總段模塊化建造下的超長軸系安裝及校中技術(shù)

段孟強(qiáng)，張金國，王剛偉，田佳彬

（海裝沈陽局駐葫蘆島地區(qū)軍事代表室，遼寧葫蘆島125004）

0 引言

總段模塊化造船能夠縮短船舶設(shè)計、建造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，且便于設(shè)備安裝、維修和改/換裝，降低其相關(guān)費(fèi)用[1-3]。圖1為動力裝置總段模塊化設(shè)計示意圖，其建造流程可簡述為：1）首先，在總段外對動力裝置、齒輪箱、浮筏上其它設(shè)備及浮筏進(jìn)行組裝，形成動力模塊并進(jìn)行模塊調(diào)試試驗(yàn)；2）然后進(jìn)行傳動軸系、動力模塊在總段上的安裝，形成總段（1）；3）最后進(jìn)行總段（1）與總段（1）的總段合攏工作。

圖1 動力裝置總段模塊化設(shè)計

在艦船建造過程中，主要可能遇到如下問題：

1）軸系校中及安裝。動力裝置、傳動軸系和推進(jìn)器的安裝屬于船舶建造核心及關(guān)鍵技術(shù)，三者緊緊圍繞軸系校中而展開。軸系校中質(zhì)量的好壞，對保證軸系、主機(jī)正常運(yùn)行，減少船舶振動噪聲乃至提高船舶的經(jīng)濟(jì)性均起著舉足輕重的作用[4]。

2）軸系安裝時機(jī)直接影響總段建造周期。已有船舶在進(jìn)行總段合攏過程中發(fā)現(xiàn)，總段焊接合攏過程導(dǎo)致動力模塊相對總段結(jié)構(gòu)位置發(fā)生變化，進(jìn)而影響動力模塊與傳動軸系的對接安裝狀態(tài)。

因此提出如圖2和圖3所示的2種軸系安裝工藝流程。

圖2 軸系與動力模塊并行建造方案流程圖

圖3 軸系與動力模塊串行建造方案流程圖

圖2采用軸系與動力模塊并行建造方案，符合總段模塊化造船的建造需求，對于建造周期的控制較為有利。圖3采用軸系與動力模塊串行建造方案，主要應(yīng)對“總段合攏導(dǎo)致動力模塊狀態(tài)變化，進(jìn)而影響動力模塊與軸系對接安裝狀態(tài)”造成的安裝質(zhì)量問題。

因此探討總段模塊化建造模式下的軸系安裝及校中相關(guān)問題，并提出有力措施，對于船舶總裝建造質(zhì)量及周期至關(guān)重要。本文在工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值計算分析方法，就軸系安裝及校中等建造事宜，提供相關(guān)軸系安裝及校中建議，以適應(yīng)總段模塊化建造之需。

1 軸系安裝時機(jī)探討

軸系安裝有機(jī)地融合到總段模塊化建造流程中，實(shí)現(xiàn)了軸系安裝與其它建造工藝的并行開展，大大節(jié)約了總裝建造的周期。如圖2所示。

根據(jù)CB/T 3625—1994《舵、軸系找中鏜孔質(zhì)量要求》中相關(guān)設(shè)計規(guī)定，對軸系軸殼進(jìn)行鏜孔后，軸系軸線已確定；軸系安裝后將無法對軸系進(jìn)行調(diào)整，否則需要重新開展軸系鏜孔工作[5]。

基于上述情況，如果總段合攏過程對軸系安裝狀態(tài)發(fā)生影響，則必須通過調(diào)整動力模塊來調(diào)整軸系，從而保證動力模塊安裝狀態(tài)，以及與軸系間的對接安裝質(zhì)量。該情況適用于動力模塊較小，且動力裝置在艙內(nèi)可調(diào)的情況；由于軸系與主機(jī)（或動力裝置）的對接安裝精度較高，如文獻(xiàn)[7]規(guī)定剛性聯(lián)軸節(jié)的對中要求：曲折為0.15mm/m，偏移為0.10 mm，因此對動力裝置的調(diào)整精度為0.01mm 級別，對相關(guān)工裝工具的調(diào)整能力要求高，比如一般要求需滿足起重大、結(jié)構(gòu)尺寸不易過大、調(diào)整精度高等條件。

