水下沉船打捞装置的弧形梁加工工装及工艺

周轶赟，张凤武，李忠杰

上海电气核电集团有限公司 上海 201306

1 序言

“长江口二号”古沉船位于长江入海口处的海床下，被海底淤泥整体覆盖。为了开展古沉船的保护工作和文物考古工作，须完整地保护好整条古船及船上的各类文物。因此，在打捞整个古沉船的过程中，为使其不被损坏，采用了世界首创的非接触式整体打捞古沉船的方式[1]。作为整个打捞沉船过程中的关键打捞设备，该装置主要由两侧的端板、顶梁、始发机架和弧形梁等部件组成，结构如图1所示。

图1 水下沉船打捞装置结构示意

在打捞沉船时，弧形梁部件将预先安装在发射架内部，在始发机架内的电动机带动齿轮，推动弧形梁沿着始发机架的圆弧齿条和圆弧滚轮面进行回转中心旋转运动，穿过了整个古沉船的底部，若干个弧形梁相互连接成了一体，并包裹住了整条沉船，弧形梁之间的连接结构如图2所示[2]。最后，通过起吊梁，将所有弧形梁连同沉船一起从水下打捞出水。

图2 弧形梁连接结构示意

2 弧形梁部件介绍

弧形梁部件为大型弧形梁钢结构焊接件，材料Q355B，呈半圆形结构，直径约20m，弧形梁的横截面为矩形框架梁结构，横截面外形尺寸约1m×2m，本装置共有20多个同样尺寸规格的弧形梁，弧形梁部件的结构如图3所示。

图3 弧形梁部件结构示意

3 加工制造精度要求

为了保证整个弧形梁能够顺利地运行工作，加工制造上对弧形梁加工制造精度要求就非常高，要求焊接后，内外圆弧、上下平面的尺寸公差和几何公差须控制在±5mm以内；机械加工后，内外弧滚轮槽的圆弧直径尺寸精度和上下平面弧板公母锁扣安装槽面之间的距离尺寸精度须控制在±0.4mm以内；上下平面弧板的公母锁扣安装槽安装面和内外弧板的滚轮导向槽安装面，二者的垂直度公差控制在±0.4mm以内，内外弧的上下滚轮槽安装面的圆弧同轴度控制在±0.4mm以内[3]。

4 焊接定位工装和焊接工艺

（1）焊接工装 为了解决打捞装置这一核心弧形梁部件的焊接制造精度要求，减少焊接变形量，使弧形梁焊接结构件上的待加工面加工余量小且加工余量均匀，易于后续配合安装面的机械加工，各弧形梁的尺寸精度特别是弧面圆度焊接后控制在±5mm。设计了一套专用的弧形梁部件的焊接装夹定位工装，如图4所示。

图4 焊接装夹定位工装

焊接工装概述：在水平地面上设置一基点，垂直于地面设置中心轴，作为沉船打捞弧形梁焊接工装的测量基点，工装与零件以靠近中心轴的一侧为内侧，远离中心轴的一侧为外侧。以中心轴为圆心，放射状地铺设多条径向支撑梁，在部分实例中径向支撑梁设置为8条，各径向支撑梁以等间距排布为半圆形。径向支撑梁设置有两层，包括底部径向支撑梁和顶部径向支撑梁，纵向支撑梁和倾斜加强筋连接底部径向支撑梁，顶部径向支撑梁提供纵向支撑。在径向支撑梁上设置内侧定位块与外侧定位块，其中，底部内侧定位块、底部外侧定位块设置在底部径向支撑梁上，顶部内侧定位块、顶部外侧定位块设置在顶部径向支撑梁上。底部内侧定位块、顶部内侧定位块的外端面到中心轴的距离等于弧形梁内弧面内表面处的半径；底部外侧定位块、顶部外侧定位块的内端面到中心轴的距离等于弧形梁外弧板外表面处的半径；上述误差控制在0.5mm范围内。

（2）焊接工艺 焊接主要工艺方法如下所述。

1）利用激光切割设备裁切板材，进行下平面弧板子件、内弧板的子件、外弧板的子件、上平面弧板及内部加强筋板下料，尺寸精度控制在0.5mm以内。利用卷板机进行卷板加工，其弧面圆度控制在3mm以内。

2）依次吊装下平面弧板子件、内弧板的子件、外弧板的子件、上平面弧板及内部加强筋板，到底部径向支撑梁上，各部件点焊固定后，利用三维激光检测仪进行圆弧精度复检，在具体实施中，采用液压千斤顶对超差部位进行机械校正或利用加热的方式进行火焰校正，以消除尺寸误差。

