面向智能化的先进船用中速柴油机生产工艺

2020-08-28侯文俊黄震宇

造船技术 2020年4期

侯文俊，张亮，黄震宇

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)

0 引言

船舶柴油机是船舶最主要的动力设备，在各种船舶推进装置中占主导地位[1]。随着对现代柴油机性能要求的不断提高，对柴油机的制造也提出了更复杂而严格的要求，对活塞、连杆、曲轴等重要部件的承载力、可靠性和稳定性也提出了更高的要求[2]。

目前国内主要柴油机制造厂的生产模式仍以劳动密集型为主，自动化程度不高，在柴油机生产过程中存在资源浪费、质量欠佳、效率低下等不足，其成本、质量、效率等三大要素无法赶上日新月异的改革步伐。在“智能制造”及“制造强国”的背景下，柴油机的设计正向着精密化、模块化、集成化、轻量化、结构紧凑化等方向发展，传统柴油机生产工艺的升级、改造及对柴油机先进生产工艺的探求势在必行。

柴油机零部件加工、装配和整机试验环节是柴油机生产过程中的重要环节，也是柴油机整机性能及可靠运行的重要保障[3]。本文主要针对目前国内中速柴油机零部件的加工、装配、试验进行现状及特点分析，探求先进生产工艺的突破重点，为未来柴油机的先进设计、智能制造、组装及试验做准备。

1 现状分析

1.1 加工车间现状

1.1.1 运行环境

加工车间厂房普遍采用钢结构体系，局部屋面采用机械成型暗扣式透光板，可满足白天车间的采光要求，同时减少人工照明，节约电能。在建筑设计上采用自然通风，设置百叶窗组织气流自然流通，再辅以屋顶矩形天窗及屋顶通风器等手段排除废气，降低能耗。

在机械加工车间内不可忽视的情况：车间内部的热源强度及分布位置不同会造成加工过程中机床各部分温升不同；不同材料的热膨胀系数各异导致机床床身、主轴和刀架等构件产生不同变形量，从而破坏机床的原始几何精度，影响零件加工精度。尤其对一些国外进口设备而言，设备自身对温度的敏感性较高，如德国科堡机床主要用于加工中速柴油机机身等大型零件，设备技术要求提出车间运行温度尽可能控制在17～25 ℃。当温度波动过大时，使用环境达不到理想状态，致使机床加工精度失衡，设备机修员只能采取传统方法调整被加工件的定位开档以确保加工精度，生产效率受到一定影响。将设备置于稳定的环境温度下可减少机床各构件的温差，进而减少变形量差异，最大化地保证加工精度。

1.1.2 设备配置现状

国内一些传统船用柴油机生产基地承接的加工任务兼顾中低速柴油机的主要部件加工。其中：低速柴油机连杆主要加工工艺所配置的设备为数控龙门铣(铣平面、端面、镗轴承孔)、数控卧式车床(车外圆)、卧式加工中心(钻孔、攻丝、钻斜孔)和深孔钻(钻中心油孔)等；中速柴油机连杆的生产往往没有配置专用设备，在生产低速柴油机连杆的设备上兼用。

从提高设备利用率、实现设备经济效益的最大化上而言，上述做法无可厚非。但是，在实际生产过程中，由于中速柴油机连杆的外形尺寸过小，需通过专有夹具固定并安装在设备工作台中央，工装时间加长，导致整体加工效率降低。

1.2 装配车间现状

1.2.1 部件装配

中速柴油机设计精密，活塞、连杆等零件的组装配合精度要求高，装配难度大，目前组装调整以人工为主，装配效率较低。

凸轮轴与凸轮、曲轴与齿轮、轴与轴承等部分柴油机零件为过盈组装，通过过盈配合产生摩擦力，用以传递扭矩。过盈零件的组装通常采用红套方式，将孔类零件加热，扩大孔径，再将轴类零件装入孔中，而传统红套设备多为非接触式加热设备，加热不均匀，加热温度较难掌控，难以保证装配精度。

1.2.2 大件翻身

中速柴油机的机身内部型腔多、内壁厚薄差大，结构复杂。在柴油机的组装过程中需多次对机身进行翻转，用以组装曲轴、缸套等零件。目前传统的翻身方式为双起重机或单起重机双钩配合进行起吊翻身，这种翻转方式危险性大，如果操作不当，机身薄壁位置可能受钢丝绳挤压变形。

1.2.3 物流

中速柴油机零件种类繁多，需按照组装流程与组装工序依次配送组装零件。目前的通用方法为零件先从集配仓库配送至组装车间，再在车间中进行二次配送，最终才能将零件精准地配送至各工位。车间内大多使用手推车进行人力配送，耗时长、效率低。

1.3 试验车间现状

在一些传统的柴油机生产厂，在试验厂房内会排列所有的试验台架[4]。这种试验台架形式为大质量混凝土块式，隔振效率较低，并且当几个柴油机在同一基础块上同时试车时，试验效果会有影响。另外，工人在安装、调整等工作中会遇到其他柴油机试车，噪声、振动对工人身体的影响严重。