若動力模塊無法在艙內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，則總段合攏導(dǎo)致的動力裝置安裝及與軸系對接安裝的建造質(zhì)量將無法保證。該情況下，一方面需要在切削精度、船體分段合攏誤差控制、船體變形方向控制等方面進(jìn)行大量的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)積累及計算分析，確?？偠魏蠑n過程中的船體結(jié)構(gòu)變形可控，且不影響舾裝作業(yè)及建造質(zhì)量；另一方面，若總段合攏變形不可控將直接導(dǎo)致船體建造問題被帶入后續(xù)的舾裝作業(yè)中，影響已完成的舾裝建造質(zhì)量。針對上述問題，需要舾裝提供相應(yīng)的技術(shù)措施予以化解，為此提出了圖3所示的總段合攏后進(jìn)行軸系安裝的技術(shù)方案。

基于上述分析，提出總段合攏前進(jìn)行軸系安裝，或總段合攏后進(jìn)行軸系安裝的邏輯示意圖如圖4所示。

圖4 軸系安裝時機(jī)邏輯框圖

2 超長軸系安裝工藝分析

GJB 1844—1993《水面艦船主機(jī)軸系安裝驗(yàn)收要求》、CB/Z 209—2011《潛艇軸系安裝技術(shù)要求》[6-7]等對水面艦船或潛艇的軸系基座加工、內(nèi)場準(zhǔn)備、主機(jī)和軸系中心定位、安裝及驗(yàn)收等方面進(jìn)行了規(guī)定。從上述標(biāo)準(zhǔn)可梳理出：1）一般艦船建造，需對軸系、主機(jī)（動力裝置或動力模塊）進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計及建造；2）對于軸系找中，前期使用了“拉線法”—鋼絲拉線，隨著技術(shù)進(jìn)步及建造要求的提升，目前一般采用“光學(xué)法”（軸系照光法）進(jìn)行軸系找正；3）軸系與主機(jī)的安裝驗(yàn)收工作一般在艦船下水后進(jìn)行；4）主機(jī)軸系安裝一般采用從艉到艏的安裝流程，也有采用從艏向艉的反向流程；5）軸系校中從“直線校中法”逐漸向“合理校中法”發(fā)展。

文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[10]對軸系安裝工藝流程進(jìn)行了一定的闡述，而實(shí)際上各船廠對軸系、主機(jī)等核心、關(guān)鍵工藝“諱莫如深”，比如對于超長軸系安裝過程中產(chǎn)生的累積誤差，導(dǎo)致從艉向艏進(jìn)行軸系排軸過程發(fā)現(xiàn)軸系與主機(jī)（動力裝置）無法對接安裝，一般表現(xiàn)為軸系法蘭低于主機(jī)（或齒輪箱）輸出法蘭，不滿足軸系對中要求。

在文獻(xiàn)[8]中，運(yùn)用數(shù)值分析方法，開展了精度分配方法，并進(jìn)行工程適用性驗(yàn)證；計算分析表明：采用概率法的精度分配分析方法具有一定的工程應(yīng)用價值。根據(jù)上述精度分配方法，確定各組成環(huán)的制造精度、安裝精度分配指標(biāo)，核算封閉環(huán)合成精度是否滿足調(diào)整能力的要求，精度分配流程如圖5所示。

圖5 精度分配流程

根據(jù)上述精度分配方法，對某型船舶“軸系-減速器”對接安裝尺寸鏈進(jìn)行了數(shù)值計算分析。以軸系安裝垂向?yàn)槔?，某型船舶從艉向艏包括艉軸、后中間軸、推力軸承、前中間軸、高彈聯(lián)軸節(jié)和中間軸承，中間軸承艏端與減速器連接。以中間軸承輸入端定位（垂向）為封閉環(huán)Z，各組成環(huán)Zi包括：

1）軸系艉部基準(zhǔn)點(diǎn)的定位zshaft，組成環(huán)Z1＝zshaft。

2）后中間軸與艉軸的對中偏斜和偏移，偏斜記為x，偏移記為y，組成環(huán)Z2＝1.830x1＋z1，1 830mm 為后中間軸的長度。

3）推力軸承與后中間軸的對中偏斜和偏移，組成環(huán)Z3＝3.32（x1＋x2）＋z2，3 320mm 為推力軸承的長度。

4）前中間軸與推力軸承的對中偏斜和偏移，組成環(huán)Z4＝4.750（x1＋x2＋x3）＋z3，4 750 mm為后前間軸的長度。

5）I型高彈聯(lián)軸節(jié)與前中間軸對中偏斜和偏移，組成環(huán)Z5＝2.760（x1+x2+x3+x4）+z4，2 760mm為I 型高彈聯(lián)軸節(jié)的長度。

6）I型高彈聯(lián)軸節(jié)與中間軸承的對中偏斜和偏移，組成環(huán)Z6＝1.370（x1+x2+x3+x4+x5）+z5，1 370mm為中間軸承的長度。

