總段模塊化建造下的超長軸系安裝及校中技術

段孟強，張金國，王剛偉，田佳彬

（海裝沈陽局駐葫蘆島地區軍事代表室，遼寧葫蘆島125004）

0 引言

總段模塊化造船能夠縮短船舶設計、建造周期，提高產品質量，降低制造成本，且便于設備安裝、維修和改/換裝，降低其相關費用[1-3]。圖1為動力裝置總段模塊化設計示意圖，其建造流程可簡述為：1）首先，在總段外對動力裝置、齒輪箱、浮筏上其它設備及浮筏進行組裝，形成動力模塊并進行模塊調試試驗；2）然后進行傳動軸系、動力模塊在總段上的安裝，形成總段（1）；3）最后進行總段（1）與總段（1）的總段合攏工作。

圖1 動力裝置總段模塊化設計

在艦船建造過程中，主要可能遇到如下問題：

1）軸系校中及安裝。動力裝置、傳動軸系和推進器的安裝屬于船舶建造核心及關鍵技術，三者緊緊圍繞軸系校中而展開。軸系校中質量的好壞，對保證軸系、主機正常運行，減少船舶振動噪聲乃至提高船舶的經濟性均起著舉足輕重的作用[4]。

2）軸系安裝時機直接影響總段建造周期。已有船舶在進行總段合攏過程中發現，總段焊接合攏過程導致動力模塊相對總段結構位置發生變化，進而影響動力模塊與傳動軸系的對接安裝狀態。

因此提出如圖2和圖3所示的2種軸系安裝工藝流程。

圖2 軸系與動力模塊并行建造方案流程圖

圖3 軸系與動力模塊串行建造方案流程圖

圖2采用軸系與動力模塊并行建造方案，符合總段模塊化造船的建造需求，對于建造周期的控制較為有利。圖3采用軸系與動力模塊串行建造方案，主要應對“總段合攏導致動力模塊狀態變化，進而影響動力模塊與軸系對接安裝狀態”造成的安裝質量問題。

因此探討總段模塊化建造模式下的軸系安裝及校中相關問題，并提出有力措施，對于船舶總裝建造質量及周期至關重要。本文在工程經驗的基礎上，結合數值計算分析方法，就軸系安裝及校中等建造事宜，提供相關軸系安裝及校中建議，以適應總段模塊化建造之需。

1 軸系安裝時機探討

軸系安裝有機地融合到總段模塊化建造流程中，實現了軸系安裝與其它建造工藝的并行開展，大大節約了總裝建造的周期。如圖2所示。

根據CB/T 3625—1994《舵、軸系找中鏜孔質量要求》中相關設計規定，對軸系軸殼進行鏜孔后，軸系軸線已確定；軸系安裝后將無法對軸系進行調整，否則需要重新開展軸系鏜孔工作[5]。

基于上述情況，如果總段合攏過程對軸系安裝狀態發生影響，則必須通過調整動力模塊來調整軸系，從而保證動力模塊安裝狀態，以及與軸系間的對接安裝質量。該情況適用于動力模塊較小，且動力裝置在艙內可調的情況；由于軸系與主機（或動力裝置）的對接安裝精度較高，如文獻[7]規定剛性聯軸節的對中要求：曲折為0.15mm/m，偏移為0.10 mm，因此對動力裝置的調整精度為0.01mm 級別，對相關工裝工具的調整能力要求高，比如一般要求需滿足起重大、結構尺寸不易過大、調整精度高等條件。

若動力模塊無法在艙內進行調整，則總段合攏導致的動力裝置安裝及與軸系對接安裝的建造質量將無法保證。該情況下，一方面需要在切削精度、船體分段合攏誤差控制、船體變形方向控制等方面進行大量的經驗、數據積累及計算分析，確保總段合攏過程中的船體結構變形可控，且不影響舾裝作業及建造質量；另一方面，若總段合攏變形不可控將直接導致船體建造問題被帶入后續的舾裝作業中，影響已完成的舾裝建造質量。針對上述問題，需要舾裝提供相應的技術措施予以化解，為此提出了圖3所示的總段合攏后進行軸系安裝的技術方案。

基于上述分析，提出總段合攏前進行軸系安裝，或總段合攏后進行軸系安裝的邏輯示意圖如圖4所示。

圖4 軸系安裝時機邏輯框圖

2 超長軸系安裝工藝分析

GJB 1844—1993《水面艦船主機軸系安裝驗收要求》、CB/Z 209—2011《潛艇軸系安裝技術要求》[6-7]等對水面艦船或潛艇的軸系基座加工、內場準備、主機和軸系中心定位、安裝及驗收等方面進行了規定。從上述標準可梳理出：1）一般艦船建造，需對軸系、主機（動力裝置或動力模塊）進行統籌設計及建造；2）對于軸系找中，前期使用了“拉線法”—鋼絲拉線，隨著技術進步及建造要求的提升，目前一般采用“光學法”（軸系照光法）進行軸系找正；3）軸系與主機的安裝驗收工作一般在艦船下水后進行；4）主機軸系安裝一般采用從艉到艏的安裝流程，也有采用從艏向艉的反向流程；5）軸系校中從“直線校中法”逐漸向“合理校中法”發展。

