某大型綜合資源調(diào)查船直葉槳推進(jìn)器基座安裝工藝研究

程坤 侯濤 孫晶鑫 楊汪權(quán) 李偉洪

摘? ? 要：直葉槳推進(jìn)器結(jié)構(gòu)較大、安裝精度高，其基座加工和安裝是整個推進(jìn)器最核心的工序。本文通過改裝加工銑床、改進(jìn)加工工藝、利用高差法等先進(jìn)的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)直葉槳基座平面度達(dá)到0.1mm等安裝技術(shù)要求，對直葉槳推進(jìn)器等大型船舶設(shè)備的加工和安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：直葉槳推進(jìn)器；基座安裝；高差法；銑床改裝

中圖分類號：U671.91+1 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research on Installation Process of Straight Blade Propeller Base of a Large-scale Comprehensive Resource Survey Ship

CHENG Kun，? HOU Tao，? SUN Jingxin， YANG Wangquan，? LI Weihong

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，? Guangzhou 510715 ）

Abstract： The Straight blade propeller has large structure and high installation accuracy， among which base machining and installation is the most basic and core process of the whole propeller. In this paper， by modifying the milling machine， improving the processing technology， and using advanced technology such as the height difference method， the installation technical requirements of the straight blade propeller base plane can reach the flatness of 0.1mm， which has certain guiding significance for the processing and installation of large ship equipment such as straight blade propeller.

Key words： straight blade propeller; base installation; height difference method; milling machine modification

1? ? ?前言

直葉槳推進(jìn)器因其彌補(bǔ)了螺旋槳推進(jìn)器在低航速下船舶推力和推進(jìn)器扭力不足所導(dǎo)致的控制性能下降明顯等缺陷，正逐步取代傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)器應(yīng)用于海洋科考類船舶。2019年由廣州某船廠建造的大洋綜合資源調(diào)查船，采用了目前全球最先進(jìn)、馬力最大的直葉槳推進(jìn)裝置（VSP）作為動力系統(tǒng)推進(jìn)器。該套裝置由機(jī)艙兩臺功率巨大的柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電，電流通過變頻器傳遞到交流推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動直葉槳運(yùn)行。

推進(jìn)裝置基座是直葉槳將扭力轉(zhuǎn)化為船舶推力的重要船體部件，其不但承擔(dān)著整個船舶的推力作用，還對該基座要求極高的水平面精度。在直葉槳整個安裝過程中，推進(jìn)器基座的定位、安裝和安裝面加工等工序，是整個安裝過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是該裝置能否發(fā)揮其最大能效的核心所在。本文對推進(jìn)裝置基座的定位、基座面板的加工以及一些新工藝和工裝的改進(jìn)等展開研究。

2? ? ?項(xiàng)目概述

某大型綜合資源調(diào)查船，為一艘集多學(xué)科、多功能、多技術(shù)手段為一體，滿足無限航區(qū)要求，以大洋多種資源探查為主，同時兼顧相關(guān)深海多學(xué)科研究需求的綜合資源調(diào)查船（見圖1）。該船采用兩套最先進(jìn)的直葉槳推進(jìn)裝置（見圖2），其核心部分由變頻器、交流推進(jìn)電機(jī)、連接軸和推進(jìn)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成：主發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流，經(jīng)由變頻器變頻整流傳遞到推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)化為扭力，再由推進(jìn)電機(jī)通過連接軸傳遞到直葉槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成對船舶的推力，最終完成由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，再由電能轉(zhuǎn)化為動能的全過程。

本項(xiàng)目施工的重點(diǎn)在于執(zhí)行機(jī)構(gòu)基座的定位加工：基座由直徑大于4 m的鋼制圓環(huán)及和圓環(huán)連接的筒體兩部分組成，基座圓環(huán)寬度為240 mm、厚度為50 mm，兩套推進(jìn)裝置左、右舷對稱布置于船艉；直葉槳安裝面在橫向與水平面夾角 6.8°，縱向偏角為0°；直葉槳安裝在基座上（見圖3），要求平面定位誤差值小于3 mm、高度誤差小于3 mm、安裝角度偏差不大于 0.15°、基座面總體平面度誤差控制在0.2 mm；基座加工過程中，由于受焊接應(yīng)力變形、平面銑床加工震動、船體結(jié)構(gòu)變形等因素影響，要確保如此高的加工精度是十分困難的。

3? ? ?直葉槳基座定位

直葉槳基座為圓形（共2個），左右對稱分布。基座由面板與筒體構(gòu)成，加工后中心坐標(biāo)為FR6，距舯3850 mm，H=4 602 mm（基座上表面）；直葉槳基座的安裝面法蘭上平面橫向與水平面夾角為 6.8°，縱向無偏角，角度偏差不大于 0.15°。