由于偏移、偏斜的方向未知，以上組成環(huán)均可認(rèn)為是增環(huán)，因此封閉環(huán)尺寸鏈公式為

以上封閉環(huán)尺寸鏈共有11個變量，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求各變量基準(zhǔn)值及偏差值清理如表1 所示，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求各變量的基準(zhǔn)值及偏差值，并代入式（1），對其進(jìn)行計算，計算結(jié)果如下。

（1）極值法

（2）概率法，組成環(huán)為正態(tài)分布

按照上述方法分別計算軸向、橫向情況，并匯總垂向情況，計算結(jié)果見表1。

表1 “軸系-減速器”對接安裝分析計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1）由于軸系排軸過程中各軸系設(shè)備或軸段對中并非“零對零”，因此必然導(dǎo)致軸系艏端與動力裝置對接時有一定偏差。同時，軸系設(shè)備或軸段越多、越長，軸系從艉向艏排軸過去，與主機(jī)（或動力裝置）對接的偏差越大。因此對于超長軸系的排軸、安裝，其工藝愈發(fā)復(fù)雜，作業(yè)愈難。

2）主機(jī)軸系安裝按從艉向艏進(jìn)行排軸時，以艉軸前法蘭為基準(zhǔn)，自艉向艏調(diào)整各軸及主機(jī)（或動力裝置）中心位置，使得各隊(duì)法蘭的偏移、曲折值符合要求，測出各軸承下墊片厚度并拂配完畢；文獻(xiàn)[6]可印證上述情況。另外，從表1計算結(jié)果來看，各向軸承基座調(diào)整余量可滿足拂配余量的要求。

3）軸系從艉向艏進(jìn)行軸系排軸過程時，發(fā)現(xiàn)軸系與主機(jī)（或動力裝置）無法對接安裝，一般表現(xiàn)為軸系法蘭低于主機(jī)（或動力裝置）輸出法蘭，不滿足軸系與主機(jī)（或動力裝置）對接對中要求。船廠一般采用抬高主機(jī)（或動力裝置）的方式來使得軸系法蘭與主機(jī)（或動力裝置）對中以滿足要求，文獻(xiàn)[4]及文獻(xiàn)[10]也能驗(yàn)證上述技術(shù)措施的有效性。

3 軸系校中工藝分析

文獻(xiàn)[6]及文獻(xiàn)[9]針對軸系校中方法有一定的介紹，包括軸系直線校中、軸系合理校中等方法，主要側(cè)重于軸系校中計算分析；文獻(xiàn)[4]中軸系校中采用了軸系直線校中法；文獻(xiàn)[10]通過軸承負(fù)荷的測量來開展軸系合理校中。整體來說，針對船廠實(shí)際建造過程中軸系校中的工藝問題則少有涉及。

目前大多船廠采用了軸系合理校中法及相應(yīng)的配套工藝，同時軸系校中驗(yàn)收也大多采用下水后進(jìn)行交驗(yàn)；隨著總段模塊化技術(shù)的應(yīng)用，軸系總段對中在日韓等造船業(yè)較發(fā)達(dá)的國家已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)先進(jìn)性也得到造船各界的認(rèn)可。由于總段對中技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要在切削精度、船體分段合攏誤差控制、船體變形方向控制等方面進(jìn)行大量的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)積累及計算分析，目前國內(nèi)鮮有此方面的研究及論文[11-12]。文獻(xiàn)[11]基于某些船型的軸系校中實(shí)施是在靜水狀態(tài)下完成的，近似認(rèn)為靜水狀態(tài)下的船體變形為0，因此未計及下水后的船體變形；而文獻(xiàn)[12]提出應(yīng)考慮船體變形對軸系總段對中的影響，但未給出是實(shí)船建造過程中如何考慮船體變形對軸系總段校中的影響。不考慮船體變形對軸系校中的影響有較多的前提條件，比如船體變形相對較小、船體變形量不足以影響軸系校中狀態(tài)等。從大多數(shù)實(shí)船軸系校中情況來看，船體變形顯然對軸系校中具有一定的影響。

鑒于上述情況，結(jié)合相關(guān)分析及已取得的工程經(jīng)驗(yàn)，提出基于總段建造條件下的下水狀態(tài)軸系校中工藝，分2個階段進(jìn)行。

3.1 船臺階段

船臺階段，船體結(jié)構(gòu)由墩木等強(qiáng)結(jié)構(gòu)予以支撐，船體結(jié)構(gòu)在船臺階段的變形主要受到環(huán)境、溫度等條件的影響；因此船臺階段軸系按照“直線校中法”進(jìn)行軸系排軸、定位工作，并按照法蘭的偏移、偏斜進(jìn)行軸系校中檢驗(yàn)，確保船臺階段軸系校中處于“準(zhǔn)直線”狀態(tài)；同時為了避免或減輕原有軸系與主機(jī)（或動力裝置）對接過程出現(xiàn)的法蘭連接問題，需要在軸系排軸過程中，進(jìn)一步采用如下工藝措施：