文獻[4]和文獻[10]對軸系安裝工藝流程進行了一定的闡述，而實際上各船廠對軸系、主機等核心、關鍵工藝“諱莫如深”，比如對于超長軸系安裝過程中產生的累積誤差，導致從艉向艏進行軸系排軸過程發現軸系與主機（動力裝置）無法對接安裝，一般表現為軸系法蘭低于主機（或齒輪箱）輸出法蘭，不滿足軸系對中要求。

在文獻[8]中，運用數值分析方法，開展了精度分配方法，并進行工程適用性驗證；計算分析表明：采用概率法的精度分配分析方法具有一定的工程應用價值。根據上述精度分配方法，確定各組成環的制造精度、安裝精度分配指標，核算封閉環合成精度是否滿足調整能力的要求，精度分配流程如圖5所示。

圖5 精度分配流程

根據上述精度分配方法，對某型船舶“軸系-減速器”對接安裝尺寸鏈進行了數值計算分析。以軸系安裝垂向為例，某型船舶從艉向艏包括艉軸、后中間軸、推力軸承、前中間軸、高彈聯軸節和中間軸承，中間軸承艏端與減速器連接。以中間軸承輸入端定位（垂向）為封閉環Z，各組成環Zi包括：

1）軸系艉部基準點的定位zshaft，組成環Z1＝zshaft。

2）后中間軸與艉軸的對中偏斜和偏移，偏斜記為x，偏移記為y，組成環Z2＝1.830x1＋z1，1 830mm 為后中間軸的長度。

3）推力軸承與后中間軸的對中偏斜和偏移，組成環Z3＝3.32（x1＋x2）＋z2，3 320mm 為推力軸承的長度。

4）前中間軸與推力軸承的對中偏斜和偏移，組成環Z4＝4.750（x1＋x2＋x3）＋z3，4 750 mm為后前間軸的長度。

5）I型高彈聯軸節與前中間軸對中偏斜和偏移，組成環Z5＝2.760（x1+x2+x3+x4）+z4，2 760mm為I 型高彈聯軸節的長度。

6）I型高彈聯軸節與中間軸承的對中偏斜和偏移，組成環Z6＝1.370（x1+x2+x3+x4+x5）+z5，1 370mm為中間軸承的長度。

由于偏移、偏斜的方向未知，以上組成環均可認為是增環，因此封閉環尺寸鏈公式為

以上封閉環尺寸鏈共有11個變量，根據相關標準要求各變量基準值及偏差值清理如表1 所示，根據相關標準要求各變量的基準值及偏差值，并代入式（1），對其進行計算，計算結果如下。

（1）極值法

（2）概率法，組成環為正態分布

按照上述方法分別計算軸向、橫向情況，并匯總垂向情況，計算結果見表1。

表1 “軸系-減速器”對接安裝分析計算結果

根據計算結果分析，可以發現：

1）由于軸系排軸過程中各軸系設備或軸段對中并非“零對零”，因此必然導致軸系艏端與動力裝置對接時有一定偏差。同時，軸系設備或軸段越多、越長，軸系從艉向艏排軸過去，與主機（或動力裝置）對接的偏差越大。因此對于超長軸系的排軸、安裝，其工藝愈發復雜，作業愈難。

2）主機軸系安裝按從艉向艏進行排軸時，以艉軸前法蘭為基準，自艉向艏調整各軸及主機（或動力裝置）中心位置，使得各隊法蘭的偏移、曲折值符合要求，測出各軸承下墊片厚度并拂配完畢；文獻[6]可印證上述情況。另外，從表1計算結果來看，各向軸承基座調整余量可滿足拂配余量的要求。

3）軸系從艉向艏進行軸系排軸過程時，發現軸系與主機（或動力裝置）無法對接安裝，一般表現為軸系法蘭低于主機（或動力裝置）輸出法蘭，不滿足軸系與主機（或動力裝置）對接對中要求。船廠一般采用抬高主機（或動力裝置）的方式來使得軸系法蘭與主機（或動力裝置）對中以滿足要求，文獻[4]及文獻[10]也能驗證上述技術措施的有效性。

3 軸系校中工藝分析

文獻[6]及文獻[9]針對軸系校中方法有一定的介紹，包括軸系直線校中、軸系合理校中等方法，主要側重于軸系校中計算分析；文獻[4]中軸系校中采用了軸系直線校中法；文獻[10]通過軸承負荷的測量來開展軸系合理校中。整體來說，針對船廠實際建造過程中軸系校中的工藝問題則少有涉及。

