1、 1 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 船体分段对中合拢液压控制系统设计 前言 船舶是指能航行或停泊于水域进行运输或作业工具，按不同的使用要求而具有不同的技术性能、装备和结构型式。船舶在国防、国民经济和海洋开发等方面都占有十分重要的地位。 船舶从史前刳木为舟起，经历了独木舟和木板船时代， 1879 年世界上第一艘钢船问世后，又开始了以钢船为主的时代。船舶的推进也由 19 世纪的依靠人力、畜力和风力 (即撑篙、划桨、摇橹、拉纤和风帆 )发展到使用机器驱动。 从 2003年起，全球海运运力需求高涨，船舶供不应求 ，推动了世界造船业迅猛发展，造船大国低成本扩张，发展中国家趁机大力发展船舶工业
2、。 对外贸易的迅速增长，也为船舶工业提供了较好的发展机遇，我国船舶工业有望成为最具国际竞争力的产业之一。当前，世界船舶工业正在加速向劳动力、资本丰富和工业基础雄厚的区域转移。 但是，长期以来，造船行业以手工劳动为主，大大降低了劳动力使用率，造船成本也高居不下。成本高、船体载重小、 设计能力落后仍将是制约船舶行业发展的主要瓶颈。 图 1.1 中国近年来的造船情况 万载重吨 在市场竞争激烈，信息化时代，追求高速度、高质量的造船技术已 成为造船行业的重中之重。由此引发了造船技术的改革。 现代造船模式是对先进造船企业造船理论和实践的总结，表面上看并不复杂，学习和采用现代造船模式应该不需要花费太长时间，
3、但事实恰恰相反，我国造船十几年的转模不尽如人意。2 韩国造船业起步比我国还晚，如今其效率和水平已可与日本一比高下。我国造船转模之所以步履艰难，重要原因之一是企业缺乏转模的动力和紧迫感。不论企业是否在形式上按照现代企业制度的要求设立了董事会、监事会，作为国有独资或绝对控股企业，企业的生产经营和管理体制并没有根本上的突破。这种管理体制带来的最大问题一是 对人力资源缺乏有效的管理，二是企业内部形成了阻碍变革的层层阻力。归纳起来，影响转模的因素来自三个方面：一是来自企业外部环境；二是来自企业内部，由于出资人不到位，导致企业在管理机制上存在严重缺陷；三是科学有效的转模方法和技术支持。要改变这一状况，就必
4、须从这三个层面入手。 其中围绕缩短造船周期，主要是要推行分段总组造船法，发展单元组装、预栖装和模块化技术，发展精度造船和先进涂装技术，加强船台 (坞 )总装工艺方法研究。 一、船体分段合拢概述 船体分段是由各种零、部件组装而成的船体局部结构。船舶的外壳一般是 流线型的 ,只有船中附近的线型趋于平坦。把一船体分成分段后 ,根据其内部结构特点 ,有的分段结构复杂 ,外板曲度大 ,称为曲面分段或非平面分段 ; 而有些分段的外型是平直的或近似平直的 ,结构简单有序 ,称为平面分段。平面分段至少有一个面完全平直。而船体分段依据其所在船体结构位置的不同又可分为甲板分段、舷侧分段、底部分段、舱壁分段和上层建
5、筑分段。船体分段划分的基本原则为保证船体强度分割的合理性 ;原材料的最大利用率 ;起重设备能力的最大利用率 ;施工工艺的合理可操作性 ;施工生产的均衡性等。对于每个船厂 ,根据其实际情况的不同 , 在 遵循以上的基本原则的前体下 ,还要考虑很多方面的原因 ,最主要的是根据生产工艺以及船厂的起运设备的吊运能力来划分船体分段 , 有时候还要考虑船台、场地、道路、桥梁承重等多方面的因素。 船舶建造的方式有很多种 , 如总段建造法、塔式建造法、岛式建造法、串联建造法等。其中 , 总段建造法船台装焊工作量少 , 工作条件好 , 有利于缩短船台周期。现代造船模式要求全面推行分段总组建造法。对船厂而言 ,要
