Куркин С.А. - Технология, механизация и автоматизация производства сварных конструкций

6. КОРПУСНЫЕ КОНСТРУКЦИИ (ЛИСТЫ 186... 200)

ПОЯСНЕНИЯ К ЛИСТАМ 186 ... 200

ВАГОНЫ

Характерными представителями этого типа конструкций являются кузова цельнометаллических вагонов, корпуса судов и кузова автомобилей. Общим для них является использование плоских или криволинейных полотнищ с последующим объединением в жесткую пространственную конструкцию, способную воспринимать статические, вибрационные и динамические нагрузки.

Изготовление кузова пассажирского вагона (листы 186 , 188).

Кузов пассажирского вагона (лист 186, рис. 1, а) имеет решетку-основу 2, полностью закрытую наружной тонколистовой обшивкой 1. Местная жесткость листовой обшивки увеличивается созданием гофров (рис. 1, б). При этом повышается устойчивость тонкостенных элементов под нагрузкой и снижается их коробление от сварки. Кузов вагона собирают и сваривают из предварительно изготовленных крупногабаритных узлов: крыши, бокоых стен, настила пола, концевых и тамбурных стен.

Плоские узлы вагона — боковые стенки и настил пола — собирают на специальных стендах 2 (рис. 2) , обслуживаемых двумя сборочными порталами 4 и сварочной машиной 1. Во время работы сварочной машины на одном из стендов на другом стенде производится сборка следующего узла. Обшивку укладывают на стенд по фиксаторам 3. Раскладку, прижим и прихватку элементов жесткости в виде гнутых Z-образных профилей производят при помощи перемещаемого по рельсам сборочного портала 2 (рис. 3), на кронштейнах 6 которого расположены элементы жесткости, например, стойки. Фиксированное положение портала в месте укладки элементов жесткости задается с помощью щупов 7, призм 8 и пневмоцилиндров 1. Проектное положение очередного элемента жесткости задают механизмы 3 и 5 поворотом упоров 11 и 13 коромыслами 70 и 12 с помощью пневмоцилиндров. Пневмоцилиндры 4 траверсами 9 прижимают элементы к обшивке. После постановки прихваток пневмоцилиндры выключают и сборочный портал перемещают в новое положение.

Приварку элементов жесткости к обшивке осуществляют контактной двуточечной машиной с двусторонним подводом тока (лист 187, рис. 4). Поэтому собранный на прихватках плоский узел приподнимают над поверхностью сборочного стенда подъемными опорами 5 (рис.5) .По мере выполнения сварки и перемещения портальной точечной машины 1 штанги управления 2, встречая на своем пути краны 3 и 4 пневматической системы, автоматически убирают опоры 5. При этом изделие поддерживается роликами 6, установленными на машине. После прохождения машины опоры стенда снова поднимаются.

Крыша вагона состоит из выпуклого листового полотнища 1 (рис. 7, а) с гофрами и элементов жесткости 2 Z-об-разного сечения. Листовое полотнище сваривают из отдельных листов 1 и 2 (рис. 7,6).

Сборка и сварка крыши вагона секциями позволяет сократить производственные площади. При производстве электровагонов крышу собирают из трех секций 7 (рис.6) . Полотнище секции собирают на столе стенда 3, где по фиксаторам укладывают средний лист 2 и два боковых листа 1. Нахлесточное соединение листов выполняют автоматической дуговой сваркой на медной подкладке. Для прижатия кромок нахлестки и перемещения сварочного аппарата используют передвижной портал 4. На раме 1 (рис. 8) портала размещаются пневмоприжимы с траверсами 2, которыми осуществляют поджим листов. Движение сварочного аппарата происходит по направляющим 4. Перемещение портала обеспечивается механизмом 3. На стапеле б (рис. 6) раскладывают дуги крыши по медным шинам дуг стапеля. На них укладывают сваренное полотнище 5, которое приваривают к дугам односторонней контактной сваркой двухэлектродной машиной (лист 188, рис. 9), перемещающейся по направляющим портала 8 (лист 187, рис. 6). Портал перемещается от дуги к дуге с точной установкой его во время сварки. Секции 1 крыши свариваются поочередно; во время сварки одной секции другую собирают.

Для того чтобы иметь возможность приварить элементы жесткости к полотнищу крыши на боковых криволинейных участках, используют сварочную точечную машину, состоящую из двух сочлененных кареток 1 (лист 188, рис. 12, а) с общей осью, по обе стороны от которой расположены электроды 2. Привод при сжатии каждого электрода снабжен дополнительным цилиндром 2 (рис. 12,6), осуществляющим поджатие свариваемых деталей. Шток цилиндра 1, придавливающего электрод, проходит внутри штока дополнительного цилиндра.

