減搖鰭精度安裝工藝的分析與應用

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(蕪湖新聯造船有限公司，安徽 蕪湖 241000)

減搖鰭作為一種主動式減搖裝置[1]應用非常廣泛。該設備多安裝于船舯的前、后，船體線型變化大，因此對鰭軸線、流線角的定位精度要求很高，若減搖鰭的定位、安裝稍有偏差，不但會降低鰭的效率和壽命，甚至會導致鰭轉動時與船殼板相碰，引發事故，因此，必須保證減搖鰭的安裝精度，方能使其正常發揮作用。本文介紹了如何通過將二維坐標系統中的原始數據，轉化為三維空間中的數據，并利用全站儀測量定位[2]來實現設備的精度安裝。

1 設計輸入

1.1 減搖鰭定位參數

1)前減搖鰭(123號肋位)。鰭軸線與船體外殼板外緣的交點B距基線 1 750 mm,鰭軸線在中總剖面的投影與水平線的夾角(即流線角)5.2°,鰭軸線在基線面的投影與肋位線的夾角11.3°,鰭軸線在中站面的投影與水平線的夾角47.9°。

2)后減搖鰭(55號肋位)。鰭軸線與船體外殼板外緣的交點A距基線1 750 mm,鰭軸線在中總剖面的投影與水平線的夾角(即流線角)4.3°，鰭軸線在基線面的投影與肋位線的夾角11.5°，鰭軸線在中站面的投影與水平線的夾角52.7°。

減搖鰭定位參數見圖1。

1.2 配合公差參數

鰭座面板與鰭軸線的垂直度0.05mm，鰭根部與船殼板間隙50 mm。

圖1 減搖鰭定位參數

2 所需技術參數的求解(設計輸出)

2.1 求解鰭軸線空間夾角

以右舷后鰭軸系求解為例，根據減搖鰭軸線在俯視圖和肋位面視圖的投影關系，建立三維模型，見圖2。

圖2 后鰭軸線三維模型

圖2中，A為鰭軸中心線與船殼板的交點，以A點為原點，X軸方向為船艏方向，建立坐標系X-Y-Z，將坐標系繞X軸順時針旋轉52.7°，得坐標系X1-Y1-Z1，然后，將坐標系X1-Y1-Z1繞Z1軸順時針旋轉α，得坐標系X′-Y′-Z′，則Y′軸即為鰭軸中心線，在此中心線上取線段AC，AC在中站面的投影為AD，AC在基線面的投影為A′C′，CD在基線面的投影為C′D′。

將△A′C′D′平移至線段CD上，建立軸線角求解的幾何模型，見圖3。

圖3 后鰭軸線幾何模型

其中，△BCD為平行于基線面的水平面，△ABD為平行于中站面的豎直面，面BCD與面ACD的夾角為52.7°，直線AC為鰭軸線，∠C′A′D′即為所求夾角∠CAD(設為α)的投影角度。

在△ABD中，∠ABD=90°，∠ADB=52.7°，可求得

在△BCD中，∠BDC=90°，∠CBD=11.5°，可求得

在△ACD中，∠ADC=90°，可知

tan11.5°×cos 52.7°=0.123 29

故：σ=arctan0.114 36=7.03°

用同樣的方法可求得前鰭軸線夾角為7.63°。

2.2 求解空間流線角

以左舷后鰭流線角求解為例，根據減搖鰭軸線和流線在三視圖的投影關系，建立三維模型，見圖4。其中，O為鰭軸中心線與船殼板的交點，以O點為原點，X軸方向為船艏方向，建立坐標系X-Y-Z，將坐標系繞X軸順時針旋轉52.7°，得坐標系X1-Y1-Z1，然后，將坐標系X1-Y1-Z1繞Z1軸順時針旋轉7.03°，得坐標系X′-Y′-Z′，則Y′軸即為鰭軸中心線(根據2.1求得)。在此中心線上取線段OB，OB在中站面的投影為OH，OB在基線面的投影為O′B″，OH在基線面的投影為O′G。

圖4 后鰭流線角三維模型

可知：∠BOH=7.03°，∠B″O′G=11.5°。

過B點做垂直于Y′軸的面ABD，在面ABD上做平行于基線面的線段AB，AB在中縱剖面上的投影為A′B′，然后在面ABD上，將AB繞A點逆時針旋轉α，得直線AD，AD在中縱剖面上的投影為A′D′，令∠B′A′D′=4.3°，則∠BAD=α即為所求流線角。

