中小型船舶的可拆卸性设计技术研究

1、 扭撼 捏研 究 方向 剑 熊基 统 工程 堡迨丛 座 屈 堇 本导 师及 职 称型查 坚 夔 攫 中小型船 舶的 可 拆 卸 性 设 计技 术研 究 ， ， 瑂 ， 琺 ， 篏 图 船 舶主 要 组 成 部 分示 意图 图 图 飞 轮产 品模 型、网 络 图 图 拆 卸序 列 树 及可 行拆 卸序 列 图 飞 轮产 品拆 卸序 列 树 独 创性 声 明或 其 他 教 育 机 构的 学 位 或 证 书 而 使学位 论 文作者签 名：南笤痹签 字日 期： 谒年 耭学位论 文作者签 名；埘工 作单 位 ：通 讯 地址 ： 第 一章绪 论产 品 作 为 人 类 智 慧 的结 晶， 在满 足 人 类

2、需求的同 时， 对其存在环 境 也产 生相 当 的负 面 影响 。 由于 习惯 、技术和经 济等因素 ， 在生 产 、使用和报 废 等生 命周期环 节， 人 们未 能正 确 处 理 或根 本 未 考虑产 品 和环 境 的协 调性 ， 致 使人 类 正面 临越 来 越 大的环 境 压力 ， 由此以保 护 环 境 和可 持 续 发展 为 目标 的“绿色产品 ”生 产理 念 应 运 而生 玔 。 或称 环 境 协 调产 品 ， 是 相 对于 传 统 产 品 而 言。该 阶段主要 对环 境 产 生 破 坏， 并 随产 品 及 使用运 输 方 式 的 则必 然 形成 产 品 生 产 中的资 源净 消 耗

3、， 从而 加快 地 球资 源的枯竭 。 之 一， 因而 绿色设 计可 从源头 上减 少废 弃物 的产 生 。 中小型 船舶环 境 现 状 与 技术研 究 分 析 全球 污染量的 ， 其污染可 分 为 以下 几 个方 面 ：对大气 的污染来 源于 三方 面 。 首 先是 来 源于 所 载 运 的货 物 ， 如 经 水 路 运 输的固体 货 物 如 矿 物 、煤 炭 、散 粮 等所 产 生 的粉 尘 污染； 经 水 路 运 输 的液 体 散 货如 石 油 、化 工 品 、液 化 气 等在转 运 和存储 过 程 中其液 态 散 货 的挥 发、溢 出等所造 成 的大量污染。 其次 大量污染来 源于 船

4、舶的废 气 的排放 。 这 些 废 气 是 运 输 生产 过 程 中燃 烧 排放 和操作 排放 及 焚 烧 设 各的焚 烧 排放 造 成 的。 另 外 ， 大气 污染也来 源于 船用设 备 如 制冷 剂、灭 火 装 置等的化 学 成 分 的挥 发、泄 漏对大气 的污染。 特点。人 们早期关 注 的是 散 油 船和有 毒液 体 的船舶及 其压载 水 的污染， 即货 物 的船舶的机舱 、通 风 系 统 、甲 板 机械、舵 机和推 进 系 统 等所 发生 的噪 声 是 船舶的主要 噪 声 源。 噪 声 级 的大小与 柴 油 机转 数、船舶吨 位 的大小、船舶布 置、柴 油 机质 量及 船舶建造 水

5、平 有 关 。 船舶运 行产 生 的噪 音不仅 影响 船上工 作 人 员 ，而 且严 重影响 在岸边 居 住 人 们的生 活 。 如 据新 闻 晚 报 报 道， 闵 行区的淀 浦河每 天都 会 穿 梭 大大小小的各类 运 输 船只， 这 些 船只不仅 发出刺 耳的噪 音， 更严 重的是 这 些 船只不分 昼夜地 在河上通 行运 输 ， 让 居 民 没 法 正 常休 息。船舶制造 方 式 是 以焊 接 为 主， 加上在结 构设 计中有 不合理 的部 分 ， 使船舶在保 养 、维 修 时产 生 很 大的困 难 。 对报 废 船只的回收 只是 作 最 低 级 材料 回收 ，采用氧 气 切割 方 式

