面向智能化的先進船用中速柴油機生產工藝

侯文俊， 張 亮， 黃震宇

(中船第九設計研究院工程有限公司， 上海200063)

0 引 言

船舶柴油機是船舶最主要的動力設備，在各種船舶推進裝置中占主導地位[1]。隨著對現代柴油機性能要求的不斷提高，對柴油機的制造也提出了更復雜而嚴格的要求，對活塞、連桿、曲軸等重要部件的承載力、可靠性和穩定性也提出了更高的要求[2]。

目前國內主要柴油機制造廠的生產模式仍以勞動密集型為主，自動化程度不高，在柴油機生產過程中存在資源浪費、質量欠佳、效率低下等不足，其成本、質量、效率等三大要素無法趕上日新月異的改革步伐。在“智能制造”及“制造強國”的背景下，柴油機的設計正向著精密化、模塊化、集成化、輕量化、結構緊湊化等方向發展，傳統柴油機生產工藝的升級、改造及對柴油機先進生產工藝的探求勢在必行。

柴油機零部件加工、裝配和整機試驗環節是柴油機生產過程中的重要環節，也是柴油機整機性能及可靠運行的重要保障[3]。本文主要針對目前國內中速柴油機零部件的加工、裝配、試驗進行現狀及特點分析，探求先進生產工藝的突破重點，為未來柴油機的先進設計、智能制造、組裝及試驗做準備。

1 現狀分析

1.1 加工車間現狀

1.1.1 運行環境

加工車間廠房普遍采用鋼結構體系，局部屋面采用機械成型暗扣式透光板，可滿足白天車間的采光要求，同時減少人工照明，節約電能。在建筑設計上采用自然通風，設置百葉窗組織氣流自然流通，再輔以屋頂矩形天窗及屋頂通風器等手段排除廢氣，降低能耗。

在機械加工車間內不可忽視的情況：車間內部的熱源強度及分布位置不同會造成加工過程中機床各部分溫升不同；不同材料的熱膨脹系數各異導致機床床身、主軸和刀架等構件產生不同變形量，從而破壞機床的原始幾何精度，影響零件加工精度。尤其對一些國外進口設備而言，設備自身對溫度的敏感性較高，如德國科堡機床主要用于加工中速柴油機機身等大型零件，設備技術要求提出車間運行溫度盡可能控制在17～25 ℃。當溫度波動過大時，使用環境達不到理想狀態，致使機床加工精度失衡，設備機修員只能采取傳統方法調整被加工件的定位開檔以確保加工精度，生產效率受到一定影響。將設備置于穩定的環境溫度下可減少機床各構件的溫差，進而減少變形量差異，最大化地保證加工精度。

1.1.2 設備配置現狀

國內一些傳統船用柴油機生產基地承接的加工任務兼顧中低速柴油機的主要部件加工。其中：低速柴油機連桿主要加工工藝所配置的設備為數控龍門銑(銑平面、端面、鏜軸承孔)、數控臥式車床(車外圓)、臥式加工中心(鉆孔、攻絲、鉆斜孔)和深孔鉆(鉆中心油孔)等；中速柴油機連桿的生產往往沒有配置專用設備，在生產低速柴油機連桿的設備上兼用。

從提高設備利用率、實現設備經濟效益的最大化上而言，上述做法無可厚非。但是，在實際生產過程中，由于中速柴油機連桿的外形尺寸過小，需通過專有夾具固定并安裝在設備工作臺中央，工裝時間加長，導致整體加工效率降低。

1.2 裝配車間現狀

1.2.1 部件裝配

中速柴油機設計精密，活塞、連桿等零件的組裝配合精度要求高，裝配難度大，目前組裝調整以人工為主，裝配效率較低。

凸輪軸與凸輪、曲軸與齒輪、軸與軸承等部分柴油機零件為過盈組裝，通過過盈配合產生摩擦力，用以傳遞扭矩。過盈零件的組裝通常采用紅套方式，將孔類零件加熱，擴大孔徑，再將軸類零件裝入孔中，而傳統紅套設備多為非接觸式加熱設備，加熱不均勻，加熱溫度較難掌控，難以保證裝配精度。