目前大多船廠采用了軸系合理校中法及相應的配套工藝，同時軸系校中驗收也大多采用下水后進行交驗；隨著總段模塊化技術的應用，軸系總段對中在日韓等造船業較發達的國家已經得以實現，其技術先進性也得到造船各界的認可。由于總段對中技術的實現需要在切削精度、船體分段合攏誤差控制、船體變形方向控制等方面進行大量的經驗、數據積累及計算分析，目前國內鮮有此方面的研究及論文[11-12]。文獻[11]基于某些船型的軸系校中實施是在靜水狀態下完成的，近似認為靜水狀態下的船體變形為0，因此未計及下水后的船體變形；而文獻[12]提出應考慮船體變形對軸系總段對中的影響，但未給出是實船建造過程中如何考慮船體變形對軸系總段校中的影響。不考慮船體變形對軸系校中的影響有較多的前提條件，比如船體變形相對較小、船體變形量不足以影響軸系校中狀態等。從大多數實船軸系校中情況來看，船體變形顯然對軸系校中具有一定的影響。

鑒于上述情況，結合相關分析及已取得的工程經驗，提出基于總段建造條件下的下水狀態軸系校中工藝，分2個階段進行。

3.1 船臺階段

船臺階段，船體結構由墩木等強結構予以支撐，船體結構在船臺階段的變形主要受到環境、溫度等條件的影響；因此船臺階段軸系按照“直線校中法”進行軸系排軸、定位工作，并按照法蘭的偏移、偏斜進行軸系校中檢驗，確保船臺階段軸系校中處于“準直線”狀態；同時為了避免或減輕原有軸系與主機（或動力裝置）對接過程出現的法蘭連接問題，需要在軸系排軸過程中，進一步采用如下工藝措施：

1）需對可拆聯軸節進行“中心扶正”，避免或減輕可拆聯軸節因集中載荷過大導致的軸線下垂問題。

2）在軸系排軸過程中，合理利用軸系法蘭對中偏移、偏斜的上下偏差，進一步降低軸系與主機（或動力裝置）對接過程的法蘭連接問題。從表1計算情況來看，如果按照“極值法”（軸系法蘭對中偏移、偏斜值均按照一個方向）進行軸系對中排軸，則累計誤差效應較大（軸系設備越多、越長，累計偏差效應越大）；若按照“概率法”（軸系法蘭對中偏移、偏斜值可能為正，也可能為負）進行軸系對中排軸，相比于“極值法”排軸，其累計誤差效應將大幅降低。因此，在軸系排軸過程中，合理利用法蘭對中偏移、偏斜的上下偏差，結合工程經驗，完全可以解決軸系與主機（或動力裝置）對接過程的法蘭連接問題。

3.2 下水階段

船舶下水后，船體結構在支墩條件下與下水后的受力狀態不同，艇體結構變形必將有所不同，進而影響軸系校中的狀態。基于目前測量艇體結構變形存在的測量方法、測量基準、測量精度等進行基礎性測試研究，因此基于艇體結構變形條件下的軸系合理校中工藝實施存在實操困難。

基于上述情況，進行“反向思維”，在艇體結構未知情況下，開展“下水階段”的軸系軸承負荷測量，并進行軸系軸承標高的調整，使各軸系軸承達到軸系合理校中法計算所得的軸承理論計算值及許用偏差。為保證軸承負荷測量的準確，一般需要對軸系進行盤車操作；當通過軸系軸承標高調整，使得軸承負荷滿足理論計算情況，對已調整標高的軸承進行最終安裝固定。上述軸系校中工藝基于軸系合理校中計算、軸系合理校中測試等成熟技術提出，可有效解決計及艇體變形下的軸系合理校中問題。

當前階段下，如何結合大量工程經驗及相關測試數據，進一步開展船臺階段的軸系合理校中“預調整”研究—船臺階段即計及下水后的船體結構變形，并調整軸系校中狀態；待軸系下水后，軸系校中狀態“自動”到達合理校中狀態。上述工藝可縮短碼頭周期，加快造船速度，但需要先期開展大量軸系、船體等方面的測試及經驗總結工作。

4 結論

本文針對總段模塊化建造模式下的軸系校中及安裝相關問題，結合極值法、概率法等數字計算分析結果，開展了總段模塊化建造條件下的軸系安裝時機、軸系安裝工藝、軸系校中工藝等方面的論證分析工作，得出如下幾點結論及建議。

1）軸系安裝時機方面。若動力模塊在艙內可調，可在總段合攏前進行軸系安裝工作；反之，則需在總段合攏后進行軸系安裝工作。

2）軸系安裝工藝方面。結合已有標準規范及現有工程經驗，對軸系安裝主要注意事項進行小結；通過數字計算分析表明，鑒于軸系各設備法蘭并非“零對零”的對中排軸，若不采用中間環節的人為干涉工藝措施，必將導致軸系艏端與動力裝置對接時有一定的偏差。

3）軸系校中工藝方面。提出分階段、分布實施軸系校中的工藝措施，即船臺階段開展軸系直線校中，下水階段開展軸系合理校中，并最終安裝定位。

4）鑒于在船臺階段進行軸系合理校中可以縮短碼頭周期，加快造船速度，提出船臺階段對軸系進行“預調整”，但需先期開展大量軸系、船體等方面測試及經驗總結工作。