大型郵輪分段總段稱重工藝設(shè)計(jì)

陳小雨,張理燕,張海甬,王虎,王華鋒,陳亞楠

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

郵輪空船重量之大、物資種類之廣、建造環(huán)節(jié)之多,加上空船重量裕度小,給郵輪重量控制全流程帶來極大考驗(yàn)[1-3]。郵輪在詳細(xì)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行重量估算,可在建造階段通過現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)際重量進(jìn)行重量更新[4]。稱重作業(yè)作為重量控制全流程中的重要環(huán)節(jié),特別是針對(duì)大批量中間產(chǎn)品,是檢驗(yàn)和驗(yàn)證船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備、材料是否超重的主要手段[5],將建造過程中的實(shí)際重量與理論重量對(duì)比,實(shí)時(shí)地對(duì)建造過程進(jìn)行監(jiān)控,確保船舶重量重心處于控制之內(nèi)[6]。郵輪分段、總段是建造過程中向后道完工交付的完整性大型中間產(chǎn)品,也是郵輪稱重作業(yè)的關(guān)鍵對(duì)象。因此,郵輪稱重作業(yè)應(yīng)要求稱重工藝通用和高效,適應(yīng)全部類型結(jié)構(gòu)及工藝。為此,探討適用的稱重方法,制定稱重系統(tǒng)工藝要求,根據(jù)分段、總段建造工藝確定合理的稱重工藝,確保稱重?cái)?shù)據(jù)的精確度,提高稱重作業(yè)效率,實(shí)現(xiàn)分段、總段順利稱重,支撐郵輪重量控制。

1 稱重方法

1.1 稱重對(duì)象分析

分段總段重量從幾t到800 t,包含鋼結(jié)構(gòu)、舾裝、油漆等重量。機(jī)艙總段、機(jī)艙分段、上層建筑薄板總段重量較重,覆蓋100～800 t。薄板甲板分段、機(jī)艙小分段重量較輕,覆蓋5～100 t。分段總段尺寸從單層甲板到多層甲板,包含大批量薄板甲板分段、總段。薄板甲板分段尺寸大約為長(zhǎng)15 m、寬32 m。薄板甲板總段尺寸大約為長(zhǎng)29 m、寬38～44 m、高10～15 m。薄板甲板分段數(shù)量多達(dá)500只,薄板甲板總段數(shù)量多達(dá)50只,模型見圖1。

圖1 典型薄板甲板分段總段模型

分段稱重作業(yè)在分段結(jié)構(gòu)、舾裝、油漆完工及報(bào)驗(yàn)后實(shí)施,即在分段擱置狀態(tài)進(jìn)行稱重作業(yè)。分段使用圓柱擱墩或門架擱墩進(jìn)行擱置。總段稱重作業(yè)在總段結(jié)構(gòu)、矯平、舾裝、油漆、內(nèi)裝完工及報(bào)驗(yàn)后實(shí)施,即在總段胎架擱置狀態(tài)進(jìn)行稱重作業(yè)。機(jī)艙總段在水泥塢墩等胎架上總組。上層建筑總段在下口小鐵墩等胎架上總組。

通過分析分段總段重量和尺寸、以及建造工藝,稱重方法應(yīng)確保精準(zhǔn)測(cè)量大范圍的重量數(shù)據(jù),滿足大跨度柔性結(jié)構(gòu)的同步稱重和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,適應(yīng)分段總段不同的擱置工藝要求。

1.2 稱重方法確定

在常規(guī)的吊裝、運(yùn)輸過磅等稱重方法中,存在數(shù)據(jù)誤差范圍相對(duì)較大、前后數(shù)據(jù)讀數(shù)變動(dòng)較大、需要吊車或地磅專用工位和工序等問題;而且,需要多次運(yùn)輸周轉(zhuǎn),降低稱重作業(yè)效率。同時(shí),郵輪大批量的薄板分段總段柔度大、重量分布不均勻,使用常規(guī)稱重方法,存在稱重支承點(diǎn)少且跨度大、容易造成變形和稱重?cái)?shù)據(jù)結(jié)果誤差較大等問題。