3）在具体实施中，对下平面弧板、上平面弧板的平面度进行控制和校核，在吊装和焊接下平面弧板、上平面弧板的各子件时使用三维激光检测仪和水平仪进行平面度复检，并对平面度超出1mm的区域进行尺寸校正。

4）入库前，利用三维激光检测仪和水平仪对弧形梁整体进行圆弧精度和平面度的最终复测。

5 机械加工装夹定位工装

为了解决打捞装置这一核心弧形梁部件的制造精度要求以及批量加工的问题，特设计了一套弧形梁部件的加工装夹定位工装，如图5、图6所示。

图5 弧形梁装夹定位工装

图6 弧形梁装夹形式

装夹定位工装主要结构特点如下所述。

1）弧形梁的加工使用回转加工直径达20m的立式车床，工作台的台面直径10m，刀架的行程达9.5m。以工作台的回转中心为基准，沿径向布有8条径向支撑梁，长度11m，伸出工作台，支撑梁由外圈和内圈连接梁连接，使得8条径向支撑梁形成一个整体，可以一次性装夹2节弧形梁，很好地保证了加工工装的刚性。

2）径向支撑梁的上部，设有一个内弧面定位凸台和一个外弧面定位凸台，使得弧形梁零件的回转中心和内、外两弧面定位凸台回转中心三者同心。内弧面定位凸台到工作台回转中心的距离等于弧形梁公母锁扣槽内弧的半径值，外弧面定位凸台到工作台回转中心的距离等于弧形梁上公母锁扣槽外弧的半径值。

3）径向支撑梁的上部，安装有一个径向卡钳，位于弧形梁内弧面的一侧，径向卡钳不仅可以来回伸缩，还可以沿径向夹紧放松弧形梁。还安装有一个测顶工装，位于弧形梁外弧面的一侧，测顶工装也可以来回伸缩，以及沿径向夹紧放松弧形梁。并放置有2个液压千斤顶，位于内外弧面定位凸台中间的位置，可以上下调节弧形梁的高低位置。

6 机械加工工艺

弧形梁部件的加工工艺方法如下所述。

1）将弧形梁工装吊放在加工直径达20m的立式车床工作台上，安装调试到位，把合工作台上的T形压紧螺栓，固定好弧形梁工装。

2）在机床上车削加工出工装上的内外弧面定位凸台，工装上的内外弧面定位凸台到回转中心的距离分别等于弧形梁内外弧面的半径值。

3）以弧形梁的上平面和内外弧面为工艺基准，旋转工作台，临床打表上平面和内外弧面，根据打表的测量数值，使用径向卡钳，测顶工装来回调整弧形梁的径向位置，使弧形梁的回转中心与工作台的回转中心保持一致；使用液压千斤顶略微调整弧形梁的水平面精度，使弧形梁的水平面与工作台的水平面平行。

4）临时焊接2块弧形梁连接板，将弧形梁的两端头连接成一个整体，防止弧形梁在加工时出现间断切削现象。

5）分别采用粗车、半精车、精车三道机械加工工序，切削加工出弧形梁下平面的3条圆弧槽和内外侧面上部的2条圆弧槽。在整个车削加工过程中，需多次测量圆弧槽的尺寸。

6）在粗车和精车后，使用三维激光测量仪设备，检测弧形梁的圆弧槽尺寸大小、各个圆弧槽的同轴度值，以及下平面的3条圆弧槽与内、外两侧面上部2条圆弧槽的垂直度。

7）拆去弧形梁两端的连接梁，吊下弧形梁，并进行翻转。

8）复检，临床打表，检测弧形梁的圆弧精度和水平精度。

9）按上述同样的加工方法，完成车削加工弧形梁上平面的3条圆弧槽和内外侧面的剩下的2条圆弧槽。

10）拆去弧形梁两端的连接梁，清理，去毛刺，终检合格后，弧形梁包装入库。

车间现场加工情况如图7所示。

图7 弧形梁现场加工

通过使用弧形梁机械加工工装，可以高效、精准地完成弧形梁的定位、安装工作，可以一次性安装2个弧形梁，大大提升了弧形梁的加工效率。

7 结束语

“长江口二号”古沉船水下沉船打捞装置中的核心部件弧形梁，作为一个超大型的焊接结构件，加工制造精度要求高，在实际生产制造过程中，使用上述装夹定位工装和加工制造工艺，不仅保证加工后的每个弧形梁都保持高度的加工尺寸一致性，各项加工精度满足设计要求，并且加工后的弧形梁在水下沉船打捞装置得到了实际的运行工作，圆满地完成了打捞沉船工作，直接证实整套弧形梁部件的加工工艺方法可行，加工工装结构合理，大大提升了弧形梁的生产效率。