中速柴油机对试车环境要求较高，试验时的空气压力、温度、湿度等参数须满足试车标准工况。以某机型中速柴油机为例，在满足该型柴油机空气交换量的同时，须保证密闭试车单元中增压器进口温度在25(±2) ℃，传统柴油机生产厂无法满足要求。

目前，保证柴油机试车安全的基本监测报警功能是中速柴油机控制系统所具备的，但柴油机运行过程中的监测数据是否正常仍需靠人工辨别，而且影响柴油机运行参数的因素还包括试验台架介质辅助系统的运行状态。

1.4 其他

目前中速柴油机生产主要用纸质工艺卡片的方式指导现场操作，工艺卡片归档、升级、更改需由专人管理，其调用较不方便。

2 先进生产工艺的突破重点

2.1 加工车间

2.1.1 改善车间运行环境

在工程投资允许的前提下，建议建造恒温加工车间，采用高效节能排风机系统或采用湿帘冷风机与负压排风机相结合等方式使车间内部达到通风、恒温、除尘以及湿度相对平衡的效果，可有效改善车间空气质量以及保证恒温的工作环境。

2.1.2 优化设备配置

柴油机连杆和汽缸盖是加工车间的关键产品，优化加工设备配置可实现对现有加工工序的组合，在保证加工质量的同时提高效率。

以中速柴油机为例，在其连杆的生产模式中，打破传统工艺设备配置模式，采用进口数控专用设备组成生产线，主要包括卧式加工中心、5轴高速立式加工中心、立式车铣加工中心、镗铣加工中心和数控成形强力磨床等功能性强、加工效率高的专有设备。该类型设备可配置2套及以上专用六面体工装，以便加工与安装同时进行。

在中速柴油机气缸盖生产模式中，将传统的生产模式加以优化，形成集合在线气缸盖检查、清洗、组装、水压试验、打标、铰孔、油漆等作业为一体的缸盖总成装配生产线。生产线采用滚筒输送结构，移动轻便。除清洗机工位需人工操作外，整条生产线采用柔性生产模式，设备由计算机控制，可自动定位，线上有翻转、旋转机构，操作简便，作业方便，效率提升，产品质量得以保证。

除上述主要加工设备的优化外，还可通过优化装夹、换刀等辅助装置来提升生产效率，主要方法可概括如下：

(1) 配置自动化装夹机构；

(2) 配置自动化工件转换(多工作台)；

(3) 提升自动化刀库容量；

(4) 配置自动化去屑及处理铁屑装置；

(5) 改善生产运行环境；

(6) 提升零件在线检测能力；

(7) 避免重复性劳动，辅助环节智能化。

2.2 装配车间

2.2.1 部件装配

增设零件自动化组装辅助设备可保证柴油机部件装配质量，降低组装作业劳动强度。以柴油机连杆预装为例，在组装过程中需对连杆进行翻身、强力螺栓预紧等工序。采用具备连杆夹紧、翻转等功能和数控液压种紧螺母的连杆专用安装辅助设备可实现批量化组装，在保证组装质量的前提下提高生产效率。

在红套部件装配过程中，加热温度的控制是红套工艺的关键。如果加热温度过低，轴类零件不能装入孔中；如果加热温度过高，被加热零件的机械性能会发生变化。为解决此类问题，宜采用以油为介质的自动化控温加热设备，此类设备可根据加热要求严格控制加热温度，从而确保零部件的红套效果。

2.2.2 大件翻身

零件在装配过程中的变形是不可避免的[5]。柴油机机身质量大、尺寸大，在翻身过程中为防止翻身不当导致机身变形，需根据翻转零件的结构特点制定专用的翻转设备，配合高强度吊具，使翻转过程安全可控，从而保证柴油机的高精度组装。同时，通过配置相应程序系统可实现机身翻转至任意待安装角度，便于组装操作作业，提高组装效率。

2.2.3 物流

中速柴油机零部件品种多，组装现场属离散型生产布局，存在零件集配物流管理难度大、配送耗时长的问题。在组装过程中，零件集配物流往往需根据生产计划进行实时调整，计划执行过程的准时性和准确性难以保证。

采用智能集配物流设备及企业资源计划系统，集配仓库对所有零部件进行编码管理，可实现零件与零件信息的精准对应，并能按照生产计划将零件准确配送至相应组装工位。零部件的库存情况、集配指令也都可通过程序软件管控，按照组装单元的生产能力制定详细工作计划，用以确定生成物料的需求计划。此外，使用无轨道智能控制配料运输车和离散式组装单元集配料架可避免无效运输路径及时间，实现待组装零件的高效配送。

