船用复合机床的环境适用性设计分析

孙椰望，张甲英，徐滨士，张之敬，董世运

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081;2.装甲兵工程学院再制造技术重点实验室，北京 100072）

船用复合机床的环境适用性设计分析

孙椰望1，2，张甲英2，徐滨士2，张之敬1，董世运2

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081;2.装甲兵工程学院再制造技术重点实验室，北京 100072）

针对船舶在海洋行驶中的特殊环境，提出了船用复合机床应该根据船用机床的技术要求以及海洋环境的影响进行适用性设计的思路。为了实现船用复合机床优异的适用性能，在分析近年来复合机床总体发展趋势的基础上，详细阐述了船用复合机床的设计应该包含机床的紧凑性与轻量化设计、耐腐蚀性设计、系统可靠性设计、功能柔性化设计以及抗振性设计。基于船用复合机床适用性设计思路的分析，深入探讨了高效、高质和绿色船用复合机床的环境适用性设计方案。

船用机床;复合机床;环境适用性;轻量化设计;防腐

船舶在行驶过程中难免存在零部件的损伤与脱落，如何保障船舶长期正常的运行关系到船舶行业的重要经济与战略利益。然而，面对船用机床的特殊工作环境以及技术要求 (例如工作空间、机床质量与体积、海洋环境以及船舶行驶的颤振影响等），直到1995年船用多功能机床才在南通研发成功。自此国内船用机床长期依赖进口的局面才得到改变［1－2］。伴随近年来机床行业的迅速发展，特别是高效数控加工机床的高速发展，船用机床技术也亟待提高。

在高效加工机床行列，目前最突出的就是复合加工机床。复合机床是指能够在一台机床上尽可能完成工件的多种加工要素的机床。该类型机床能够较好地适应单件小批量的快捷生产需求以及新工艺的加工要求。自CCMT2010和CIMT2011以来，复合机床的高速化、高精度化、复合化、模块化、智能化以及各种先进技术的应用和多样性的结构创新已经成为复合机床的发展趋势［3－7］。基于复合机床的发展情况与船用机床的技术要求，船用复合机床设计应该包含机床整体结构的紧凑性与轻量化设计、机床耐腐蚀性设计、机床运行稳定性设计、机床功能多样化设计以及机床的抗振性设计。

1 船用机床结构的轻量化设计

受到舰船环境的限制，船用机床结构设计需要满足紧凑性与轻量化的特点，其设计原则主要基于机床的轻量化设计。机床轻量化设计是在保证机床静态和动态性能的前提下实现机床结构的优化目标。在机床结构轻量化优化设计范围中，机床移动部件的轻量化设计是机床结构设计的重要发展方向。因为轻质量的移动部件能够较好地减小机床运动惯性力的影响，从而提高机床动态性能，并减小机床运行的驱动功率，最终实现机床设计的节能省材和轻量化的目标。

近年来，随着机床行业相关技术的快速发展，国内机床轻量化的研究方面取得了不少成果。厦门大学的颜华生在机床结构件的优化过程中，利用BP神经网络的非线性映射能力求遗传算法的适应度函数值，解决了求解遗传算法的适应度函数值时，必须进行结构有限元重分析的问题，提高了机床结构的优化效率;并结合遗传算法实现变量设计域内的自动寻优计算，利用遗传算法的全局搜索能力，实现变量可行域内的全局优化［8］。合肥工业大学的翟华等人指出机床轻量化技术的发展趋势需将机床结构的等寿命设计、智能优化算法、多目标优化、可靠性设计、动态设计、快速设计和应用新材料与新结构的方法融于一体，实现机床的全面优化，并取得了较好的研究成果［9］。清华大学郭垒等人基于对机床结构参数的灵敏度分析，在机床结构刚度和加工工艺性的约束下实现了部件的轻量化优化目标［10］。北京航空航天大学的赵岭等人在分析轻质高效生物体结构的主要特点及其构型规律的基础上，研究总结出机床轻量化仿生设计的部分准则;并采用结构仿生的设计方法为机械结构的轻量化设计提供了原型与方法，实现了机床的部分结构件的仿生轻量化设计目标，提出了工作台筋板的仿生构型［11－12］。

目前，机床结构轻量化设计的常用的方法主要集中在计算机仿真技术与机床新材料的使用方面。船用机床的结构优化设计方法应该基于这些结构优化设计方法，在满足机床结构刚度设计的前提下进行针对性的轻量化设计。