6、结合总装造船作业优化主流程 ,尽量减少分段总组的数量 ,增加其重量 ,结合企业实际情况 ,有选择地发展巨型总段建造、船坞快速搭载、 平地造船、浮船坞造船等新技术 ,最大限度地发挥船台 (坞 )核心生产资源的能力。现在大部分船厂都在积极地推行分段总组建造法 , 要求尽量减少分段数量 , 增大总段重量。为了更快、更多地造船 ,近年来韩国船厂开始应用巨型总段建造法 , 其中吊进船坞进行大合拢分段的重量已提高到 2000t 3000t。对船体建造而言 , 又可划分为零件加工、部件、装配 (小组 )、分段装配 (中组 )、分段组合 (总组 ) 、船台合拢五个作业阶段。在船台装配合拢中 ,底部分段装配定位
7、工作量颇大 ,一般占船台上主船体装配工作量的 4 0 % 50%。但是由于船体分 段结构形式的多样性和复杂性 , 船体分段合拢设备并不能适用于所有的分段 , 其适用范围为平直的或是底部外板曲度较小的船底分段 , 以及带有平直或曲度较小底部的总段。传统的底部分段的船台定位作业处于繁重而落后的手工操作状态 , 底部分段的高度位置主要依靠安放在墩位上的油压千斤顶进行调节。为了搁置分段 , 必须经常搬运及叠放沉重的墩木。这些手工操作的装备3 数量多、重量大 ,而且船底与船台表面之间的距离仅 1.2m 1.6m,作业往往是在人不能直立的条件下进行 ,工效低、工时多、劳动繁重。而船体分段合拢设备 , 其主
8、要作用是在船台装 配时完成待定位分段相对于基准分段在空间位置、姿态的定位和调整 ,改变以往船台合拢作业长期占用吊机、依靠工人手工操作状态 ,提高船台装配合拢的质量和效率 ,缩短态 ,提高船台装配合拢的质量和效率 ,缩短 船体分段合拢设备的设计、使用应该和船厂的具体生产工艺相结合 , 其使用方法与待合拢的分段的重量有很大关系。对于整体式设备而言 ,其最大承载能力已经限定 ,而分体式设备的单台承重能力是确定的。分体式设备使用时一般是 4 个成一组 , 根据船体分段大小以及控制方式去选择使用的组数 ,可多组设备联控使用。同时控制多组船体分段合拢 设备也可以完成巨型分段在船台 (坞 )的装配 ,但这对
9、分段合拢设备的控制有很高的要求。 二、船体分段合拢设备的技术现状和特点 现阶段，船体分段的合拢仍然处于手工操作阶段，一般是由装配工人和吊车司机互相配合吊运、定位安装，在此期间吊车不能用于其他用途，或是在船台上用船台小车进行合拢。其中使用吊车进行吊装定位过程中精度不易控制，且分段焊缝中存在很大的应力，影响建造质量。传统的船台小车能沿着固定的轨道运动，只有一个顶升油缸，只能在高度方向和船长方向上调整分段。这两种方式都存在效率不高，依赖于操作者个人已有的 经验的缺点。此外还有利用单 (多 )台平板车驮运分段进行调整合拢的，不过这种方式目前国内还没有应用，国外技术比较成熟。 为了提高造船效率，缩短船台
10、周期，国内外相关机构都在研究船台分段合拢设备。目前船台自动合拢小车主要有两种形式 :整体式和分体式。 整体式合拢设备是由两根与行走轨道平行的纵梁、放在纵梁上的横梁和托起两根纵梁的船台小车构成，纵梁铰接在其下方的船台小车上。其中，每个单体小车上面有主液压缸 (高船体度方向 )和副液压缸(船体宽度方向 )各一个，采用轨道式行走，通过一定的方式控制主、副液压缸以及小 车位置来实现船体分段在左右、上下的运动以及绕三轴旋转。 整体式合拢设备多用于大型船体分段的合拢，其结构强度比较好，空间大，设备的布局好，合拢时有较好的工作平台可以承载船体分段，作业时比较平稳，但缺点也很明显，主要是使用不灵活，场地限制，