船體外板與基座面板上表面要求平行，兩個面的夾角公差為±0.1°，以保證直葉槳安裝后不與船體外板相碰，基座區(qū)域船體外板外表面到基座面板上表面的高度為748±5 mm。

3.1? ? 基座定位安裝方法

3.1.1基座的定位基準(zhǔn)線

（1）在 301 分段與主船體焊接報(bào)驗(yàn)合格后，船體專業(yè)向輪機(jī)專業(yè)提供合格的船體舯線、FR6線及 BL 基線，作為直葉槳圍井安裝采用的船體基準(zhǔn)；

（2）如圖4所示，輪機(jī)專業(yè)根據(jù)船體專業(yè)提供的基準(zhǔn)線，按直葉槳實(shí)際安裝面中心坐標(biāo)、筒體中心線、軸向輔助線和橫向輔助線等位置（坐標(biāo)誤差值允許范圍±3 mm）做出幾個拉線靶點(diǎn)，拉出直葉槳基座筒體中心線、軸向輔助檢查線、橫向輔助檢查線，并提交所拉基準(zhǔn)線的正確性報(bào)驗(yàn)，作為直葉槳基座定位基準(zhǔn)線。移交船體專業(yè)進(jìn)行基座定位。

3.1.2 基座的定位方法

（1）根據(jù)所拉筒體中心線定位直葉槳基座，要求筒體定位后筒體中心線與基座筒體下表面交點(diǎn)到筒體下端內(nèi)孔各半徑距離相等、筒體中心線與基座上表面交點(diǎn)到基座上表面內(nèi)孔各半徑距離相等，保證基座面板上表面向下量取25 mm產(chǎn)生的截面（基座加工到位的面，此時面板理論45 mm厚）中心坐標(biāo)為：FR6、距舯3850 mm、H=46 02 mm、定位誤差值小于3 mm（見圖5），控制筒體中心與所拉筒體中心線同心度在3 mm以內(nèi)；

（2）船體外板與基座面板上表面要平行，兩個面的夾角公差為±0.1°；基座區(qū)域船體外板表面到基座面板上表面的高度748±5 mm，以保證直葉槳安裝后不與船體外板相碰；基座面板設(shè)計(jì)厚度45 mm、下料厚度70 mm，局部最小厚度不小于40～45 mm，最大厚度不超過55 mm，以確保螺栓長度足夠。因此，定位基座時按圖6進(jìn)行定位，要求基座區(qū)域船體外板內(nèi)表面到基座面板上表面理論距離為757±3 mm；在筒體上法蘭數(shù)據(jù)定位及筒體四周結(jié)構(gòu)與船體焊接完成后，以筒體法蘭上表面為基準(zhǔn)校準(zhǔn)外板，保證高度數(shù)據(jù)滿足要求；

（3）基座的安裝面法蘭上平面橫向與水平理論夾角為 6.8°，施工操作難度大。為此，通過采用拉設(shè)橫向輔助線和縱向輔助線交叉形成測量基準(zhǔn)面，對基座法蘭上表面數(shù)據(jù)進(jìn)行定位和監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過測量基座橫向內(nèi)邊高度差進(jìn)行定位，其原理如圖7所示。

為了方便角度測量，采用測量高度差（代替測角度）的方法進(jìn)行定位。要求基座面板左右分中線與橫向輔助線投影線重合；即橫向輔助線上掛線錘吊點(diǎn)與基座左右分中洋沖點(diǎn)重合;要求基座近中內(nèi)側(cè)面板內(nèi)孔邊距離輔助線垂直距離1 395 mm，基座近舷側(cè)面板內(nèi)孔邊距離輔助線垂直距離919 mm，誤差值小于3 mm；要求這兩點(diǎn)高度差值為476 mm，誤差小于3 mm。

4? ? ?基座加工工藝工裝優(yōu)化

4.1? ?基座平面加工難點(diǎn)

基座安裝面要求φ4 020 mm，平面總體平面度控制在0.2 mm，其中 3 個直葉槳安裝螺栓密集區(qū)上平面平面度控制在±0.1 mm，其他區(qū)域上平面平面度最大不超過 0.3 mm。

4.2? ?加工設(shè)備選型

基座最大加工直徑為Ф42 60 mm，基座平面度要求在螺栓密集區(qū)域±0.1 mm，整體平面度要求0.3 mm以內(nèi)。通過對加工設(shè)備進(jìn)行選型分析，其中XCCX405便攜式法蘭端面車床除了加工直徑不滿足基座加工直徑，其他參數(shù)都滿足基座的加工要求。

XCCX405便攜式法蘭端面車床，是根據(jù)現(xiàn)場加工需要而研發(fā)的一種功能非常強(qiáng)大的機(jī)床，由主機(jī)部分、底座部分、刀臂部分、進(jìn)給箱、車刀架、配重等組成，見圖8所示。