將△A′B′D′平移至A點，建立流線角求解的幾何模型，見圖5。

圖5 后鰭流線角幾何模型

其中，面ACE為平行于中縱剖面的豎直面，面ABC為平行基線面的水平面，面BCED為平行于中站面的豎直面，做輔助線DF，令DF∥CE，∠CAE即為所求夾角∠BAD(設為α)在中縱剖面上的投影角度。

在△ACE中，∠CAE=4.3°，∠ACE=90°，可求得

∠AEC=∠ACE-∠CAE=85.7°

在△ADE中，∠AED=90°，可求得

△ABC中，∠ACB=90°，∠BAC=∠B″O′G=11.5°，可求得

根據投影定理[3]可知

S□BCED=S△ABD×cosβ+S△ADE×cosδ。

β為面ABD與面BCED的夾角，從鰭座平面旋轉的關系可知β=90°-7.03°=82.97°；δ為面ADE與面BCED的夾角，δ=∠AEC=85.7。將β、δ帶入上式，可求得x=0.104 5。

用同樣的方法可求得前流線角為7.65°。

2.3 鰭軸線偏差及鏜孔余量的確定

設A點為鰭軸線上距船殼板距離為50 mm的點，AD為鰭軸線，AB為鰭根部鰭軸線距隨邊的距離，建立幾何模型見圖6。

圖6 軸線偏差幾何模型

故α=arccos0.999 85=1.05°，即鰭軸線的極限偏差為1.05°。

3 減搖鰭的定位與安裝

減搖鰭的定位與安裝以右舷后減搖鰭為例。

3.1 用全站儀確定鰭軸中心線

1)在右舷后鰭座安裝分段的船殼板外緣劃出#55、#56理論肋位線，距離基線為1 750 mm的水平線。

2)同時劃出1 750 mm水平線與#55肋位線交點A。

3)按確定的A點在船體外板上劃出直徑1 004 mm開孔圓和直徑1 104 mm檢驗圓。

4)作出過A點距中與船體中心平行的直線S1并勘劃在船臺上。

5)通過全站儀兩點建立船體坐標(坐標原點為軸線與外板交點A，X軸方向為S1方向)。

6)坐標變換首先繞著X軸順時針旋轉52.7°，再繞Z軸順時針旋轉7.03°(7.03°為2.1中所求得的鰭軸空間夾角)。

7)通過不斷測量選擇坐標系統中坐標為(0，-Y，0)值的一個合適點A′。

8)將點A與點A′連接則為減搖鰭的空間軸線。

3.2 鰭座的定位

將鰭座吊入船體艙內就位，并重拉鰭軸中心線，以此中心線進行左、右、前、后、高、低調整至安裝要求，此時應確保鰭座面板的中心十字線水平，然后鰭座繞軸線向上轉動6.98°(6.98°為空間流線角)，點焊固定后進行鰭座的焊接。

3.3 鰭設備的安裝

按常規要求安裝執行機構、鰭、液壓機組、操縱箱、控制器等并進行調試。

4 結論

1)鰭軸線空間夾角和空間流線角的求解是至關重要的工作，必須確保準確，因為此處的偏差投影后會被放大，直接影響定位精度。

2)如船廠未采用精益造船模式[4]，則應考慮船體外板在減搖鰭安裝位置處的變形，如變形超出許可范圍，應在確定技術參數時給出補償。

3)如果船臺為傾斜船臺[5]，在使用全站儀時應首先輸入船臺傾斜角度。

由于將二維參數轉化為了實際操作過程中所需要的三維參數，使減搖鰭的安裝有了理論數據的支撐，而全站儀的引入，使得這各參數的實際定位精度得以保證，從而確保了減搖鰭裝置的安裝精度，該項新工藝已成功應用在公司承制的某型船減搖鰭的安裝上，實船安裝精度高于廠商提供的設備安裝精度要求，效果非常理想。

[1] 廖銘聲.減搖鰭的水動力學設計基礎[J].機電設備，1997(4)17.

[2] 何保喜.全站儀測量技術[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.

[3] 丘維聲.解析幾何[M]. 北京:北京大學出版社，2005.

[4] 張明華.精益造船模式的研究[M].北京：中國經濟出版社，2005.

[5] 李林忠.船舶建造工藝學[M]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2006.