11、安装调试要求较多。其中的移动小车都具有独立的控制单元，可以单独控制使用，同时每台小车都是模块化设计，系统具有良好的互换性 分体式设备则具有一个主油缸 (船体高度 )和一个副油缸别（船宽方向 )，电机驱动自行走。进行合拢时，用多个无相对定位的离散分布的单体，通过一定的 控制方式，协同运作从而完成船体分段合拢所需要的空间位置和姿态的调整。这种方式能够通过控制单体设备的分布摆放位置和数量，灵活地适应各种尺寸大小以及重量的分段，同时有搬运和移动方便的优点，但是其控制有一定的难度。 船体分段在船台合拢时，要通过位置和姿态调整来实现和基准分段的准确定位。而合拢设备采取的结构形式不同，船体分段的空间位置和姿
12、态的调整的方式也不相同，同样其控制方式也不同。在确定合4 拢设备结构形式的时候，应综合考虑船厂对设备的功能需求、应用空间位置大小、船体分段大小以及拟采用的控制方式等多个方面的因素。 三、 有轨式合拢设备方案设计 (1)依靠卷扬机的牵引 ,合拢设备空载运行 , 用平板车将待合拢的船体分段移动到预定位置 ,并按位置放置好。 (2)利用吊车将分段吊往基准分段附近 , 进行粗略的对位 , 同时移动分段合拢设备保证位置大致正确。 (3)通过控制吊机将分段慢慢地放下 ,在此过程中注意合拢设备的定位 , 通过控制主顶升油缸 , 以使船体分段与合拢设备接触并得到稳定支撑。 (4)去除吊钩 ,撤出吊机 ,使用合
13、拢设备进行待合拢分段的支撑。 (5)通过控制合拢设备对分段的定位进行微调 ,使其与基准分段定位准确。(6)通过点焊以 及一些定位装置 (如拉马 ),来固定分段的定位。 (7)增加固定的支撑墩 ,对船体进行稳定支撑 ,然后进行连接焊接。 (8)降下顶升液压缸 ,移出合拢设备 ,进行后续分段的定位和支撑。 常规的总段合拢技术方法是：在立体分段下方靠艏、艉各墩设一个带有船合墩的横梁，在每个横梁下方两端各设一个带有升降油压缸的轨道小车，油缸与横梁之间有一个滚珠盘，原理上能满足分段的多自由度调整，但实际上难以驱动滚珠盘使之发生位移，更无法实现自由度合成的位移。采用这种工艺对中， 3000t 的分段已经很
14、困难。现今，一种大型舰船分段自动合拢系统 ,该系统具 有操作安全 ,推力大 ,对中精度高等优点 ,能够自动完成船体分段或总段的顶举、平移、姿态调整和合拢对中。系统以工控机为核心 ,与多台 ADAM-5510 控制器组成控制网络 ,通过控制油缸顶举运动和小车的行走运动 ,实现立体分段位姿调整和高精度对中。主控软件可以根据总段和分段的位姿 ,由数学模型解算出各个油缸的位移量 ,并根据舰船合拢规范规则和分段运动轨迹 ,实现多个油缸的联动和多台小车行走的联动 ,完成分段 6个自由度的调整。 四、 工作原理 （ 1） 准备移动总段的设备。根据各建造厂的条件 ,可用船台小车、吊车、行车 (车 间内 ) 等
15、不同的设备移动总段。 （ 2）准备测量仪器。测量总段合拢精确性的仪器有设定的标杆、水准仪 (或经纬仪 ) 、软管水平仪、卷尺等。 （ 3）总段定位用工具。调整定位用具有花兰螺丝、吊线锤、千斤葫芦、千斤顶、墩木等。 （ 4）船台勘划定位线。船台合拢区需勘划船台中心线、肋位线、肋骨检验线 ,如下图所示： 5 （ 5）总段上勘划定位线。总段上应勘划出肋骨检验线、水平检验线和总段船底中心线 ,如下图： 五、船体分段合拢设备机械机构的主要结构 船体分段合拢设备机械机构主要由以 下几部分组成：小车导轨、推进系统、车架、支撑系统、定位系统、等。 主要采用在车架体的两端安装两只短行程油缸，升降梁放在短行程油缸