6、， 使部 分 可 重用部 分 及 零 部件 作 为 废 材料 回收 ， 没 有 合理 地重新 利 用， 造 成 对资 源的浪 费。 有 些 船舶在设 计时使用有 毒有 害材料 ， 在报 废拆 卸 对人 和环 境 都 造 成 危 害。 设 置垃 圾 处 理 装 置。 采用吸 声 、隔 声 、消 声 、隔 振 、减 振 设 备 等来 减 少或 杜绝通 过 优 良 的设 计， 船舶的节能效 果可 体 现 在船舶的阻力 小， 而 推 进 效 率 高 。今 后随着 数学 模 型 、仿 生 学 的发展 ， 各种节能型 船会 不断 涌现 。 同 时在船舶动力 装 置、推 进 装 置、发电装 置、照明 装 置

7、， 以及 其他 装 置的设 计、选 型 和应 用中也 要 采用高 效 的节能技术， 如 船舶主机可 以通 过 降 低 油 耗， 革 新 缸 体 材料 ，采用高 效 燃 烧 方 法 等手段达 到 节油 减 污目的。 设 计新 理 念 的提 出 从经 济的角度来 讲 ， 如 何提 高 船舶的快 速 性 ， 一直是 船舶设 计中的核 心问题 之 一， 因此从广义的概 念 讲 ， 快 速 性 也可 以认 为 是 绿色船舶的标 志 之 一。 高效 、低 激 振 、低 噪 声 的推 进 技术仍 然 具 有 很 大的发展 余地 ， 新 式 螺 旋桨 、磁流体 推 进 技术、轴向 涡 轮 泵 推 进 技术等方

8、 面 的研 究 将 有 可 能使船舶的航 速 有 一个快 速 的提高 。 可 实 现 无 烟 燃 烧 ， 超 负 荷 时烟 度接 近于 零 。 试 验表明 ， 为 减 少废 气 污染， 用甲醇 发动 机替代 柴 油 机作 为 “绿色船舶”的动 力 装 置是 可 能的。日 本 已 计划从明 年开始 将 使用高 效 率 的燃 气 轮 机作 为 动 力减 少到 同 功 率 动 力 系 统 的十 分 之 一外 ， 将 把 氧 化 硫的排放 量减 少 、二 氧 化 碳 研 究 ， 建立 一套可 行的绿色规 范和标 准 ， 不仅 有 利 于 保 护 环 境 ， 还可 以使船舶生 产和贸易 活 动 有 章可

9、 循， 有 据可 依 。品 是 绿色产 品 ， 虽然 某 些 船舶产 品 在产 品 的某 些 性 能或 某 些 阶段改 善 了 环 境 协调性 ， 但究 竟 其环 境 协 调性 如 何是 不得而 知 。 为 了 维 护 消 费者的利 益 ， 引导 真正 的绿色消 费， 绿色船舶及 其评 价 体 系 的研 究 也具 有 重要 意 义。 本 课 题 的国 内 外 发展 状 况 甀 提出在产 品 设 计的早期阶段， 就 应 对产 品 生 命 周期质 量加以改 善 ，为 此研 究 了 生 命 周期的集成 设 计工 具 ：设 计描述 及 生 命 周期评 估。 其特 点是 基于 网络 和面 向 维 护 、

10、回收 的评 估方 法 。 根 据产 品 结 构、零 件 之 间 联 接 和评 估方法 开发了 基 于 机的生 命 周期的软 件 ， 其主体 结 构虽尚 不完善 ， 但在以后实 用软 件 的开发中， 上述 概 念 是 基 本 模 型 。 甐 提出了 产品 维 护 过 程 分 析仿 真方 法 。 空间 上可 行的拆 卸 序列 可由拆 卸 时间 、成 本 和人 力 来 分 析 ， 以得到 最 少拆 卸 时间 、成 本 和减 轻劳动 量的目的。 在软 件 的方 面 ， 开发了 工 作 站级 面 向 装 配和拆 卸 设 计系 统 ， 通 过 拆 卸 和装 配过 程 仿 真， 可 在产 品 的早期设 计阶

