船尾安裝小車的優化設計與實際運用

吳炅東 李 倩 吉春正

（中國長航金陵船廠設計公司 南京210015）

0 引 言

在船舶建造過程中，槳和舵的安裝是一項較大的舾裝工程。這是為槳和舵是船舶的主要部件，體積大、質量重；且安裝空間由于船艉結構的限制，無法使用船臺或船塢的大型起重設備。

以前金陵船廠設計公司一直采用手拉葫蘆來吊裝舵葉、散裝槳葉，其勞動強度大、工作效率低、安裝精度難以保證，而效率的提高和精度的保證依賴于先進工藝裝備的應用，所以現在工廠優化設計和建造使用了用于裝槳、裝舵的船尾安裝小車。

1 船尾安裝小車的優化設計

在深入研究文獻［1］所述的系統設計基礎上，根據金陵船廠自身的具體情況，自主設計了船尾安裝小車。安裝小車采用模塊化設計，將整個系統分為四個子系統：機械系統、液壓系統、電控系統和安全保護系統。在設計、建造中，對這些子系統進行了不同程度的優化設計，使其更好地滿足了裝槳、裝舵的功能要求。

船尾安裝小車裝槳示意如圖1所示，裝舵示意如圖2所示。

1.1 機械系統

船尾安裝小車機械系統由三部分組成：

1.1.1 行走下平臺

行走下平臺是船尾安裝小車結構的主體，主要起支撐和容納其他子系統的作用。

圖1 裝槳示意圖

圖2 裝舵示意圖

平臺的穩定性、最大變形量和本身結構重量是設計中要考慮的重要因素。這是因為裝槳、裝舵時工件質量較大、重心較高（尤其是裝舵時，舵葉高達10 m左右，且質心不在平臺中心），安裝時工件的質量和外部的擾動對平臺的穩定性和安全操作帶來極大的考驗。顯然平臺的質量越大系統就越穩定，變形量也越小，但質量越大造價越高，系統搬運、操作也不便，所以在結構的變形量、穩定性及結構的質量、造價之間要尋求一種平衡。

在優化設計中，使用ANSYS軟件對結構進行了有限元分析，采取了減薄平臺板厚度、適當加大魚腹板高度和面板厚度的方法有效地減小了變形量、降低了重心、提高了穩性，并減輕了平臺重量。

1.1.2 上平臺

上平臺固定于行走下平臺上，具有橫移功能，且能靈活實現不同安裝平臺的互換，以實現裝槳、裝舵的功能。

在優化設計中修改了連接上、下平臺的滑動軸基座位置，使支撐上平臺的基座完全和加強結構對筋，解決了基座與加強不對筋而造成裝舵時上平臺變形量過大、影響安裝精度的問題。

1.1.3 安裝支架

安裝支架分為裝槳支架和裝舵支架，均可以和上平臺用螺栓連接固定，均具有調整相應工件的液壓系統和可供工人安裝槳、舵的工作平臺。

在優化設計中加大了安裝平臺面積、修改了裝槳支架的斜梯方向、優化了裝舵支架的液缸位置，使得安裝作業時更安全和方便地進行。

1.2 液壓系統

船尾安裝小車液壓系統原理圖如圖3所示，包括平臺行走系統、平臺升降系統、上平臺橫移系統、裝槳支架調整系統和裝舵支架調整系統。

1.2.1 平臺行走系統

該系統具有獨立的四輪驅動機構，可沿鋪設軌道，將工件送達指定位置，并與安裝支架配合，實現裝槳、裝舵時的定位與安裝。

優化設計了四輪間距，使安裝小車可以沿船臺和船塢預埋軌道行走，提高了行走適應性；優化了轉向機構，通過連接軸實現了車輪懸掛在轉向盤上輕松轉向，解決了需要拆下車輪、人工轉向的難題，實現了裝槳時沿船舶軸向進入、橫向退出的作業模式。

1.2.2 平臺升降系統

平臺的升降系統由位于行走下平臺四角的四個主液壓缸組成。

在整個液壓系統中，支撐小車的四個主液壓缸的同步升降是船尾安裝小車項目需重點關注和解決的。這是因為槳、舵使用平臺安裝時，質量大、重心高，平臺的升降穩定性非常重要，而升降的同步精度直接影響平臺的穩定性和作業的安全性。

在優化設計時，我們認真消化了槳舵安裝平臺同步控制方面的研究成果［2，3］，采取了“比例伺服閥配合拉繩式位移傳感器實現油缸的精確運動控制”的方案，并對液壓馬達驅動力矩、油泵電機功率和頂升油缸升力分別進行了校核計算，確保了系統穩定可靠并具有足夠的冗余。