Для исключения переналадок при сборке и сварке секций крыш различных размеров вагонов различной конструкции используют стапель (рис. 11) .содержащий сам сходную контактную машину 1 портального типа и стенды различной конструкции. Один из стендов 2, служащий для установки свариваемой конструкции минимальной кривизны и максимальных габаритов, принятый за базовый, выполнен неподвижным. Другие стенды 3 и 4 снабжены подвижными в поперечном направлении и поворотными в поперечной плоскости приводными рамами4 (рис. 10) с катками 2 и направляющей б для катков. Рама удерживается в положении для сварки пневмоцилиндром 1 с роликом 5, входящим в прорезь планки 3.

266

Изготовление кузова товарного вагона (листы 189, 190).

Магистральные грузовые полувагоны изготовляют в условиях крупносерийного производства на линиях с комплексной механизацией и автоматизацией процессов. Обшивку боковой стенки (лист 189, рис. 1) собирают внахлестку из двух л истов, имеющих продольные выштамповки — гофры (рис. 2) , и сваривают дуговой сваркой. Каркас боковой стенки собирают и сваривают тоже дуговой сваркой в полуавтоматической линии. На ее первую позицию автооператор подает набор балочных элементов, входящих в состав каркаса. Заданную геометрию каркаса обеспечивает система упоров, фиксаторов и пневмоприжимов. На второй позиции производится механизированная сварка каркаса с одной стороны, на третьей -сварка с другой стороны после поворота каркаса на 90° с помощью двустоечного кантователя. По обе стороны от полуавтоматической линии сборки и сварки каркаса расположены две автоматические линии сборки и сварки обшивки. Полностью сваренный каркас автооператор переносит или на одну, или на другую параллельную линию (по очереди) и укладывает его поверх готовой обшивки, после чего производят сборку и прихватку. Затем также поочередно собранные боковые стенки возвращаются на центральную линию для приварки каркаса боковой стенки к обшивке точечной контактной сваркой. Распо-

ложение сварных точек показано на рис. 2. Для точечной контактной сварки используют комплекс двухэлектродных машин, расположенных в линии, имеющей две позиции (рис. 3). На позиции I выполняется сварка продольных точечных швов, приваривающих обшивку к верхней и нижней обвязкам, а на позиции II

— сварка поперечных рядов точек, соединяющих обшивку с промежуточными и угловыми стойками. Поперечное сечение транспортирующего устройства на позиции I линии показано на рис. 5 (лист 190).

Боковая стенка 1 продвигается вдоль направляющих 3 гидравлическим приводом, преодолевающим силы трения, с помощью собачки 2. Блок цилиндров 4 гидравлического привода расположен в балке-толкателе 5. На позиции I (лист 189, рис. 3) с каждой стороны транспортирующего устройства размещено по четыре контактных машины 2, имеющих механизм поперечного возвратно-поступательного перемещения. На общем виде такого контактного передвижного агрегата (лист 190, рис. 6) показан механизм 1 поперечного перемещения контактной машины 2 по направляющим 3 с двумя сварочными головками 4. Этот механизм осуществляет выдвижение электродов 5 на линию точечного шва и отвод их в исходное положение. Продольная подача боковой стенки совершается по программе, учитывающей расположение точечных машин и топографию размещения точек. Балка-толкатель 4 (лист 190, рис. 4, б), перемещаясь в направляющих, упирается подпружиненной собачкой 2 в промежуточную стойку 3 боковой стенки 1 и продвигает ее в процессе сварки и при передаче с позиции I на позицию II. Движение балки-толкателя задается встроенным в нее блоком цилиндров 5, схематически показанным на рис. 4, а. Шток нижнего гидроцилиндра закреплен на основании неподвижно.

При подаче масла в полости А и А1 блок цилиндров, а также шток верхнего гидроцилиндра будут двигаться влево. Их общий ход равен сумме ходов верхнего и нижнего гидроцилиндров и составляет 8750 мм. При подаче масла в полости Б и Б1 цилиндры вместе с балкой-толкателем возвращаются в исходное положение, а собачка толкателя поворачивается вокруг своей оси и проходит под изделием.