1.2.2 大件翻身

中速柴油機的機身內部型腔多、內壁厚薄差大，結構復雜。在柴油機的組裝過程中需多次對機身進行翻轉，用以組裝曲軸、缸套等零件。目前傳統的翻身方式為雙起重機或單起重機雙鉤配合進行起吊翻身，這種翻轉方式危險性大，如果操作不當，機身薄壁位置可能受鋼絲繩擠壓變形。

1.2.3 物流

中速柴油機零件種類繁多，需按照組裝流程與組裝工序依次配送組裝零件。目前的通用方法為零件先從集配倉庫配送至組裝車間，再在車間中進行二次配送，最終才能將零件精準地配送至各工位。車間內大多使用手推車進行人力配送，耗時長、效率低。

1.3 試驗車間現狀

在一些傳統的柴油機生產廠，在試驗廠房內會排列所有的試驗臺架[4]。這種試驗臺架形式為大質量混凝土塊式，隔振效率較低，并且當幾個柴油機在同一基礎塊上同時試車時，試驗效果會有影響。另外，工人在安裝、調整等工作中會遇到其他柴油機試車，噪聲、振動對工人身體的影響嚴重。

中速柴油機對試車環境要求較高，試驗時的空氣壓力、溫度、濕度等參數須滿足試車標準工況。以某機型中速柴油機為例，在滿足該型柴油機空氣交換量的同時，須保證密閉試車單元中增壓器進口溫度在25(±2) ℃，傳統柴油機生產廠無法滿足要求。

目前，保證柴油機試車安全的基本監測報警功能是中速柴油機控制系統所具備的，但柴油機運行過程中的監測數據是否正常仍需靠人工辨別，而且影響柴油機運行參數的因素還包括試驗臺架介質輔助系統的運行狀態。

1.4 其 他

目前中速柴油機生產主要用紙質工藝卡片的方式指導現場操作，工藝卡片歸檔、升級、更改需由專人管理，其調用較不方便。

2 先進生產工藝的突破重點

2.1 加工車間

2.1.1 改善車間運行環境

在工程投資允許的前提下，建議建造恒溫加工車間，采用高效節能排風機系統或采用濕簾冷風機與負壓排風機相結合等方式使車間內部達到通風、恒溫、除塵以及濕度相對平衡的效果，可有效改善車間空氣質量以及保證恒溫的工作環境。

2.1.2 優化設備配置

柴油機連桿和汽缸蓋是加工車間的關鍵產品，優化加工設備配置可實現對現有加工工序的組合，在保證加工質量的同時提高效率。

以中速柴油機為例，在其連桿的生產模式中，打破傳統工藝設備配置模式，采用進口數控專用設備組成生產線，主要包括臥式加工中心、5軸高速立式加工中心、立式車銑加工中心、鏜銑加工中心和數控成形強力磨床等功能性強、加工效率高的專有設備。該類型設備可配置2套及以上專用六面體工裝，以便加工與安裝同時進行。

在中速柴油機氣缸蓋生產模式中，將傳統的生產模式加以優化，形成集合在線氣缸蓋檢查、清洗、組裝、水壓試驗、打標、鉸孔、油漆等作業為一體的缸蓋總成裝配生產線。生產線采用滾筒輸送結構，移動輕便。除清洗機工位需人工操作外，整條生產線采用柔性生產模式，設備由計算機控制，可自動定位，線上有翻轉、旋轉機構，操作簡便，作業方便，效率提升，產品質量得以保證。

除上述主要加工設備的優化外，還可通過優化裝夾、換刀等輔助裝置來提升生產效率，主要方法可概括如下：

(1) 配置自動化裝夾機構；

(2) 配置自動化工件轉換(多工作臺)；

(3) 提升自動化刀庫容量；

(4) 配置自動化去屑及處理鐵屑裝置；

(5) 改善生產運行環境；

(6) 提升零件在線檢測能力；

(7) 避免重復性勞動，輔助環節智能化。

2.2 裝配車間

2.2.1 部件裝配

增設零件自動化組裝輔助設備可保證柴油機部件裝配質量，降低組裝作業勞動強度。以柴油機連桿預裝為例，在組裝過程中需對連桿進行翻身、強力螺栓預緊等工序。采用具備連桿夾緊、翻轉等功能和數控液壓種緊螺母的連桿專用安裝輔助設備可實現批量化組裝，在保證組裝質量的前提下提高生產效率。