11、段， 发现 和解 决 产 品 设 计与维 护 中的问题 。 先进 发达 国 家：如 美 国 和日 本 对绿色船舶相 关 技术的研 究 巳有 多 年的历 史 。美 国 在产 品 经 济原 理 中引入 环 境 问 题 起源于 年的国 家环 境 基 本 法 ， 后的最 初的 年， 即 年代 环 境 问 题 还没 有 在国 民 的头 脑 中形成 意 识， 采取 的一些 环 境 限制手段、环 境 保 护 手段、对船舶环 境 产 品 的高 要 求， 也曾遭 到国 民 的抵 制及 和政府的摩擦 。 年代 政府采用与 船东、制造 商、厂家进 行多 方协 议 的方 式 ， 环 境 法 的执 行才有 所 改 善

12、。 直至 年在阿 拉斯加发生 震 惊世 界的 污染等的严 重后果， 自 觉执 行有 关 环 境 条例 。 船上废 弃物 必 须在船上处 理同 时， 日 本 也相 当 重视 海洋 污染的对应 措 施 ， 一方 面 他 们遵 从国 际 海事组 压载 水 舱 有 害水 生 物 对策 游 艇 大气 污染及 噪 音对策 ， 但在形成 一个综 合的集成 体 系 上尚 较少人 涉 及 。 国 际 经 济专 家预 测 绿色产 品 将 成 为 世纪国 际 商品 市 场的主导 产 品 ， 与 绿色产 品 相 关 的技术将 成 为 企业 的行为 规 范【 【 ”。 我 国 制造 企业 生 产 仍 沿 用高 能耗、粗

13、 放 经 营的传 统 工 业 发展 模 式 ， 无 论从单 位 能耗 ， 还是 从产 品 的最 终产 出上与 工 业 发达 国 家都 有 一定 差 距 ， “三废 ”排放 量大， 环 境 污染严 重， 资 源利 用和回收 利 用率 低 【 縖 。 这 种 生 产 模 式 己 不适应 市 场经 济发展 的需求， 且难 以逾越发达 国 家设 置的“绿色”贸易 壁 垒。 另 一方 面 国 内 企业 自 身 还存在较多 与 绿色产品 开发和生 产不相 适应 的因素 ， 主要 有 ：传 统 产品 设 计形成的思维 定 式 ，使产 品 设 计人 员 的环 境 意 识不强 ， 对机电产 品 的绿色性 认 识

14、不足 ； 产 品 自 主开发能力 差 ， 缺 乏 创新 意 识， 新 的环 境 保 护 理 论和方 法 难 以融入 新 产 品 中：缺 乏 系 统 的绿色设 计理 论和设 计方 法 ， 没 有 适宜的绿色产 品 开发支 持 工 具 。本 课 题 以绿色船舶设 计为 最 终目标 ， 选 取 产 品 寿 命 终结 时报 废 回收 为 对象，在对中小型 船舶现 有 设 计和结 构分 析 基 础上， 开展 可 拆 卸 性 分 析 技术的研 究 ，并 对船舶部 分 结 构进 行了 拆 卸 性 能分 析 和再 设 计。 其中主要 研 究 内 容包括： 图 船舶主 要 组成部 分 示 意图 船舶的 设计 一