Работа на позиции I (лист 189, рис. 3) происходит следующим образом. Толкатель со скоростью 100 мм/с совершает холостой ход на 270 мм, подавая боковую стенку 7 в зону сварки. После выхода сварочных агрегатов на линию точек верхней и нижней обвязок производится сварка с автоматической шаговой подачей на расстояния, кратные шагу точек, а также на расстояния, необходимые для перехода электродов через промежуточные стойки. Суммарный рабочий ход на 3410 мм дополняется быстрым перемещением боковой стенки со скоростью 300 мм/с на 5340 мм. Затем толкатель со скоростью 600 мм/с возвращается в исходное положение и ходом на 8750 мм продвигает боковую стенку в направляющие транспортирующего устройства позиции II.

На позиции II восемь двухэлектродных контактных машин 3 расположены с трех сторон боковой стенки 4. Транспортирующее устройство имеет три тележки, перемещающиеся в поперечном направлении. Эти тележки кинематически связаны с уравнительным механизмом, исключающим возможность перекоса боковой стенки при ее поперечной подаче. Движение тележек в прямом и обратном направлениях осуществляется по программе с помощью гидроцилиндров. Поступившая с позиции I стенка подается в поперечном направлении в зону сварки на 1920 мм со скоростью 300 мм/с. В процессе выполнения точечных швов транспортирующее устройство обеспечивает автоматическую шаговую подачу на длине

1540 мм в прямом, а затем в обратном направлении. Для исключения смещения точечного шва от номинального положения у точечных машин, приваривающих поперечные стойки, предусмотрено пневматическое устройство, поворачивающее каждую машину на ее опоре для автоматического направления электродов по ряду точек. После завершения сварки изделие возвращается в исходное положение и передается на поточную линию доделочных операций и технического контроля.

КОРПУСА СУДОВ

Узлы корпуса (лист 191) .

Корпуса судов выпускают исключительно в цельносварном исполнении. Корпус (рис. 1) имеет наружную обшивку 1, верхнюю 5 и нижнюю 10 палубы, продольные 9 и поперечные 7 перегородки, выполненные из листовых элементов и соединенные герметичными швами. Общая и местная жесткость обеспечивается приваркой различных прокатных и сварных балочных элементов: флор 8, шпангоутов 3, бортовых стрингеров 2, бимсов 4, вертикального киля 6.

267

Большое число пересекающихся элементов, в особенности в сочетании с требованием прочности и герметичности их сочленений, вызывает необходимость определенного конструктивного оформления соединений и узлов (рис. 2 ... 5) . Так, например, соединение продольных и поперечных балок (при отсутствии требования непроницаемости) рекомендуется выполнять с помощью нахлесточных заделок (рис. 4). Использование такого конструктивного оформления соединения обеспечивает необходимый уровень работоспособности конструкции при действии переменных эксплуатационных нагрузок, способствуя одновременно значительному снижению трудоемкости сборочно-сварочных работ.

В основе существующих методов постройки судов лежит предварительное изготовление частей корпуса судна в виде сборочных элементов, секций и блоков. Разбивку корпуса на элементы, секции и блоки производят в зависимости от конструкции с учетом выполнения возможно большего объема сборочносварочных работ в условиях цеха при их максимальной механизации, а также с учетом грузоподъемности кранов и транспортных средств и особенностей приемов сборки на стапеле.

Увеличение размеров судов, упрощение формы обводов и унификация однотипных конструкций способствовали широкому использованию модульного метода постройки судов. Сущность модульного метода

— комплектование разнообразных сложных нестандартных изделий из первичных общих элементов (модулей) небольшого, экономически обоснованного числа типов и типоразмеров. Такой подход особенно характерен для крупнотоннажных танкеров. Он позволяет разбить корпус на плоские секции, суммарная масса которых достигает 80 ... 85 % общей массы корпуса. При этом появляется возможность каждый модуль изготовлять на соответствующей позиции той или иной поточной линии, а судно не строить, а собирать на предпусковой позиции.

Высокая степень унификации достигнута, например, в судах типа"Борис Бутома" дедвейтом 100 000 т, средняя часть которых собирается из конструктивных модуль-блоков (КМБ) и модуль-секций (КМС), как показано на рис. 7 листа 191 и рис. 3 листа 192. В связи с тем, что масса такого модуль-блока превышает грузоподъемность существующего кранового оборудования, он, в свою очередь, разбит на несколько типовых конструкций, изготовляемых в сборочно-сварочном цехе или на преддоковой площадке. Положительный опыт создания судов этого типа нашел дальнейшее развитие при создании танкеров типа "Победа" дедвейтом 65 000 т, средняя часть которых также разбита на блоки, представляющие собой отсек судна полного поперечного сечения (рис. 6) .

