1 大型船体分段模块称重测试的工程背景

目前, 随着造船生产工艺开发的需要, 船体分段模块功能和复杂程度越来越高, 重量也越来越大, 这些分段模块往往存在柔度大, 重量分布不均匀以及支承点跨距较大等特点, 对船体建造施工提出了很高的要求, 需要对重量、重心进行严格科学的控制[1]。但在建造过程中由于种种原因, 造成分段模块的重心和重量分布很难控制。分段模块的安装设计是建造工程的一个重要组成部分, 分段模块的重量和重心分布是其安装的重要控制参数, 准确的重量和重心位置对选择吊车和吊索具起决定性作用。但由于分段模块制造过程中焊接材料、局部修改和临时结构等因素的影响, 分段模块的最终重量与设计重量往往相差较大, 导致重量控制很困难, 尤其是当分段模块设计重量接近于吊车极限重量时, 给吊装的安全性带来严重隐患[2]。

为了保证工程安全实施, 确保分段模块的重量小于浮吊的极限载荷, 最大限度的发挥吊车能力, 很有必要在分段模块预制完毕后对其进行称重, 确定分段模块的准确的重量和重心, 从而实现安全吊装。因此, 对分段模块重量重心测试即分段模块称重系统的研究有着重要的实践意义和工程价值[3]。

2 大型船体分段模块称重测试方法研究

常用的大型分段模块称重主要是通过液压构件, 将大型分段模块同步平移顶升, 分段模块全部离开地面稳定后, 通过压力传感器测量管路油压, 从而实现重量测量, 该方法测量时间短, 但同时还需要一套同步顶升系统, 操作复杂, 且精度较低[4,5]。本文将探讨采用高精度的大型力传感器直接进行模块重量测量的方法, 主要就其称重原理、方法和程序进行研究与探讨。

2.1 大型船体分段模块称重原理

大型船体分段模块称重方法是利用液压千斤顶将分段模块顶升脱离支撑工装来实现, 称重点形式见图1。

图1 称重点形式   下载原图

1-千斤顶, 2-垫板, 3-力传感器

此时分段模块的全部重量由力传感器来支撑。准确测量各力传感器的力即可获得平台重量, 再根据个力传感器的坐标可获得分段模块的重心位置坐标Á参数。Á

i测试点个数;n测试点总数;W分段模块总重量;Wi测试点重量;Xi, Yi测试点坐标;X, Y分段模块重心坐标

本方法中液压千斤顶所起的作用只是支撑元件将分段模块顶升起来, 与其它的测试系统相比较, 降低了对液压系统和千斤顶的要求, 从而减少了设备造价和维护费用, 且具备高精度, 简便可靠。要求千斤顶具有以下特点: (1) 承载力大; (2) 液压行程小; (3) 额定油压高, 体积小, 重量轻, 能自锁, 又能单独调节。

力传感器采用应变片式力传感器, 目前, 力传感器中电阻应变式传感器占整个力传感器的95%以上, 它可以与相应的测量电路及仪表组成测力和称重等测量系统。电阻应变片式传感器是目前国内外应用最广泛的一种传感器[6,7]。它主要有以下几个特点: (1) 精度高、测量范围广。就力传感器而言, 量程可达零至数百吨, 精度达0.05%F.S; (2) 使用寿命长, 性能稳定可靠; (3) 频率响应等性能较好; (4) 结构简单、体积小、重量轻、整体性好。

2.2 称重点位置确定与结构受力分析

由于大型船体模块柔度大, 重量分布不均匀以及支承点跨距较大的结构特点, 为了保证称重过程中模块的结构安全, 必须依据现场条件, 通过有限元建模计算确定各称重点位置和数量, 并对测点处模块局部结构进行力学分析计算, 以确定支撑点强度与加强措施。

2.3 称重过程与方法

(1) 在分段模块下选择合适的称重点, 并在各称重点处, 将力传感器以及千斤顶按图1所示安放到位。 (2) 将分段模块建造连接相关附属结构拆除, 保证分段模块在垂直方向上处于自由状态。力传感器调零。每个千斤顶可采用手动或电动泵独立顶升。 (3) 顶升各千斤顶, 使各顶与分段模块称重点的工装完全接触, 使千斤顶承压。 (4) 检查分段模块状态, 而后各千斤顶同步顶起, 待分段模块整体全部脱离支座的状态确认后, 静止3分钟后, 各力传感器同时读数记录。 (5) 各千斤顶卸载, 重复3-4步, 进行第二、第三次测量并读数记录。 (6) 拆除千斤顶和力传感器, 称重试验结束。

3 应用实例

本文中采用上述称种方法, 首先根据模块结构形式, 采用有限元方法对模块进行了力学优化分析, 确定了称重点位置与个数, 并对相应的称重点结构进行了局部加强, 然后制定了详细的称重程序, 现场依据称重程序完成了3组大型船体分段模块进行了称重试验, 具体结果如下

M92模块称重结果     下载原表

M93模块称重结果     下载原表

从现场记录数据与结果可以看出:千斤顶压力控制比较平稳, 系统运行状态良好, 说明系统设计合理可靠, 测试数据误差达到了测试精度要求0.5%。

4 结论

经过现场对发电机模块称重实际操作, 结果证明本称重系统符合设计要求, 可以得出以下结论: (1) 称重系统通过调试应用分析, 模块能平稳升降, 系统安全可靠有较好适用性。 (2) 整个系统构成较为简单经济成本低, 操作简单, 无论从实用性、经济性、操作性均满足国内各厂家海工模块称重需求。 (3) 利用数据采集后进行计算能够得到模块重量, 且误差小于0.5%, 符合设计要求。 (4) 系统称重能力可以通过调整千斤顶规格和数量进行扩展, 原理相同, 完全能满足3000吨海工模块称重要求。 (5) 此次称重研究对于提高模块吊装时安全性、准确性、降低有害因素、避免模块吊装上船超重情况的发生奠定坚实基础, 在国内极具推广价值。