15、 般 是 按 用 户的 要 求 和 提供 的 参数 ，经 过 计 算，满足 有关 规 范和 相关 的 法 律法 规 ，来确定船体的 各部 分 参数 ，配 置设备 及 设备 选 型和 各种 设求 。燃 油 、 滑油 消 耗 率 低 ； 作安 全可 靠 ； 裼 突 褂 檬 倜 外 型尺 寸 小： 鸲 肷 停 结 构简 单，操 纵 检 修 方 便 ； 鸲 杆 佟 榛 羁 煽 浚 换 向迅 速 ： 主 机 有一 台，也 有两 台。 如选 用 一 台，主 机 放在 船的 中 纵 剖 面 ； 如两 台主 机 ，则 对称放置在 两 侧 。 主 发 电 机 的 输 出功 率 必 须 能 足 够 供 应 船上

16、所 有用 电 设备 和 电 器 的 负 荷 。 选 型时要 参照 主 机 的 选 型原 则。 选 择 各类 泵 的 时候，先 要 进 行有关 计 算，如选 择 消 防泵 时，要 根 据消 防拴的 数 量、 流量、 射 程 等 来定泵 的 流量扬程 。 设备 的 选 择 不 仅 要 符 合 规 范 ，而且要 符 合 有关 的 国 内国 际 法律。 如选 择 油 水 分 离 器 ，最 新 的 国 际 海 洋 防污 染 法 对废 水 的 排 放更 加 严 格 。 因此 对在 海 洋 和 内河 行驶 的 船舶油 水 分 离 器 的 选 择 要 按 照 有关 法 规 进 行。 管 系是 电 器 部 分

17、所 配 置的 设备 须 能 满足 船舶运行的 正 常 要 求 ，且符 合 中 小型船舶典 型结 构设计船舶轴 系，通 常 指 从 主 机 曲 轴 末 端 蚣 跛俪萋 窒 淠 法 兰 开始，到 艉轴 蚵 菪 为 止 的 传 动 装 置。 其 主 要 部 件有推 力 轴 及 轴 承 ，艉 轴 及 艉 轴承 ，人 字 架 轴 承 ，艉 轴 管 及 密 封装 置，各轴 的 联 轴 节等 。 主 机 的 动 力 经 减 速 齿轮箱 或 直 接 传 给 艉 轴 ，艉 轴 运转 带 动 尾轴 上 的 螺 旋 浆 旋 转 ，螺 旋 浆 旋 转 后 产 生的 轴 向推 力通 过 轴 系传 给 推 力轴 承 ，再

18、 由 推 力轴 承 传 给 船体，使船舶前 进 或 后退。 因此 船舶轴 系是 船舶动 力 装 置中 重 要 组成部 分 之 一 。 船舶的 结 构种 类 很多，有常 用 型螺 旋 浆 推 进 装 置轴 系； 可 调 螺 距螺 旋 浆 推 进 装 置轴 系； 正 反 转 螺 旋 浆推 进 装 置轴 系； 可 回转 式 螺 旋 浆 推 进 装 置轴 系等 。 它 们 互相之 间区别很大 ，各不 相同 。 但 就 目 前 我 国 民用 船舶来看 ，除工程 船舶与内河 某 些 小船之 外，大 多数 属 于常 用 型螺 旋 浆 推 进 装 置轴 系。 图 是 一 巡 逻 艇 的 轴 系布置图 。在 民

19、用 船舶中 ，通 常 采 用 单轴 系或 双 轴 系，而客 轮一 般 为 双 轴 系。 单轴 系位 于船中 纵 剖 面 上 ，而双 轴 系则 位 于船的 两 侧 ，并 相互对称。 双 轴 系船舶的 操纵 性 能 比较好，动 力 装 置的 生 命 力 比较强 ，用 于内河 船舶居 多，但 双 轴 系船舶的 结 构复杂，建 造工作量大 ，成本 也 高 。目 前 内河 船舶轴 系的 钢料 牌 号 是 、 和 号 钢，广泛采 用 号 钢。 轴 减 轻 腐蚀 ，滤 网 中 常 设有防腐 锌 块。 图 是 一 海 水 滤 器 的 结 构图 。扩一牡一图 海 水 滤 器 带 有磁性 元 件，可 吸附 介 质