(1）CAD/CAE结构优化。随着计算机技术和相关CAE软件的快速发展与应用，借助有限元分析的仿真结果可以预测机床设计的静态和动态性能，并进行机床结构的设计优化。优化思路一般从两个方面入手:一方面在满足机床刚度前提下进行机床体积优化，减轻机床质量;另一方面在机床的体积要求范围内，优化机床结构从而提高机床的低阶振动频率，增强机床的动态性能。其中，拓扑优化是最常用的机床结构件优化方法，该方法能够在给定的设计空间中，根据指定的加载和边界条件计算出最佳的设计方案。

(2）新材料的应用。目前机床结构件的材料主要是铸铁和钢，两者都具有良好的刚度质量比和品质价格比。近年来，面对现代工程技术和科学技术对材料性能要求的不断提高，新材料的研究和应用得到了迅速发展，以复合材料为代表的新材料已经广泛地应用于工业领域［13］。针对机床轻量化的设计要求，在机床结构设计时采用新材料可以起到减轻结构质量、降低工艺执行难度以及优化机械部件功能的效果。例如，机床托板导轨面的聚四氟乙烯的使用，一方面极大地降低了钳工的刮研难度，另一方面在粗加工导轨面上就能实现导轨耐磨性以及高精度的要求。

2 船用机床的耐蚀性设计

船用机床在船舶行驶过程中使用，其设计受到海洋环境的制约，机床的抗腐蚀性设计是关键的技术问题。海洋环境是非常严酷的腐蚀环境，海船的腐蚀环境可划分为:海上大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和泥浆区。船舶的甲板室或上层建筑处在海上大气区，暴露在海洋盐雾大气中［14－15］。根据舰船的海洋腐蚀环境分析，船用机床会经常受到盐雾以及湿热环境因素的影响。

目前海运设备的防腐方式主要有主动防护和被动防护两种手段。主动防护是指基于电化学原理的阴极保护，也称为阴极保护法。其主要原理是:当两种不同金属在电解质溶液中电性连结时，化学性质较活泼的金属表现负电位特性成为阳极而受到腐蚀，而电极电位为正的金属成为阴极而不受到腐蚀。于是采用活泼性比钢铁更高的金属与钢铁连接使钢铁成为阴极而被保护，或者采用补充电源激发保护电子的方法［14，16］。被动防护主要是指采用喷涂防护涂料。此方法实施方便，也是船用机床以及其金属设备的常用防腐方法。只是在喷涂时对涂料的性能要求较高。考虑盐雾、潮湿、环境变化的影响，涂料必须有良好的耐水性、耐盐雾、防锈性、耐干湿以及冷热交替性等。同时，由于受到海浪的冲击影响，涂层应具有良好的机械强度、耐摩擦性和抗冲击性能［17］。

对于船用机床的防腐问题，不仅要注意机械部件的防护，还要注重船用机床控制系统及电缆的防腐措施。船用机床在海洋的湿热环境下工作时，电缆的浸水介电性能以及机械性能要求较高［18－19］。船用机床的电气系统不仅需要满足安全可靠、寿命长、体积小、质量轻，还必须具备优良的耐温差、耐火、耐油、防潮和耐海水性能。

3 船用机床的系统可靠性设计

保证机床的高可靠性以及精度保持性一直是复合机床设计的核心要求。对于船用复合机床的设计制造，其可靠性设计也不例外。

近年来，伴随计算机技术、信息技术等的快速发展，国产数控系统可靠性的研究取得了较大的成就。东南大学的邱绍虎等对国产数控机床可靠性现状及其改善对策做了分析研究，指出了系统可靠性设计、零部件选型、制造与装配工艺、机床使用与维护等是影响机床可靠性的主要因素［20］。重庆大学的许智对机床典型功能部件的可靠性技术进行了比较深入系统的研究，获得了具有指导意义的研究成果［21］。上海交通大学的王智明提出了基于随机点过程的多台NC机床时间截尾的可靠性评估的可修系统方法，建立了故障时间的幂律模型;对于多故障模式和多原因的NC机床可靠性分析，提出了Weibull多重混合模型，并提出了系统任意维修质量的不完全顺序预防维修的混合模型［22］。重庆大学的唐贤进开发了数控机床运行可靠性监控系统，为保障数控机床运行可靠性提供了可操作平台，同时为国内数控机床可靠性的提高打下了基础，并提出了应用故障占比方法建立数控机床维修保养项的重要度模型［23］。刘金超研究了机床运动副磨损对机床精度保持性能的影响，在深入分析多体系统理论的基础上，推导出了机床精度保持的可靠性模型［24］。