Модульные конструкции судов (лист 192)

.Схемы выделения конструктивных модулей (КМ) в составе корпусов судов, простых по техническому решению, представлены на рис. 2, а, б, в. Все танкеры (рис. 2,а) представляют собой гладкопалубные суда без погиби и седловатости палубы с двойным дном и двумя плоскими продольными переборками (рис. 3). Изменение геометрических характеристик танкеров при переходе от типоразмеров КФМ1 к типоразмерам КФМП ... КФМУ наглядно показано на рис. 4. Все нефтерудовозы (рис. 1 и 2,6) по архитектурноконструктивному типу аналогичны танкерам. Конструкции бортовых танков и днищевых секций танкеров и нефтерудовозов отличаются только толщинами листов и номерами профилей набора.

Базовые элементы и схемы их сборки (лист 193). Пример разбивки средней части 1 корпуса судна на блоки 2 и секции 3, 4, 5, б с характерными размерами L, ∆L, В, Bс, Н, Нс представлен на рис. 1. Здесь же показаны монтажный стык между блоками и места соединения секций (цифрами в кружках). При изготовлении предусматривается процесс объединения плоских секций 7 ... 8 (рис. 2) в укрупненные секции 9, 10, 11 с последующей их сборкой в пространственный блок.

Большинство сборочных элементов состоит из простых листовых деталей или из прокатных и составных балок, имеющих обычно сечение тавра. При этом используют листовой прокат из низколегированных сталей с пределом текучести 300 ... 350 МПа с размерами листов 3200 х 12000 мм, гофрированные листы для выгородок и симметричный полособульбовый профиль, предварительно разрезаемый на две части с помощью газорезательных машин.

При изготовлении плоских секций обычно используют способ раздельной сборки и сварки продольного и поперечного набора (рис. 3), позволяющий увеличить объем сварки, выполняемый автоматами. На листовой элемент 1 устанавливают и приваривают автоматами балки 2 набора главного направления. Полученные секции 3 собирают в панель 4. Затем на эту панель устанавливают предварительно собранные и сваренные из стенки 5 и полки 6 элементы другого направления и приваривают к полотнищу полуавтоматами, а соединение наборов разных направлений между собой выполняют полуавтоматами в последнюю очередь. При этом вертикальные швы пересекающихся элементов наборов в поточных линиях сваривают специальными четырехголовочными установками в СО2 или с использованием гравитационной сварки удлиненными электродами.

Линии изготовления плоских секций (лист 194) .

Для сборки и сварки листовых полотнищ нередко используют несложные поточные линии (рис. 3). Очередной лист с позиции 2 листоукладчиком 1 подают на сборочную позицию 3 поточной линии, где его на прихватках присоединяют к ранее собранной части полотнища. Одновременно собранный до этого стык подвергается сварке под флюсом на портальной установке 4. Затем опирающееся на ролики 6 полотнище транспортерным устройством 5 перемещают на шаг, и цикл повторяется. Траверса 7 с захватами служит для съема сваренного полотнища с помощью крана.

Огромный объем работ по изготовлению полотнищ и плоских секций заставляет использовать ком- плексно-механизированные линии с универсальным оборудованием, обеспечивающим выпуск изделий широкого диапазона и типоразмеров.

268

Характерный пример такой линии показан на рис. 1. Наличие большого числа неприводных роликов, во-первых, создает опорную поверхность для укладки собираемых и свариваемых элементов, а во-вторых, облегчает их передачу с одной позиции на другую. На позиции I листы из пакета по одному краном 1 подают на место сборки 2, оборудованное плоской подкладкой, по обе стороны которой располагаются магниты для прижатия кромок в вертикальном направлении. Кроме того, предусмотрены прижимы в плоскости листов для выравнивания стыка в продольном направлении. После прихватки очередного стыка полотнище сдвигают на ширину очередного листа, продолжая формировать его методом последовательного наращивания. Затем приводные каретки 3, перемещающиеся по направляющим вдоль одной стороны линии, захватывают кромку собранного полотнища и транспортируют его на позицию П сварки. Самоходный портал 4, перемещаясь по рельсам вдоль линии, выводит сварочную головку 5 на стык и обеспечивает ее переход с одного стыка на другой. Вдоль стыка головка движется по направляющим портала.