采取多點(diǎn)同步頂升的稱重方法,可以確保大跨度船體結(jié)構(gòu)同步頂升,通過借助稱重系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)重量數(shù)據(jù)測(cè)量、多點(diǎn)數(shù)據(jù)同步以及數(shù)據(jù)集成。首先,在每個(gè)單點(diǎn),使用頂升油缸頂升分段、總段實(shí)現(xiàn)上下位移,使用高精度重量傳感器檢測(cè)單點(diǎn)受力即重量,使用位移傳感器體現(xiàn)單點(diǎn)頂升上下的位移值,實(shí)現(xiàn)同步頂升。其次,將數(shù)個(gè)單點(diǎn)進(jìn)行分組管理,通過專用泵站實(shí)現(xiàn)分組內(nèi)稱重作業(yè)同步。最后,通過同步控制臺(tái),實(shí)現(xiàn)各專用泵站之間的數(shù)據(jù)同步和集成,并顯示稱重?cái)?shù)據(jù)結(jié)果,經(jīng)過多次檢測(cè)確定最終數(shù)據(jù)。稱重方法原理及系統(tǒng)組成,見圖2。

圖2 稱重方法原理及系統(tǒng)組成

相比傳統(tǒng)稱重方法,該系統(tǒng)重量檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高,基本不需要額外吊車或地磅等專用工位和工序,可減少場(chǎng)地和大型設(shè)備投入成本,在同一工位原地頂升、下降多次實(shí)現(xiàn)多次重量檢測(cè),稱重作業(yè)效率高。

1.3 稱重系統(tǒng)工藝要求

通過研究稱重系統(tǒng)的工藝要求,明確稱重系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備的技術(shù)要求和功能,確保稱重方法滿足高精度重量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求和同步頂升要求,適應(yīng)郵輪分段總段稱重要求。

1)精度。使用精度等級(jí)≤±0.3%的稱重傳感器,實(shí)現(xiàn)頂升點(diǎn)的頂升重量數(shù)據(jù)測(cè)量,且該精度等級(jí)能滿足郵輪重量控制目標(biāo)要求。

2)稱重單點(diǎn)的高度。單個(gè)傳感器與液壓頂升油缸進(jìn)行組合,形成單個(gè)稱重點(diǎn),實(shí)現(xiàn)頂升和數(shù)據(jù)傳輸,且組合高度滿足全部分段、總段建造工藝要求,適應(yīng)全部分段總段的建造工藝要求,即能順利放入分段總段擱置狀態(tài)的下方。

3)頂升油缸。使用頂升行程200 mm左右的油缸,且頂升承重能力大于50 t。該頂升行程能確保頂升后結(jié)構(gòu)與擱墩或胎架脫離。該頂升承重能力,依據(jù)分段總段重量數(shù)據(jù)范圍大、薄板結(jié)構(gòu)有強(qiáng)有弱、以及單個(gè)油缸承重?cái)?shù)據(jù)有大有小的復(fù)雜性,能在額定有效量程范圍內(nèi)確保絕大多數(shù)重量檢測(cè)值有效。

4)同步控制臺(tái)。實(shí)現(xiàn)使用任意數(shù)量稱重傳感器的組合控制,實(shí)現(xiàn)各頂升點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總和同步頂升監(jiān)控,通過頂升同步確保頂升過程安全。

5)其他要求。在稱重操作得當(dāng)前提下,設(shè)備選用應(yīng)確保前后多次稱重?cái)?shù)據(jù)變化很小。

2 分段稱重工藝

將運(yùn)輸平板車行進(jìn)到分段擱置工裝下方,將高精度的單點(diǎn)稱重傳感器放置到平板車合適位置,該位置通常將頂升到分段強(qiáng)結(jié)構(gòu)或直接頂升擱置工裝,通過平板車頂升稱重傳感器接觸分段或擱置工裝,實(shí)現(xiàn)分段脫離擱置工裝及地面,經(jīng)過反復(fù)多次頂升,最終形成多次稱重?cái)?shù)據(jù)。

以使用平板車頂升代替使用液壓油缸頂升的方式,避免安裝液壓油缸,操作較為簡(jiǎn)便。本工藝覆蓋全部郵輪分段,確保高精度重量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)誤差范圍小、前后數(shù)據(jù)讀數(shù)變動(dòng)很小。避免安裝液壓油缸,無需專用工位和工序、無需多次運(yùn)輸周轉(zhuǎn),操作較為簡(jiǎn)便,作業(yè)效率高。

2.1 使用圓柱擱墩的分段稱重

少部分機(jī)艙分段、大部分薄板分段使用圓柱擱墩進(jìn)行擱置。針對(duì)大部分薄板分段,其稱重工藝是將稱重傳感器均勻布置在平板車兩側(cè)主梁結(jié)構(gòu)上,通過平板車頂升稱重傳感器直接接觸并頂升分段,在稱重傳感器形成重量數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)稱重作業(yè),見圖3。

