尺寸組，它是將相互之間存在聯(lián)系的尺寸，按照一定順序前后相接排列而成的。在機械領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，是分析裝配精度公差的重要工具。對于平面分段由基準線內(nèi)所構(gòu)成的尺寸組，也可以組成相應(yīng)的封閉尺寸鏈。一種平面分段尺寸鏈(以寬度方向為例)如圖7所示。

圖7 平面分段主板寬度方向的基準線尺寸鏈簡化圖

在圖7尺寸鏈中：封閉環(huán)a0為兩端基準線間的總尺寸；增環(huán)an為構(gòu)件間的劃線間距尺寸。對船舶縱骨而言，a1，a2，a3，…，an表示縱骨之間的間距。減環(huán)bn為縱向構(gòu)件的橫向分散收縮。對船舶縱骨而言，b1，b2，b3，…，bn-1為每根縱骨的橫向收縮。則封閉環(huán)a0的尺寸為：

在該尺寸鏈中，基準線封閉環(huán)的最終尺寸精度由各個組成環(huán)的精度來決定，其減環(huán)的橫向分散收縮主要取決于焊接方式、水平和參數(shù)等因素，而增環(huán)尺寸取決于劃線的精度。

采用概率法計算該尺寸鏈。根據(jù)中心極限定理，當(dāng)組成環(huán)較多時，無論組成環(huán)是否為正態(tài)分布，其封閉環(huán)都非常接近正態(tài)分布，兩個端部的概率很小，概率法只用截取中間最大的那一部分來計算。

則封閉環(huán)a0的數(shù)學(xué)期望為：

封閉環(huán)的a0的統(tǒng)計公差為：

式中：Ta0為封閉環(huán)的統(tǒng)計公差；K0為封閉環(huán)的相對封閉系數(shù)，可取1；Ki為組成環(huán)的相對分布系數(shù)；Ti為組成環(huán)的尺寸公差值。

則封閉環(huán)概率法求解的極大值和極小值為：

用概率求解尺寸鏈的計算方法非常有效。依據(jù)尺寸鏈的計算精度可以確定施工基準線，并累積前后數(shù)據(jù)，形成整船的尺寸鏈精度尺寸。基于概率的尺寸數(shù)據(jù)分析可用于全船尺寸精度的改進。

4 結(jié)語

本文對平面分段建造過程的精度控制工藝開展研究，并對全船和組立階段的補償收縮進行了詳細的闡述和計算公式推導(dǎo)，在組立補償收縮推導(dǎo)的基礎(chǔ)上對其尺寸鏈精度進行了分析，由于缺乏相應(yīng)實測數(shù)據(jù)，未能進行實例計算。本文對造船企業(yè)縮短造船周期和提高造船效率有著一定的指導(dǎo)意義。同時，造船企業(yè)也應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場的施工條件和實際情況，總結(jié)出適合本企業(yè)的精度控制工藝，以提高船舶建造水平。