После сварки полотнища под флюсом с одной стороны его транспортируют на позицию Ш для переворота на 180°. При кантовке кран 7 поднимает одну кромку полотнища, а противоположную кромку передвигают в горизонтальном направлении специальные упоры б, движущиеся по направляющим. Перевернутое полотнище возвращают на позицию П для сварки с обратной стороны, а затем транспортируют на позицию V для термической обрезки кромок. Резку осуществляют одновременно с двух сторон полотнища в направлении вдоль линии при движении портала 8 по рельсам. В случае необходимости обрезки другой пары кромок полотнище транспортируют в обратном направлении на позицию IV, где его приподнимают и поворачивают на 90° вокруг вертикальной оси, а затем возвращают на позицию V.

Готовое полотнище поступает на позицию VI для сборки с набором главного направления. Для этого на позиции VII элементы набора краном 14 по одному укладывают на цепи транспортирующего устройства, используемого в качестве магазина. При выходе с транспортирующего устройства 13 ребро элемента набора переводится из горизонтального положения в вертикальное и с помощью специальной транспортирующей тележки 12 подается поперек основной линии ниже направляющих неподвижного сварочного портала 10. Затем элемент набора опускается на поверхность ранее поданного полотнища, прижимается к нему во многих местах прижимами балки портала и сваривается одновременно двумя угловыми швами наклонными электродами двух сварочных головок 9, перемещающихся по направляющим портала. Точное расположение первого элемента набора и шаг между элементами задается автоматически соответствующей настройкой устройства, транспортирующего полотнище.

Готовая плоская секция выдается на позицию VIII, где ее приподнимают над поверхностью опорных роликов гидравлическими подъемниками 11, расположенными по обеим сторонам линии, и опускают на многоосную тележку 15 для транспортирования к месту дальнейшей сборки.

На японских верфях используют иную технологию изготовления плоских секций. Как видно на схеме (рис. 2) , сборку решетки набора осуществляют на позиции I, сваривая автоматами 1 угловые сочленения между элементами. Одновременно на позиции III собирают полотнище, выполняя стыковые соединения односторонней сваркой на медной подкладке. Сборка секции завершается на позиции II установкой решетки набора на полотнище с последующей приваркой ее методом гравитационной сварки на позиции IV.

В судостроении имеются примеры успешного применения роботов для дуговой сварки. Так, при использовании робота "Apprentice" фирмы "Unimation" оператор вручную проводит руку робота по траектории сварки, программное устройство запоминает этот путь и затем, после снятия головки обучения, робот производит сварку по заданной программе. Особенностью робота является то, что скорость движения руки при его обучении не зависит от скорости сварки. Проведенные в Ленинградском кораблестроительном институте исследования показали эффективность использования такого робота при сварке ячеистых корпусных конструкций. Другим примером является разработанная и применяемая на судоверфи фирмы "Mitsubishi" транспортная система с роботом для приварки продольного и поперечного набора к полотнищам плоских секций. Робот пригоден для одновременного управления десятью сварочными аппаратами, каждый из которых выполняет горизонтальные угловые швы по периметру ячейки, образуемой набором.

Сборка и сварка объемных секций (лист 195).

Для сборки секций (рис. 1) с погибью используют постели (рис. 2), образуемые набором лекал, закрепленных на жестком основании и воспроизводящих обводы изготовляемой секции. Рабочую кромку лекал делают в виде гребенки, в местах сварных швов предусматривают вырезы. Листы обшивки собирают с минимальными зазорами, прихватывают друг к другу и крепят к лекалам постели. Сварку стыков выполняют на весу автоматами под флюсом. Затем производят сборку и приварку набора, элементов -жесткости, устанавливают и приваривают полотнище второго дна, сваренное отдельно. Для удобства выполнения швов автоматической сваркой под флюсом постели иногда снабжают флюсовыми подушками, а также делают их наклоняющимися или поворотными. После завершения сварки секции обшивку освобождают от закреплений, секцию снимают с постели. Если сварка секции производи-ласть без поворота постели, то секцию кантуют, огневой строжкой зачищают корни стыковых швов обшивки и производят их подварку.

Так как стоимость специальных постелей, обеспечивающих изготовление секции только определенного типоразмера, велика, широкое распространение получили разборные универсальные постели. Разборные постели (рис.3) для секций разных размеров и форм собирают из типовых элементов. Предварительная настройка на требуемую кривизну днища производится перестановкой боковых подле-кальников 2 и поворотом секций 3 на необходимый угол. После, Э.ГОГО по плазовым таблицам осуществляют настройку телескопических регулируемых стоек I.

Кантовку корпусных секций для подварки корней стыковых швов можно осуществлять с помощью двух мостовых кранов 1, 2 (рис.4,а) и четырех тумб 3 с блоками 4. Из исходного положения секцию 5 одновременно двумя кранами сначала поднимают на небольшую высоту, затем путем подъема и продольного

269