减摇鳍精度安装工艺的分析与应用

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(芜湖新联造船有限公司，安徽 芜湖 241000)

减摇鳍作为一种主动式减摇装置[1]应用非常广泛。该设备多安装于船舯的前、后，船体线型变化大，因此对鳍轴线、流线角的定位精度要求很高，若减摇鳍的定位、安装稍有偏差，不但会降低鳍的效率和寿命，甚至会导致鳍转动时与船壳板相碰，引发事故，因此，必须保证减摇鳍的安装精度，方能使其正常发挥作用。本文介绍了如何通过将二维坐标系统中的原始数据，转化为三维空间中的数据，并利用全站仪测量定位[2]来实现设备的精度安装。

1 设计输入

1.1 减摇鳍定位参数

1)前减摇鳍(123号肋位)。鳍轴线与船体外壳板外缘的交点B距基线 1 750 mm,鳍轴线在中总剖面的投影与水平线的夹角(即流线角)5.2°,鳍轴线在基线面的投影与肋位线的夹角11.3°,鳍轴线在中站面的投影与水平线的夹角47.9°。

2)后减摇鳍(55号肋位)。鳍轴线与船体外壳板外缘的交点A距基线1 750 mm,鳍轴线在中总剖面的投影与水平线的夹角(即流线角)4.3°，鳍轴线在基线面的投影与肋位线的夹角11.5°，鳍轴线在中站面的投影与水平线的夹角52.7°。

减摇鳍定位参数见图1。

1.2 配合公差参数

鳍座面板与鳍轴线的垂直度0.05mm，鳍根部与船壳板间隙50 mm。

图1 减摇鳍定位参数

2 所需技术参数的求解(设计输出)

2.1 求解鳍轴线空间夹角

以右舷后鳍轴系求解为例，根据减摇鳍轴线在俯视图和肋位面视图的投影关系，建立三维模型，见图2。

图2 后鳍轴线三维模型

图2中，A为鳍轴中心线与船壳板的交点，以A点为原点，X轴方向为船艏方向，建立坐标系X-Y-Z，将坐标系绕X轴顺时针旋转52.7°，得坐标系X1-Y1-Z1，然后，将坐标系X1-Y1-Z1绕Z1轴顺时针旋转α，得坐标系X′-Y′-Z′，则Y′轴即为鳍轴中心线，在此中心线上取线段AC，AC在中站面的投影为AD，AC在基线面的投影为A′C′，CD在基线面的投影为C′D′。

将△A′C′D′平移至线段CD上，建立轴线角求解的几何模型，见图3。

图3 后鳍轴线几何模型

其中，△BCD为平行于基线面的水平面，△ABD为平行于中站面的竖直面，面BCD与面ACD的夹角为52.7°，直线AC为鳍轴线，∠C′A′D′即为所求夹角∠CAD(设为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°

用同样的方法可求得前鳍轴线夹角为7.63°。

2.2 求解空间流线角

以左舷后鳍流线角求解为例，根据减摇鳍轴线和流线在三视图的投影关系，建立三维模型，见图4。其中，O为鳍轴中心线与船壳板的交点，以O点为原点，X轴方向为船艏方向，建立坐标系X-Y-Z，将坐标系绕X轴顺时针旋转52.7°，得坐标系X1-Y1-Z1，然后，将坐标系X1-Y1-Z1绕Z1轴顺时针旋转7.03°，得坐标系X′-Y′-Z′，则Y′轴即为鳍轴中心线(根据2.1求得)。在此中心线上取线段OB，OB在中站面的投影为OH，OB在基线面的投影为O′B″，OH在基线面的投影为O′G。

图4 后鳍流线角三维模型

可知：∠BOH=7.03°，∠B″O′G=11.5°。

过B点做垂直于Y′轴的面ABD，在面ABD上做平行于基线面的线段AB，AB在中纵剖面上的投影为A′B′，然后在面ABD上，将AB绕A点逆时针旋转α，得直线AD，AD在中纵剖面上的投影为A′D′，令∠B′A′D′=4.3°，则∠BAD=α即为所求流线角。