圖3 使用圓柱擱墩的薄板分段稱重

薄板分段擱墩及傳感器頂升點(diǎn)布置方法,是將傳感器布置在甲板縱梁等強(qiáng)結(jié)構(gòu)位置,避免頂升時(shí)造成薄板甲板及縱骨局部強(qiáng)度不足而變形,見圖4。針對(duì)超寬分段,其尺寸相比平板車長(zhǎng)度較大,設(shè)計(jì)必要的全寬范圍橫向框架式加強(qiáng),避免頂升時(shí)橫向剛度不足而產(chǎn)生彎曲變形。

圖4 使用圓柱擱墩的薄板分段稱重工藝布置示意

2.2 使用門架擱墩的分段稱重

大部分機(jī)艙分段、一部分薄板分段使用門架進(jìn)行擱置。針對(duì)大部分機(jī)艙分段,其稱重工藝是將稱重傳感器均勻布置在門架下方的平板車兩側(cè)主梁結(jié)構(gòu)上,通過平板車頂升稱重傳感器直接接觸并頂升門架,在稱重傳感器形成重量數(shù)據(jù),扣除已標(biāo)定重量的門架工裝得到分段實(shí)際稱重重量數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)稱重作業(yè)。

門架、傳感器頂升點(diǎn)布置方法,是在門架下方的平板車兩側(cè)主梁結(jié)構(gòu)上,使用兩兩并組的稱重傳感器,即單個(gè)門架布置4個(gè)稱重傳感器,避免平板車不均勻頂升、頂升下降不同步給單個(gè)傳感器帶來受力不均勻,造成頂升偏心發(fā)生傾覆等安全問題,見圖5。

圖5 使用門架擱墩的薄板分段稱重工藝布置示意

3 總段稱重工藝

總段稱重工藝為將高精度的稱重設(shè)備放置到總段胎架上或者總組場(chǎng)地地面上的合適位置,通過稱重設(shè)備液壓油缸頂升總段結(jié)構(gòu)或總組胎架,實(shí)現(xiàn)總段脫離總組胎架或地面,經(jīng)過反復(fù)多次頂升,最終形成多次稱重?cái)?shù)據(jù)便于統(tǒng)計(jì)分析。

結(jié)合郵輪總段型式及結(jié)構(gòu)承重能力、建造場(chǎng)地、總組胎架型式,研制各類型薄板總段的稱重方式和稱重設(shè)備布點(diǎn)方式、以及必備工裝工藝要求,通過有限元計(jì)算分析,確保稱重設(shè)備頂升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全,最終形成幾種典型且通用的重量檢測(cè)方法。

工藝方案適用于郵輪全部總段,確保高精度重量數(shù)據(jù)檢測(cè),且能精準(zhǔn)的檢測(cè)薄板總段重心位置便于薄板總段吊裝控制管理。在各類型薄板總段工藝方案中,稱重設(shè)備頂升點(diǎn)數(shù)量和分布合理,確保郵輪結(jié)構(gòu)不發(fā)生頂升變形。當(dāng)總段類型不同、建造方式不同時(shí),稱重設(shè)備選用和稱重方法設(shè)計(jì)、頂升點(diǎn)布置方案具有良好的通用性,可實(shí)現(xiàn)重量檢測(cè)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化,提高作業(yè)效率。

3.1 機(jī)艙總段稱重

機(jī)械總段通常在水泥塢墩上的鋼塢墩總組。其稱重工藝是將稱重設(shè)備放置在水泥塢墩上,通過稱重設(shè)備液壓油缸頂升總段結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)稱重。通常,選取總段首尾兩檔強(qiáng)檔作為總組胎架,且預(yù)先將鋼塢墩在水泥塢墩上偏裝以預(yù)留稱重設(shè)備的位置,實(shí)現(xiàn)稱重設(shè)備在稱重作業(yè)時(shí)放入,見圖6。

圖6 機(jī)艙總段稱重現(xiàn)場(chǎng)

3.2 中下層甲板的薄板總段稱重

中下層甲板的薄板總段,在地面直接使用矮小工裝進(jìn)行胎架擱置總組。其稱重工藝,是確保稱重設(shè)備高度低于總段胎架高度,同時(shí)將稱重設(shè)備放置到地面上對(duì)應(yīng)總段下口強(qiáng)結(jié)構(gòu)位置,且與總段胎架錯(cuò)開布置,實(shí)現(xiàn)頂升稱重,見圖7。

圖7 中下層甲板的薄板總段稱重現(xiàn)場(chǎng)