在紅套部件裝配過程中，加熱溫度的控制是紅套工藝的關鍵。如果加熱溫度過低，軸類零件不能裝入孔中；如果加熱溫度過高，被加熱零件的機械性能會發生變化。為解決此類問題，宜采用以油為介質的自動化控溫加熱設備，此類設備可根據加熱要求嚴格控制加熱溫度，從而確保零部件的紅套效果。

2.2.2 大件翻身

零件在裝配過程中的變形是不可避免的[5]。柴油機機身質量大、尺寸大，在翻身過程中為防止翻身不當導致機身變形，需根據翻轉零件的結構特點制定專用的翻轉設備，配合高強度吊具，使翻轉過程安全可控，從而保證柴油機的高精度組裝。同時，通過配置相應程序系統可實現機身翻轉至任意待安裝角度，便于組裝操作作業，提高組裝效率。

2.2.3 物 流

中速柴油機零部件品種多，組裝現場屬離散型生產布局，存在零件集配物流管理難度大、配送耗時長的問題。在組裝過程中，零件集配物流往往需根據生產計劃進行實時調整，計劃執行過程的準時性和準確性難以保證。

采用智能集配物流設備及企業資源計劃系統，集配倉庫對所有零部件進行編碼管理，可實現零件與零件信息的精準對應，并能按照生產計劃將零件準確配送至相應組裝工位。零部件的庫存情況、集配指令也都可通過程序軟件管控，按照組裝單元的生產能力制定詳細工作計劃，用以確定生成物料的需求計劃。此外，使用無軌道智能控制配料運輸車和離散式組裝單元集配料架可避免無效運輸路徑及時間，實現待組裝零件的高效配送。

2.3 試驗車間

合理采用和設計柴油機試驗臺架對柴油機試驗具有重要的實際意義。采用彈性隔振基礎、隔聲罩、恒溫恒濕變風量控制系統、數據分析系統等措施，在試驗車間中構建柴油機試車單元，可大幅改善現有的柴油機試驗條件，從而保障試驗穩定性及可靠性。

2.3.1 彈性隔振基礎

柴油機在試驗過程中有較大的振動，直接影響檢測數據的獲取，因此試驗臺基礎必須采取隔振、減振措施，既要限制試驗臺本身的振動幅度以保證試驗臺架上各種儀器儀表的正常工作，又要限制發動機振動的傳播從而保證臺架周圍布置的各種測控設備正常運行。

采用彈性隔振基礎可大幅改善此類問題。彈性隔振基礎是指在地面下的基坑內，將大質量塊布置于彈性隔振器上。大質量塊主要控制振幅，彈性隔振器起到隔振的作用，防止振動外傳。這種基礎形式一般會結合采用地下室的布置[6]，基礎便于施工，周圍大空間方便輔機系統管線的布置。與傳統試驗臺架相比，彈性隔振基礎有巨大的隔振效率優勢。彈性隔振基礎示例如圖1所示。

圖1 彈性隔振基礎示例

2.3.2 隔聲罩

在柴油機試驗過程中還會產生較大的噪聲，主要包括柴油機活塞碰撞缸蓋和配氣構件等而產生的機械噪聲、燃燒過程中的燃燒噪聲、進排氣管道及風扇噪聲等，需采取相應措施保證車間工作環境，滿足環保及職業安全要求。

將柴油機封閉在一個隔聲空間內是最直接有效的隔聲降噪方案。通過在試車臺架上設置隔聲罩可實現柴油發動機檢測時的隔聲降噪。隔聲罩體采用鋼結構型式。每套隔聲房設備由隔聲罩體和上開式電動隔聲門組成。隔聲罩體從外到內依次為外板、內板、玻纖包布離心玻璃棉以及吸聲鋁板。根據現場實測結果，在9 MW柴油機試驗時，隔聲罩內部平均噪聲強度可達115 dB(A)，隔聲罩外部1 m處的平均噪聲強度為70 dB(A)，隔聲罩體降噪可達45 dB(A)。