将△A′B′D′平移至A点，建立流线角求解的几何模型，见图5。

图5 后鳍流线角几何模型

其中，面ACE为平行于中纵剖面的竖直面，面ABC为平行基线面的水平面，面BCED为平行于中站面的竖直面，做辅助线DF，令DF∥CE，∠CAE即为所求夹角∠BAD(设为α)在中纵剖面上的投影角度。

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

根据投影定理[3]可知

S□BCED=S△ABD×cosβ+S△ADE×cosδ。

β为面ABD与面BCED的夹角，从鳍座平面旋转的关系可知β=90°-7.03°=82.97°；δ为面ADE与面BCED的夹角，δ=∠AEC=85.7。将β、δ带入上式，可求得x=0.104 5。

用同样的方法可求得前流线角为7.65°。

2.3 鳍轴线偏差及镗孔余量的确定

设A点为鳍轴线上距船壳板距离为50 mm的点，AD为鳍轴线，AB为鳍根部鳍轴线距随边的距离，建立几何模型见图6。

图6 轴线偏差几何模型

故α=arccos0.999 85=1.05°，即鳍轴线的极限偏差为1.05°。

3 减摇鳍的定位与安装

减摇鳍的定位与安装以右舷后减摇鳍为例。

3.1 用全站仪确定鳍轴中心线

1)在右舷后鳍座安装分段的船壳板外缘划出#55、#56理论肋位线，距离基线为1 750 mm的水平线。

2)同时划出1 750 mm水平线与#55肋位线交点A。

3)按确定的A点在船体外板上划出直径1 004 mm开孔圆和直径1 104 mm检验圆。

4)作出过A点距中与船体中心平行的直线S1并勘划在船台上。

5)通过全站仪两点建立船体坐标(坐标原点为轴线与外板交点A，X轴方向为S1方向)。

6)坐标变换首先绕着X轴顺时针旋转52.7°，再绕Z轴顺时针旋转7.03°(7.03°为2.1中所求得的鳍轴空间夹角)。

7)通过不断测量选择坐标系统中坐标为(0，-Y，0)值的一个合适点A′。

8)将点A与点A′连接则为减摇鳍的空间轴线。

3.2 鳍座的定位

将鳍座吊入船体舱内就位，并重拉鳍轴中心线，以此中心线进行左、右、前、后、高、低调整至安装要求，此时应确保鳍座面板的中心十字线水平，然后鳍座绕轴线向上转动6.98°(6.98°为空间流线角)，点焊固定后进行鳍座的焊接。

3.3 鳍设备的安装

按常规要求安装执行机构、鳍、液压机组、操纵箱、控制器等并进行调试。

4 结论

1)鳍轴线空间夹角和空间流线角的求解是至关重要的工作，必须确保准确，因为此处的偏差投影后会被放大，直接影响定位精度。

2)如船厂未采用精益造船模式[4]，则应考虑船体外板在减摇鳍安装位置处的变形，如变形超出许可范围，应在确定技术参数时给出补偿。

3)如果船台为倾斜船台[5]，在使用全站仪时应首先输入船台倾斜角度。

由于将二维参数转化为了实际操作过程中所需要的三维参数，使减摇鳍的安装有了理论数据的支撑，而全站仪的引入，使得这各参数的实际定位精度得以保证，从而确保了减摇鳍装置的安装精度，该项新工艺已成功应用在公司承制的某型船减摇鳍的安装上，实船安装精度高于厂商提供的设备安装精度要求，效果非常理想。

[1] 廖铭声.减摇鳍的水动力学设计基础[J].机电设备，1997(4)17.

[2] 何保喜.全站仪测量技术[M].郑州：黄河水利出版社，2005.

[3] 丘维声.解析几何[M]. 北京:北京大学出版社，2005.

[4] 张明华.精益造船模式的研究[M].北京：中国经济出版社，2005.

[5] 李林忠.船舶建造工艺学[M]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2006.