1）需對可拆聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行“中心扶正”，避免或減輕可拆聯(lián)軸節(jié)因集中載荷過大導(dǎo)致的軸線下垂問題。

2）在軸系排軸過程中，合理利用軸系法蘭對中偏移、偏斜的上下偏差，進(jìn)一步降低軸系與主機(jī)（或動力裝置）對接過程的法蘭連接問題。從表1計算情況來看，如果按照“極值法”（軸系法蘭對中偏移、偏斜值均按照一個方向）進(jìn)行軸系對中排軸，則累計誤差效應(yīng)較大（軸系設(shè)備越多、越長，累計偏差效應(yīng)越大）；若按照“概率法”（軸系法蘭對中偏移、偏斜值可能為正，也可能為負(fù)）進(jìn)行軸系對中排軸，相比于“極值法”排軸，其累計誤差效應(yīng)將大幅降低。因此，在軸系排軸過程中，合理利用法蘭對中偏移、偏斜的上下偏差，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，完全可以解決軸系與主機(jī)（或動力裝置）對接過程的法蘭連接問題。

3.2 下水階段

船舶下水后，船體結(jié)構(gòu)在支墩條件下與下水后的受力狀態(tài)不同，艇體結(jié)構(gòu)變形必將有所不同，進(jìn)而影響軸系校中的狀態(tài)?；谀壳皽y量艇體結(jié)構(gòu)變形存在的測量方法、測量基準(zhǔn)、測量精度等進(jìn)行基礎(chǔ)性測試研究，因此基于艇體結(jié)構(gòu)變形條件下的軸系合理校中工藝實(shí)施存在實(shí)操困難。

基于上述情況，進(jìn)行“反向思維”，在艇體結(jié)構(gòu)未知情況下，開展“下水階段”的軸系軸承負(fù)荷測量，并進(jìn)行軸系軸承標(biāo)高的調(diào)整，使各軸系軸承達(dá)到軸系合理校中法計算所得的軸承理論計算值及許用偏差。為保證軸承負(fù)荷測量的準(zhǔn)確，一般需要對軸系進(jìn)行盤車操作；當(dāng)通過軸系軸承標(biāo)高調(diào)整，使得軸承負(fù)荷滿足理論計算情況，對已調(diào)整標(biāo)高的軸承進(jìn)行最終安裝固定。上述軸系校中工藝基于軸系合理校中計算、軸系合理校中測試等成熟技術(shù)提出，可有效解決計及艇體變形下的軸系合理校中問題。

當(dāng)前階段下，如何結(jié)合大量工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)測試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開展船臺階段的軸系合理校中“預(yù)調(diào)整”研究—船臺階段即計及下水后的船體結(jié)構(gòu)變形，并調(diào)整軸系校中狀態(tài)；待軸系下水后，軸系校中狀態(tài)“自動”到達(dá)合理校中狀態(tài)。上述工藝可縮短碼頭周期，加快造船速度，但需要先期開展大量軸系、船體等方面的測試及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)工作。

4 結(jié)論

本文針對總段模塊化建造模式下的軸系校中及安裝相關(guān)問題，結(jié)合極值法、概率法等數(shù)字計算分析結(jié)果，開展了總段模塊化建造條件下的軸系安裝時機(jī)、軸系安裝工藝、軸系校中工藝等方面的論證分析工作，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論及建議。

1）軸系安裝時機(jī)方面。若動力模塊在艙內(nèi)可調(diào)，可在總段合攏前進(jìn)行軸系安裝工作；反之，則需在總段合攏后進(jìn)行軸系安裝工作。

2）軸系安裝工藝方面。結(jié)合已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)，對軸系安裝主要注意事項(xiàng)進(jìn)行小結(jié)；通過數(shù)字計算分析表明，鑒于軸系各設(shè)備法蘭并非“零對零”的對中排軸，若不采用中間環(huán)節(jié)的人為干涉工藝措施，必將導(dǎo)致軸系艏端與動力裝置對接時有一定的偏差。

3）軸系校中工藝方面。提出分階段、分布實(shí)施軸系校中的工藝措施，即船臺階段開展軸系直線校中，下水階段開展軸系合理校中，并最終安裝定位。

4）鑒于在船臺階段進(jìn)行軸系合理校中可以縮短碼頭周期，加快造船速度，提出船臺階段對軸系進(jìn)行“預(yù)調(diào)整”，但需先期開展大量軸系、船體等方面測試及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)工作。