16、上，并嵌在车架体导向槽内，微型液压包固在车架体的侧面，通过油管 17 与短行程油缸 8 相连，所述车架体上设有导向槽。升降梁在液压缸的作用下在车架体 3 导向槽内作上下运动。轴承装入轴承座 (轴承组件 )内，在装入行走轴上，隔套套入行走轴上，通过键将行走轮与行走轴连接，在装入轴承并用锁紧螺母锁紧，在装入轴承座，通过连接螺栓 5 固定在车架体的两端。减速机 1 安装在行走轴上，通过连接螺杆与车架体固 定在一起。电控系统安装在车架体一侧面。滑束线固定在胎架上起供电作用。 六、小车工作原理及工作过程 6 本船体分段平移小车分两排安装在胎架内，一排内有 3 至 5 个小车串在一起，当需要移动船体分段时
17、，这几台小车同时升起将分段抬起脱离胎架，然后这几台小车同时运行将分段移至需要位置后将分段放在胎架上，这几台小车在运行至需要移动的分段下进行下一分段移动工作。在每台小车电控系统内都装有摇控接收器，一台摇控器可同时控制多台接收器，通过摇控器来同时控制多台分段平移小车的同升、同降和前进、后退动作。 小结 大力推行分段总组的 中间产品为导向，壳舾涂一体化的现代造船模式。改变传统造船模式，努力实现造船本质安全 “ 采用分段总组技术。使高空作业低空化、低空作业平面化。提高了作业的安全性和施工质量。高效焊管子 !舾装件预装等工艺采用使舱内作业敞开，这些不仅减轻施工人员劳动强度提高了生产效率，同时又改善了作业
18、环境。使安全得到人性化地保证。 【 参考文献 】 【 1】 叶修强 .现代造船模式 ,中国船舶工业的战略选择 J，中国水运， 2006.6:3839 【 2】 康汉元 .船台无余量装配 M.北京 :人民交通出版社出版， 1980.15 【 3】 刘文艳，徐 平 .大型舰船分段自动合拢系统 J.仪器仪表用户， 2004.11(5):1315 【 4】 陈宇 .船体总段自动合拢小车控制模型研究， 2009.5 【 5】 纪竹盛 .总段模块化建造和船台合拢自动对中系统 J.造船技术， 2003,1:1617 【 6】 马强，李文龙 .船体分段合拢设备方案设计 J.科技资讯， 2010,23:65 【
19、 7】 陈章兰，熊云峰，李宗民，袁红莉 .提高船台效率的技术措施 J.江苏船舶， 2008,25（ 4）： 3639 【 8】 侯显柏 .总段组装定位调节装置的设计 J.广船科技， 2005,2:3740 【 9】 景奉水，谭民，侯增广，梁自泽，王云宽 .基于多机器人协调的船体分段对接的运动学及对接精度的研究 J.机器人， 2002,4:324328 【 10】 卞和营，曹小荣，王泳，叶予光 .基于 PLC 的液压位置控制系统建模与仿真 J.煤矿机械， 2009,30（ 7）： 5152 【 11】 叶超 . 船体分段合拢设备机械结构模型研究 J. http:/ 【 12】 M.G.Lehne
20、， J.Wollert， Integrated process and product modeling in shipbuilding industry， why and how. In: Proceedings of New Approaches towards “One-of-a-Kind Production”， 1991(11):249263 【 13】 Komodo， Yasuhisal. Advanced welding robot system to ship hull assembly. In: JournalofShipProduetion1997.13(2):101一 110. 7