2.3 试验车间

合理采用和设计柴油机试验台架对柴油机试验具有重要的实际意义。采用弹性隔振基础、隔声罩、恒温恒湿变风量控制系统、数据分析系统等措施，在试验车间中构建柴油机试车单元，可大幅改善现有的柴油机试验条件，从而保障试验稳定性及可靠性。

2.3.1 弹性隔振基础

柴油机在试验过程中有较大的振动，直接影响检测数据的获取，因此试验台基础必须采取隔振、减振措施，既要限制试验台本身的振动幅度以保证试验台架上各种仪器仪表的正常工作，又要限制发动机振动的传播从而保证台架周围布置的各种测控设备正常运行。

采用弹性隔振基础可大幅改善此类问题。弹性隔振基础是指在地面下的基坑内，将大质量块布置于弹性隔振器上。大质量块主要控制振幅，弹性隔振器起到隔振的作用，防止振动外传。这种基础形式一般会结合采用地下室的布置[6]，基础便于施工，周围大空间方便辅机系统管线的布置。与传统试验台架相比，弹性隔振基础有巨大的隔振效率优势。弹性隔振基础示例如图1所示。

图1 弹性隔振基础示例

2.3.2 隔声罩

在柴油机试验过程中还会产生较大的噪声，主要包括柴油机活塞碰撞缸盖和配气构件等而产生的机械噪声、燃烧过程中的燃烧噪声、进排气管道及风扇噪声等，需采取相应措施保证车间工作环境，满足环保及职业安全要求。

将柴油机封闭在一个隔声空间内是最直接有效的隔声降噪方案。通过在试车台架上设置隔声罩可实现柴油发动机检测时的隔声降噪。隔声罩体采用钢结构型式。每套隔声房设备由隔声罩体和上开式电动隔声门组成。隔声罩体从外到内依次为外板、内板、玻纤包布离心玻璃棉以及吸声铝板。根据现场实测结果，在9 MW柴油机试验时，隔声罩内部平均噪声强度可达115 dB(A)，隔声罩外部1 m处的平均噪声强度为70 dB(A)，隔声罩体降噪可达45 dB(A)。

上开式隔声门的设置要求柴油机的吊运工艺采用通过隔声罩上方将柴油机吊运进隔声罩的方式。这是为了避免管线及水利测功器布置等影响柴油机进出隔声罩而考虑的。隔声罩示例如图2所示。

图2 隔声罩示例

2.3.3 恒温恒湿变风量通风系统

柴油机在试验时被封闭在隔声罩内，需要通风系统为柴油机运行补充新风。根据柴油机试验大纲的要求，需进行25%、50%、75%、100%、110%等不同负荷工况的试验，每种工况对进气量的要求是非线性变化的。此外，为保证各类检测仪器的准确测量，需保证环境恒温恒湿。采用自动控制的恒温恒湿变风量通风系统可为隔声罩内柴油机试车提供必要的环境条件。通风系统示例如图3所示。

图3 通风系统示例

2.3.4 柴油机试车试验分析系统

针对柴油机试验测试过程中需获取的大量异构数据，以现有的基本试验测试能力为基础，使用传感器和自动化控制设备增加试验台架及辅助系统的设备工作状态和工作环境的实时监测，并进行数据采集。通过柴油机上的监测传感器和加装的额外传感器来监测主机性能状况和零部件使用情况。

对采集的数据在信号处理盒中进行特征提取、故障逻辑判断、诊断计算等处理，输出监测结果。

建设支持试验数据分析的大数据平台，对跨系统采集的数据进行有效存储和管理，支持数据的传递和共享，同时通过对大数据的处理和分析有效支撑设计和测试过程中的各类决策，预测和消除不确定性，为柴油机的工艺技术改进提供决策支撑。

2.4 其他

为提高车间现场查阅工艺文件的直观性，同时利用信息化手段提高对生产计划的管理能力，需通过三维工艺设计技术及制造执行系统(Manufacturing Execution System， MES)，使得对车间生产过程的监控和智能决策成为现实。

柴油机的设计使用三维建模，在生产工艺设计时开发三维工艺技术，从而解决生产工艺设计平台与产品设计平台不统一的问题，实现在柴油机工艺

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开发阶段基于设计三维建模直接进行工艺设计，对整个作业生产过程进行模拟仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个柴油机产品生命周期的新型生产组织方式，实现产品生命周期中设计、制造、组装、物流等各个方面的功能。通过三维工艺设计、组装仿真等软件的实施提升中速柴油机的工艺设计效率及准确性。在虚拟环境下将生产制造过程压缩和提前，并进行评估与检验，从而缩短产品由设计到生产的转化时间，提高产品制造的可靠性和工作效率。

在生产现场布设MES终端，使得对车间生产过程的监控和智能决策成为现实。三维工艺技术在组装现场MES系统上的应用加强了工艺的直观性，降低从设计到生产制造的不确定性。MES系统作为生产现场的信息管理技术载体，使生产过程的监控和智能决策成为现实，可加强对生产现场的管理能力。