上開式隔聲門的設置要求柴油機的吊運工藝采用通過隔聲罩上方將柴油機吊運進隔聲罩的方式。這是為了避免管線及水利測功器布置等影響柴油機進出隔聲罩而考慮的。隔聲罩示例如圖2所示。

圖2 隔聲罩示例

2.3.3 恒溫恒濕變風量通風系統

柴油機在試驗時被封閉在隔聲罩內，需要通風系統為柴油機運行補充新風。根據柴油機試驗大綱的要求，需進行25%、50%、75%、100%、110%等不同負荷工況的試驗，每種工況對進氣量的要求是非線性變化的。此外，為保證各類檢測儀器的準確測量，需保證環境恒溫恒濕。采用自動控制的恒溫恒濕變風量通風系統可為隔聲罩內柴油機試車提供必要的環境條件。通風系統示例如圖3所示。

圖3 通風系統示例

2.3.4 柴油機試車試驗分析系統

針對柴油機試驗測試過程中需獲取的大量異構數據，以現有的基本試驗測試能力為基礎，使用傳感器和自動化控制設備增加試驗臺架及輔助系統的設備工作狀態和工作環境的實時監測，并進行數據采集。通過柴油機上的監測傳感器和加裝的額外傳感器來監測主機性能狀況和零部件使用情況。

對采集的數據在信號處理盒中進行特征提取、故障邏輯判斷、診斷計算等處理，輸出監測結果。

建設支持試驗數據分析的大數據平臺，對跨系統采集的數據進行有效存儲和管理，支持數據的傳遞和共享，同時通過對大數據的處理和分析有效支撐設計和測試過程中的各類決策，預測和消除不確定性，為柴油機的工藝技術改進提供決策支撐。

2.4 其 他

為提高車間現場查閱工藝文件的直觀性，同時利用信息化手段提高對生產計劃的管理能力，需通過三維工藝設計技術及制造執行系統(Manufacturing Execution System， MES)，使得對車間生產過程的監控和智能決策成為現實。

柴油機的設計使用三維建模，在生產工藝設計時開發三維工藝技術，從而解決生產工藝設計平臺與產品設計平臺不統一的問題，實現在柴油機工藝

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開發階段基于設計三維建模直接進行工藝設計，對整個作業生產過程進行模擬仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個柴油機產品生命周期的新型生產組織方式，實現產品生命周期中設計、制造、組裝、物流等各個方面的功能。通過三維工藝設計、組裝仿真等軟件的實施提升中速柴油機的工藝設計效率及準確性。在虛擬環境下將生產制造過程壓縮和提前，并進行評估與檢驗，從而縮短產品由設計到生產的轉化時間，提高產品制造的可靠性和工作效率。

在生產現場布設MES終端，使得對車間生產過程的監控和智能決策成為現實。三維工藝技術在組裝現場MES系統上的應用加強了工藝的直觀性，降低從設計到生產制造的不確定性。MES系統作為生產現場的信息管理技術載體，使生產過程的監控和智能決策成為現實，可加強對生產現場的管理能力。

3 結 論

對目前國內中速柴油機零部件加工、裝配、試驗等3方面進行現狀及特點分析，并有針對性地提出改進突破點：

(1) 針對中速機零部件加工環節，改進升級設備配置可實現加工工藝流線的優化，改善車間環境可保證加工精度，采用智能化輔助措施可提高加工效率。

(2) 針對中速機零部件裝配環節，采用專用裝夾裝置可實現批量化組裝，配置專用翻轉設備及吊具更易于實現大件翻身，使用適合的智能集配物流設備可提升車間物流效率。

(3) 針對中速機試驗環節，采用智能隔振隔聲試車單元可保證整機試驗的整體試驗環境并完善數據采集處理及故障診斷能力。

(4) 發展方向是柴油機的三維工藝設計，對柴油機整個生產過程進行模擬仿真、評估和優化，并進一步擴展至整個柴油機產品生命周期中設計、制造、組裝、物流等各方面的功能。