船用机床的系统可靠性设计过程中，要整合国内外数控技术取得的成果，开发先进的数控配套技术，从而实现战略与技术领域的双项成果。

4 船用机床的可重配置设计

船用机床加工对象为船舶的各种易损坏零件。由于加工对象的多样性，船用复合机床的设计除了要求机床轻量化、稳定性以及良好的工艺性外，还要具有较高的柔性化。复合机床的可重配置设计可以根据不同的加工对象，配置灵活的加工方案，从而实现零部件的多工艺加工。因此，可重配置复合机床设计成为船用复合机床设计的首选方案。

近年来，国内学者在可重配置机床研究方面取得了一定成果。北京理工大学的周敏等人基于多目标优化分段基因遗传算法，提出了多目标结构设计优化方法的具体算法，并验证了基于多目标分段遗传算法的可重配置车铣复合加工机床结构设计优化相关技术的可靠性［25］。同济大学的段建国等提出了一种可重构制造系统的多态可靠性建模方法，建立了存在非相邻状态转移的可重构机床的马尔科夫模型和多零件族可修的可重构制造系统多态可靠性模型，并验证了模型的有效性［26］。浙江大学徐敬华等提出一种多域互用的数控机床模块化配置设计方法，确定了模块的实例化规则，实现了多域互用的模块化配置设计，并开发了模块化配置设计原型系统［27］。

目前，可重配置机床的设计形式按可重配置的范围分为全局可重配置和局部可重配置;按可重配置的方式分为同一模块多位姿可重配置和同一位置多模块可重配置。在机床设计中，不同机床的设计要求对应不同的最优可重配置类型。因此，船用适用性复合机床的可重配置设计应该根据相关技术要求有针对性地选择最合适的可重配置类型，从而较好地实现机床总体拓扑结构设计的前期定位。

5 船用机床的抗振性设计

船用机床运行于船体上，而船舶结构又是一种复杂的组合弹性体，并且船舶是具有多振源的振动系统。主要激振力包括螺旋桨、船舶主机、辅机、动力机械的运动力以及波浪等引起的外部激励等，这些激励的存在总会引起船体的振动。其中，主机和螺旋桨是船舶稳态振动的主要振源，螺旋桨噪声频率一般低于100 Hz。表面力和轴承力是螺旋桨的主要激振力，两者不仅激励力大，而且激励频率高，使得高速船的振动问题比较突出［28－33］。舰船船体的共振频率一般为10～60 Hz，近海小船的低阶振动频率一般在30 Hz以内［33－34］。由于船用机床的工作环境处于振荡状态，并且机床本身也存在颤振，于是如何采取合适的抑制颤振技术，实现颤振环境下机床的精度保持性成为船用机床设计的注意问题。

机床是多自由度颤振系统，其振动主要有以下3个部分:机床和基础之间产生的振动，传动部分产生的振动，刀具与被加工工件之间产生的相对振动［35］。在机床运行中，能够判断出颤振主体环节，并采取有效的抑振技术具有十分重要的意义。机床的振动问题与消振技术研究一直受到关注，20世纪90年代中后期，TETSUYUKI提出将一种新的陶瓷树脂混凝土应用在精密机床上，讨论了其热性能和机械特性变化，并且用有限元法和试验分析法讨论了其颤振特性，得出在NC机床的刀架上使用这种刀具材料，其使用寿命要比普通机床高5倍，有效提高了机床的抗振性能［36］。ZATARAIN阐述了一种自适应调和型动态吸振器，能够瞬时自适应调整获得最佳参数，提高了减振效果［37］。近年来，国内机床消振技术也取得明显成果。2004年，甘新基等利用仿真方法研究了镗削加工过程中压电驱动颤振控制的原理方法，通过调整附加在镗杆上的压电片的驱动电压，在一定程度上抑制了镗削加工过程中的颤振［38］。2006年，北方工业大学韩志华探讨了通过控制主轴转速抑制颤振的原理、方法和可行性，并提出了基于计算机仿真技术对加工过程进行动态仿真的一般方法，从而为提高加工效率提供可循的加工依据［39］。2007年，曾立平通过在刀具中心孔插入一个分层梁结构机械阻尼器来减少颤振，其原理是主要利用刀具和阻尼器间的相对运动产生的摩擦力作功来减少颤振［40］。2008年，王安采用电磁激振器在刀具和工件之间施加与颤振相同振幅，频率、相位相反的激振力和激振位移用来抵消工件和刀架之间的相对振动，并且建立了工件子系统和刀具子系统相耦合的颤振模型［41］。张伟刚证明了轴承预紧有助于提高主轴－轴承系统的固有频率，进而提高机床系统的稳定性［42］。2010年，哈尔滨工业大学李晓瑞研究了一类具有时滞的机床再生振颤模型［43］。大连机床的黄付中使用异常负载检测功能实现了车铣复合机床的碰撞保护。2011年，沈阳机床的于文东采用整机振动性能测试以及概率计算的方法对机床振动可靠性进行了评估，明确了数控车床在振动可靠性上的薄弱环节［44］。东北大学朱立达等基于正交车铣机床的加工原理，采用解析法提出三维颤振稳定域的理论模型，有效地预测了正交车铣偏心加工颤振稳定性［45］。

