1 大型船體分段模塊稱重測試的工程背景
目前, 隨著造船生產工藝開發的需要, 船體分段模塊功能和復雜程度越來越高, 重量也越來越大, 這些分段模塊往往存在柔度大, 重量分布不均勻以及支承點跨距較大等特點, 對船體建造施工提出了很高的要求, 需要對重量、重心進行嚴格科學的控制[1]。但在建造過程中由于種種原因, 造成分段模塊的重心和重量分布很難控制。分段模塊的安裝設計是建造工程的一個重要組成部分, 分段模塊的重量和重心分布是其安裝的重要控制參數, 準確的重量和重心位置對選擇吊車和吊索具起決定性作用。但由于分段模塊制造過程中焊接材料、局部修改和臨時結構等因素的影響, 分段模塊的最終重量與設計重量往往相差較大, 導致重量控制很困難, 尤其是當分段模塊設計重量接近于吊車極限重量時, 給吊裝的安全性帶來嚴重隱患[2]。
為了保證工程安全實施, 確保分段模塊的重量小于浮吊的極限載荷, 最大限度的發揮吊車能力, 很有必要在分段模塊預制完畢后對其進行稱重, 確定分段模塊的準確的重量和重心, 從而實現安全吊裝。因此, 對分段模塊重量重心測試即分段模塊稱重系統的研究有著重要的實踐意義和工程價值[3]。
2 大型船體分段模塊稱重測試方法研究
常用的大型分段模塊稱重主要是通過液壓構件, 將大型分段模塊同步平移頂升, 分段模塊全部離開地面穩定后, 通過壓力傳感器測量管路油壓, 從而實現重量測量, 該方法測量時間短, 但同時還需要一套同步頂升系統, 操作復雜, 且精度較低[4,5]。本文將探討采用高精度的大型力傳感器直接進行模塊重量測量的方法, 主要就其稱重原理、方法和程序進行研究與探討。
2.1 大型船體分段模塊稱重原理
大型船體分段模塊稱重方法是利用液壓千斤頂將分段模塊頂升脫離支撐工裝來實現, 稱重點形式見圖1。
圖1 稱重點形式 下載原圖
1-千斤頂, 2-墊板, 3-力傳感器
此時分段模塊的全部重量由力傳感器來支撐。準確測量各力傳感器的力即可獲得平臺重量, 再根據個力傳感器的坐標可獲得分段模塊的重心位置坐標á參數。á
i測試點個數;n測試點總數;W分段模塊總重量;Wi測試點重量;Xi, Yi測試點坐標;X, Y分段模塊重心坐標
本方法中液壓千斤頂所起的作用只是支撐元件將分段模塊頂升起來, 與其它的測試系統相比較, 降低了對液壓系統和千斤頂的要求, 從而減少了設備造價和維護費用, 且具備高精度, 簡便可靠。要求千斤頂具有以下特點: (1) 承載力大; (2) 液壓行程小; (3) 額定油壓高, 體積小, 重量輕, 能自鎖, 又能單獨調節。
力傳感器采用應變片式力傳感器, 目前, 力傳感器中電阻應變式傳感器占整個力傳感器的95%以上, 它可以與相應的測量電路及儀表組成測力和稱重等測量系統。電阻應變片式傳感器是目前國內外應用最廣泛的一種傳感器[6,7]。它主要有以下幾個特點: (1) 精度高、測量范圍廣。就力傳感器而言, 量程可達零至數百噸, 精度達0.05%F.S; (2) 使用壽命長, 性能穩定可靠; (3) 頻率響應等性能較好; (4) 結構簡單、體積小、重量輕、整體性好。
2.2 稱重點位置確定與結構受力分析
由于大型船體模塊柔度大, 重量分布不均勻以及支承點跨距較大的結構特點, 為了保證稱重過程中模塊的結構安全, 必須依據現場條件, 通過有限元建模計算確定各稱重點位置和數量, 并對測點處模塊局部結構進行力學分析計算, 以確定支撐點強度與加強措施。
2.3 稱重過程與方法
(1) 在分段模塊下選擇合適的稱重點, 并在各稱重點處, 將力傳感器以及千斤頂按圖1所示安放到位。 (2) 將分段模塊建造連接相關附屬結構拆除, 保證分段模塊在垂直方向上處于自由狀態。力傳感器調零。每個千斤頂可采用手動或電動泵獨立頂升。 (3) 頂升各千斤頂, 使各頂與分段模塊稱重點的工裝完全接觸, 使千斤頂承壓。 (4) 檢查分段模塊狀態, 而后各千斤頂同步頂起, 待分段模塊整體全部脫離支座的狀態確認后, 靜止3分鐘后, 各力傳感器同時讀數記錄。 (5) 各千斤頂卸載, 重復3-4步, 進行第二、第三次測量并讀數記錄。 (6) 拆除千斤頂和力傳感器, 稱重試驗結束。
3 應用實例
本文中采用上述稱種方法, 首先根據模塊結構形式, 采用有限元方法對模塊進行了力學優化分析, 確定了稱重點位置與個數, 并對相應的稱重點結構進行了局部加強, 然后制定了詳細的稱重程序, 現場依據稱重程序完成了3組大型船體分段模塊進行了稱重試驗, 具體結果如下
M92模塊稱重結果 下載原表
M93模塊稱重結果 下載原表
從現場記錄數據與結果可以看出:千斤頂壓力控制比較平穩, 系統運行狀態良好, 說明系統設計合理可靠, 測試數據誤差達到了測試精度要求0.5%。
4 結論
經過現場對發電機模塊稱重實際操作, 結果證明本稱重系統符合設計要求, 可以得出以下結論: (1) 稱重系統通過調試應用分析, 模塊能平穩升降, 系統安全可靠有較好適用性。 (2) 整個系統構成較為簡單經濟成本低, 操作簡單, 無論從實用性、經濟性、操作性均滿足國內各廠家海工模塊稱重需求。 (3) 利用數據采集后進行計算能夠得到模塊重量, 且誤差小于0.5%, 符合設計要求。 (4) 系統稱重能力可以通過調整千斤頂規格和數量進行擴展, 原理相同, 完全能滿足3000噸海工模塊稱重要求。 (5) 此次稱重研究對于提高模塊吊裝時安全性、準確性、降低有害因素、避免模塊吊裝上船超重情況的發生奠定堅實基礎, 在國內極具推廣價值。