XCCX405便攜式法蘭端面車床針對不同的零件尺寸和安裝空間，可分別采用內(nèi)支撐和落地式兩種安裝方式。該機(jī)床由伺服電機(jī)驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)加工過程的無級調(diào)速和自動進(jìn)給。

4.3? ?銑床改裝

XCCX405便攜式法蘭端面車床和XCCX400便攜式法蘭端面車床，加工直徑最大只有4 000 mm，基座最大加工直徑為Ф4 260 mm，這兩臺車床都無法滿足Ф4260 mm的加工要求。

根據(jù)刀架和刀壁結(jié)構(gòu)和直葉槳周圍的船體結(jié)構(gòu)，在保證既能擴(kuò)大加工直徑又能保證在旋轉(zhuǎn)時不與直葉槳周圍結(jié)構(gòu)相碰的條件下，我們進(jìn)行了新刀架的設(shè)計(jì)與制作，根據(jù)不同刀架形式制作了兩種刀架（見圖9）。

（1）XCCX405便攜式法蘭端面車床延長刀架

刀架延長150 mm、車削直徑由Φ4000 mm變?yōu)棣?300 mm，如圖10所示。

通過最大限度調(diào)整加工臂，同時最大限度延長平衡臂，增加平衡塊，使其在擴(kuò)大加工范圍后保持平衡，見圖11所示。

通過調(diào)整加工臂后，加工范圍為Φ4 050 mm、銑盤直徑160 mm，銑削直徑為4 050 mm+160 mm，整個加工能力變?yōu)棣? 210 mm，但還是無法滿足Φ4260 mm的要求。為了解決這個問題，我們通過購置Φ250 mm大銑盤，使其加工能力達(dá)到Φ4 300 mm，實(shí)現(xiàn)對平面的銑削加工，保證其加工質(zhì)量，見圖12所示。

4.4? ?加工方法

為了控制基座制作變形、焊接變形、定位偏差，基座留有25 mm余量進(jìn)行加工；為了提高工作效率，保證安裝精度，車削為點(diǎn)接觸，加工時切削量最大可達(dá)2～3 mm，加工時間短，效率高；但是震動較大，加工效果很難滿足要求，只適合于粗加工。

采用銑床加工時，加工方式是面加工，加工范圍寬，加工時間長，周切削量超過0.5 mm時就切削不動，振動大，效果不好；當(dāng)切削量小于0.5 mm時，加工效果好，適用于精加工。

對25 mm余量采用兩邊同時加工，先用車刀粗加工，加工到還有5 mm余量時切換銑刀進(jìn)行銑削精加工，這種方式加工周期和用一臺完全銑削比較，周期由27天縮短到7天。

5? ? ?效果驗(yàn)證評估

5.1? ?基座定位安裝效果

通過采用高差法，將抽象的很難測量的基座的安裝面法蘭上平面橫向與水平夾角 6.8°，轉(zhuǎn)化成施工現(xiàn)場直觀的高度差，降低了安裝難度，便于對基座法蘭上表面數(shù)據(jù)進(jìn)行定位和監(jiān)測，既保證了精度也提高了效率，基座定位各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足圖紙工藝要求，得到船東、船檢和廠家認(rèn)可。

5.2? ?平面加工效果

通過改進(jìn)加工工藝和改裝加工銑床，平面精度實(shí)際達(dá)到0.1 mm， 安裝質(zhì)量得到保證，得到船東、船檢和廠家認(rèn)可；采用兩臺同時加工，在不影響加工質(zhì)量的前提下，用先車后銑的方式縮短了加工周期，提高了安裝效率；同時使平面銑床加工能力，由Φ4000 mm提高到Φ4300 mm，不用購置新設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)對直徑不超過Φ4300 mm的平面加工。

6? ? ?結(jié)論

直葉槳推進(jìn)器結(jié)構(gòu)較大，安裝精度要求高，其基座安裝和加工是整個推進(jìn)器安裝最核心的工序。本文針對直葉槳基座定位難、加工精度高等問題，通過采用兩線相交形成基準(zhǔn)測量面實(shí)現(xiàn)對基座定位和數(shù)據(jù)測量采集；通過三線法實(shí)現(xiàn)對基座的定位和數(shù)據(jù)監(jiān)控，其中兩線交點(diǎn)的投影點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對基座中線點(diǎn)的把握，并且采用高差法將角度控制轉(zhuǎn)換成高差控制，使控制變得更有效；一條筒體線實(shí)現(xiàn)對直葉槳筒體的同心度偏差控制，最終實(shí)現(xiàn)直葉槳基座的高精度定位和加工；在基座加工上，合理選用并改裝加工設(shè)備，主要采用先車后銑，實(shí)現(xiàn)直葉槳基座平面達(dá)到平面度0.1 mm高精度安裝要求。本文對直葉槳推進(jìn)器等大型船舶設(shè)備基座的安裝和加工，具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義，具體船型的設(shè)備基座有不同參數(shù)，可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)其基座定位和加工。