1.2.3 上平臺橫移系統

圖3 液壓系統原理圖

上平臺橫移系統由連接下平臺和上平臺的兩個液壓油缸組成，主要實現上平臺及其上的安裝支架的橫向移動，以便夾持或松開槳舵。

1.2.4 裝槳支架調整系統

裝槳支架調整系統由兩個分別位于船尾內側和外側裝槳支架上的頂升油缸組成，并具有可靠的導向裝置。兩個油缸可以同步運動來調整螺旋槳的高度，非同步運動來調整螺旋槳的安裝角度，還具備兩支架高度差恒控功能，故可以實現普通貨船水平尾軸螺旋槳的安裝和LNG船傾斜尾軸螺旋槳的安裝。

1.2.5 裝舵支架調整系統

裝舵支架調整系統由安裝在裝舵支架上的推力油缸組成。優化設計時，在每個支架上設置四個推力油缸，可以同步或單個工作，并拉大了上下兩層油缸的間距，能更安全地實現保持舵葉穩定和調整舵葉與船體相對角度的功能。

1.3 電控系統

船尾安裝小車的電控系統核心為SIMENS S7-300 PLC系統［4］。在裝槳、裝舵過程中，主要分為三個控制部分：

1.3.1 油泵電機

在安裝小車主電路控制中，油泵電機采用軟啟動方式，減小啟動電流對電網的沖擊，保護了系統。

1.3.2 行走平臺

對于行走平臺升降的電控，安裝小車電控系統采用拉繩式編碼器對頂升油缸進行實時位置反饋，通過比例伺服閥對4個主升降油缸的位置進行實時同步控制，控制精度控制在5 mm以內，較好地滿足了裝槳、裝舵的要求。

1.3.3 安裝支架

裝槳支架的升降精度較行走平臺低，所以裝槳支架采用了換向閥控制與位移傳感器相結合，降低成本的同時又較好地控制了同步升降的精度。

裝舵支架的電控重點解決了控制電磁閥實現推力油缸的慢速夾持、同步夾持和單個調整夾持。此外，工廠增加了遠程控制方式。遠控和近控兩者的布局和功能完全相同，通過控制箱上的“近控/遠控”切換開關的選擇，可以實現遠控和近控操作唯一，達到了方便、安全的操作目的。

1.4 安全保護系統

因為船尾安裝小車在操作過程中負載大、重心高，不能有任何沖擊、震動，所以對系統的安全性要求非常高，必須建立安全有效的安全操作機制。

在優化設計中，盡可能考慮到操作過程中的安全隱患，設計了包括液位、液溫報警，欠壓、過載保護，同步控制，聲光警示等安全保護機制，為裝槳、裝舵的安全操作提供了保障。

2 船尾安裝小車的實際運用

船尾安裝小車建成后，對其進行了行走轉向、升降同步、單個調整等功能試驗，試驗全部通過后在工廠船塢中投入使用。在投入使用的一年中，先后安裝了5套10萬噸船舶的舵葉和螺旋槳，取得了下述令人滿意的效果：

（1）提高了施工效率，縮短了安裝周期

船尾安裝小車的投入使用，改變了過去依靠手拉葫蘆來吊裝舵葉和散裝槳葉的舾裝方式，實現了舵葉一次運送、安裝到位，槳葉先整裝再上船的舾裝方式，提高了施工效率，縮短了安裝周期。

（2）提高了施工質量，保證了安裝精度

船尾安裝小車的投入使用，改變了以往死拉硬靠、野蠻施工的局面，實現了準確定位和精確安裝，提高了施工質量，保證了安裝精度。

（3）降低了勞動強度，減少了安全隱患

船尾安裝小車的投入使用，使得機械運送和液壓升降取代了手拉葫蘆，實現了人工作業機械化；螺旋槳整裝取代了散裝，實現了高空作業地面化；支架平臺取代了腳手架，實現了狹窄作業寬敞化。這些改變都有效地降低了勞動強度，減少了安全隱患。

3 結 語

從船尾安裝小車的實際使用效果來看，這種工藝裝備的使用的確能起到降低勞動強度、提高生產效率、保證建造質量、縮短安裝周期的作用；也證明了金陵船廠設計公司對其機械系統、液壓系統、電控系統和安全保護系統的優化設計能很好滿足裝槳、裝舵的功能要求。

［1］張柯等.250 T船艉液壓工作平臺系統設計［J］.造船技術，2007（3）：38-41.

［2］金鑫等.大型船舶槳舵安裝平臺同步控制［J］.造船技術，2008（1）：36-38.

［3］王志遠等.船艉液壓工作行走平臺系統中同步和平衡回路的選擇與應用［J］.上海造船，2007（1）：32-34.

［4］楊海瀾等.大噸位船舶船艉升降平臺控制系統設計［J］.上海造船，2007（1）：32-34.