船用机床的抗振性设计不仅要考虑机床运动部件的振动特性，而且要充分考虑机床所在的船体振动环境。基于机床典型的抗振模型以及方案，有针对性地对机床的关键颤振部件进行抗振设计。

6 讨论

(1）复合机床是数控机床的一个充满活力的发展方向，船用机床也必将向着这一方向发展。复合机床包含众多技术领域，随着相关技术的发展，机床的设计开发已经是集众多行业于一体的大开发。在行业集成化与设计协作化的环境下，复合机床的全生命周期设计将会更加重要。同时，新型机床的研发必须充分结合机床组件开发商的研发进程、新材料等技术的应用，并充分结合单位固有产品的状况，实现机床的高效开发。

(2）船用复合机床的研发设计，要在明确加工对象的前提下，以可重配置机床设计理念代替传统多功能机床的设计思路。同时，机床的设计效率与效益要一起考虑，复合过多功能常常会出现机床功能的冗余以及偏高的成本。并且，过多的叠加结构必然造成机床刚性的不足和误差的累积，直接影响机床的工作精度与机床运行的可靠性。机床的设计研发应该根据特定的技术要求以及加工对象的不同特点有针对性地进行。

(3）根据船舶振动性设计研究以及船舶振动频率的分析，船用机床设计必须避免受到外部激振而产生共振现象。在考虑机床颤振问题的同时，需要密切关注船用机床结构件在海洋环境下受到的外界阶跃载荷作用或者冲击载荷作用产生的应力激发变形问题。

7 结束语

船用复合机床的设计过程应该根据其工作环境和加工对象的特殊要求进行适用性设计。适时整合与机床行业相关技术的发展，利用先进的设计理念与研发手段达到船用机床结构的紧凑型与轻量化目标。时刻关注新材料以及新工艺的应用，较好地改进机床设计制造工艺，促进机床的高质、高效、环保、节约的设计开发。

针对船用机床的防腐问题，不拘泥于机床行业的发展空间，要统筹防腐技术领域的动向，时刻以高效设计与绿色设计为出发点，实现船用机床的绿色防腐设计。

船用复合机床设计需要整合数控系统的稳定性研发、抗振性设计方案以及柔性加工理念，并以先进工艺再制造的研发设计过程，采用先进的机械加工工艺技术实现机床的典型结构设计，最终实现船用机床的环境适用性目标。

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Analysis of the Environment Adaptability of Marine Com pound Machine Design

SUN Yewang1，2，ZHANG Jiaying2，XU Binshi2，ZHANG Zhijing1，DONG Shiyun2
(1.Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China;2.Science and Technology on Remanufacturing Laboratory，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

Because of the special environment of the ship in the ocean，themarine compound machine tool should be suitable for the technical requirements of themarinemachine in the ship and themarine environment．According to the analysis of the development of the compound machine tools in recent years，the design ofmarine compound machine tool should be applicable reliability，and it should be compatible with the lightweight design，corrosion resistance design，operation stability design，functional flexible design，and anti-vibration structure design．Based on the analysis of the design of themarine compositemachine tools，the design ideas of the marine compound machine with efficiency，quality，and environmental protection were analyzed．

Marinemachine tool;Compoundmachine tool;Environmentadaptability;Lightweight design;Corrosion resistance

TG502.1

A

1001－3881(2013）9－167－5

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.046

2012－04－16

再制造技术重点实验室基金资助项目

孙椰望 (1985—），男，博士研究生，工程师，主要研究方向为机械结构设计、机床设计制造。E－mail:sun-yewang@163.com。