稱重設(shè)備頂升點(diǎn)布置方法,是考慮到薄板總段結(jié)構(gòu)較弱,應(yīng)盡可能多的布置頂升點(diǎn),且盡可能確保頂升點(diǎn)均勻布置,確保每個(gè)頂升點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不會(huì)造成變形,見圖8。針對(duì)布置在支柱位置附近的頂升點(diǎn),頂升點(diǎn)與總段胎架在支柱的對(duì)角進(jìn)行布置。

圖8 中下層甲板的薄板總段稱重工藝布置方案

由于大型船體柔度大、重量分布不均勻以及支承點(diǎn)跨距較大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為了保證稱重過程中的結(jié)構(gòu)安全,必須通過有限元建模計(jì)算以確定各稱重點(diǎn)的位置和數(shù)量,同時(shí)對(duì)大跨度柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算,以確定稱重點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及加強(qiáng)措施[7]。根據(jù)稱重設(shè)備頂升點(diǎn)布置方案,建立總段有限元模型,認(rèn)為總段下口與稱重設(shè)備接觸位置存在相互作用,采用分段施加重力作用以及在接觸位置施加固定約束的方式來模擬這種工況。經(jīng)過有限元計(jì)算理論分析,見圖9,應(yīng)力與變形較小,實(shí)際稱重與理論分析基本一致,證明此類薄板總段的稱重工藝布置方案合理。

圖9 中下層甲板的薄板總段稱重有限元計(jì)算應(yīng)力云圖

3.3 上層甲板的薄板總段稱重

上層甲板的薄板總段,其總段下口結(jié)構(gòu)較弱、大多數(shù)支柱尺寸及板厚相對(duì)較小。與中下層甲板的薄板總段稱重工藝基本相似,主要的差別如下:因支柱直徑小,當(dāng)頂升點(diǎn)與總段胎架在支柱下口對(duì)角進(jìn)行布置時(shí),存在頂升接觸區(qū)域太小,會(huì)造成結(jié)構(gòu)變形或頂升偏頂發(fā)生安全問題。研制一種支柱下口實(shí)現(xiàn)胎架擱置工況和承重工況二合一功能的專用工裝。該工裝高度與總段胎架高度一致,為一種中空的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)稱重設(shè)備在使用時(shí)放置進(jìn)去,同時(shí)工裝頂板與工裝本體不焊接以實(shí)現(xiàn)頂升該頂板與工裝本體脫離,最終實(shí)現(xiàn)頂升稱重功能,見圖10、11。

圖10 上層甲板的薄板總段稱重及專用工裝

圖11 上層甲板的薄板總段稱重工藝布置

根據(jù)稱重設(shè)備頂升點(diǎn)布置方案,建立總段有限元模型,采取前述方法模擬計(jì)算這種工況?？紤]到該類總段下口結(jié)構(gòu)較弱、大多數(shù)支柱尺寸及板厚相對(duì)較小,經(jīng)過有限元計(jì)算理論分析,見圖12,應(yīng)力與變形較小,實(shí)際稱重與理論分析基本一致,特別是總段下口小尺寸支柱受力不大、且彈性變形可控,證明方案合理。

圖12 上層甲板的薄板總段稱重有限元應(yīng)力云圖

3.4 總段重心測(cè)量

考慮到郵輪舾裝物量較大、以及內(nèi)裝物資較多,必須準(zhǔn)確評(píng)估實(shí)際重心位置,以徹底解決大批量總段實(shí)際重心位置無法預(yù)估問題。重心測(cè)量方法,是根據(jù)稱重工藝布置方案,預(yù)先將各稱重點(diǎn)的理論坐標(biāo)值X、Y導(dǎo)入到檢測(cè)系統(tǒng),依據(jù)實(shí)際重量檢測(cè)中同步控制臺(tái)反饋的各點(diǎn)實(shí)際重量值,經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)公式自動(dòng)計(jì)算得出總段重心位置,并顯示在同步控制臺(tái),見圖13。

圖13 總段重心測(cè)量

4 結(jié)論

針對(duì)郵輪分段、總段大型中間產(chǎn)品的稱重作業(yè),是郵輪下塢前最后一道非常重要的重量控制環(huán)節(jié)。郵輪分段、總段稱重工藝,經(jīng)過適應(yīng)郵輪大量分段、總段的不同結(jié)構(gòu)型式、建造工藝、重量數(shù)據(jù)范圍的研究與應(yīng)用,具有適應(yīng)度、通用度、精準(zhǔn)度高的特點(diǎn),同時(shí)在充分保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)稱重作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化,提高作業(yè)效率,最終實(shí)現(xiàn)大批量分段、總段重量稱重作業(yè),提高建造效率,充分保證郵輪全過程重量控制成果。