20、 中 的 金 属 屑 。空 气 滤 器 用 于压缩 空 气 系统 中 过 滤 空 气 中 的 杂质 和 尘 埃。 拆 卸 设 计是 绿 色设 计的主要 内 容 之 一 ，是 产品回收 的前 提，良 好的 可 拆 卸性 为绿 色产品的 基 本 要 求。 产品拆 卸 性 能的 好坏 对 产品使 用 过程 的维 护及 废弃淘 汰后 的有 效 回收 、熏用 等 均 具有 重要 意 义。 在绿 色产品集 成化 开发中，利用可 拆卸 性 设 计 分 析，及 早 发现和 改正 设 计问 题，避 免 影响拆 卸 的因素存 在，以 保 证 后 期实物达 的产品结 构本 身 就 隐 含 有 智 能性 的拆 卸 信

21、 息 ，这部 分 信 息 可 以 成为拆 卸 工 艺生成的基 础 。 消 耗 和 外加 动力消 耗 绲 缒 堋 饶 艿 。 拆 卸 单 元 零 部 件所 消 耗 的能量 大小 也是 表 明该零 部 件拆 卸 性 能的 一 个 指 标。 能耗 少，则 该部 分 拆 卸 性 能好。 由 于 机电 产品中广泛 采 用 了多 种 连接 方 式，如 螺 纹 连接 、搭扣 连接 等 的机 械 连接 方 式和 粘 结 、焊接 等 ，因此 其拆 卸 能量 的计算方 法 也 不 同。传 统产品开发考虑 产品零 部 件的 装 配 性 很 多 ，而 很 少考虑 产品的 拆 卸 性 ，但在实际 生产实践 中，产品拆

22、卸 操作无 处不 再 。 特 别 是 对 于 报废产品的 回收 处理，拆 卸 更 为重要 ，报废产品的 零 部 件经过维 修 或 其他 处理方 法 后 可 以 被 重新使 用 ，那么 这些 零 部 件必 须 首先能够 被 拆 卸 下 来。 因此 产品拆 卸 是 回收 再 生的前 提縖 。苫竦 糜 呕 牟 方 峁 笵 基 本 任 务 是 根 据 产品结 构模 型，在各 种 因素约 束下 ，以 成本 、质 量 、环 境 综 合最 优 为目 标，对 产品的 可 拆 卸 性 进 行 分 析和 评价，并寻求优 化 的结 构，为产品拆 卸 性 能的 提高奠 定 基 础 。岣卟 房 芍 圃 旌 涂 晌 訢通

23、过对 产品设 计提出 修 正 意 见，减少不 必 要 的零 件，选 用 优 化 的可 拆 卸 结 构，使 产品制 造装 配 和 使 用 维 护更 加 方便 ： 另 外对 于 在制 造维 护中拆 卸 下 来的 零 部 件，因它们 具有 优 良 的拆 卸 性 能，而 使 零 部 件重用 成为可 能，这样对 降低 成本 、提高效 益 具有 重要 意 义。 !X敖 峁剐义形 ， 性 设 计工 具的 评价。 前 者 通过对 产品开发过程 中各 应 用 环 节 开发活 动的 定 性 指导 ，使 产品设 计本 身 朝 着拆 卸 性 能良 好的 目 标方 向发展；后 者 为量 化 评估，及 进 行 排列 组

24、合，生 成产品拆 卸 顺序 ，用 于 可 拆 卸 性 评价等 开发活 动。 图飞轮 产品模 型、网 络 图飞轮 产品网 络 图邻 接 矩阵表 示 如 下 ： 影响产品拆 卸 顺序 的主要 工 程 语 义信 息 有 ： 动、脱 落或 支 解 ，即装 配 体 仍能保 持 稳定 状 况 。拆 卸 顺序 规划 算法 流 程 如 下 ：；获取关 键 节 点 ：玨 所 有 的边 信 息 甧； 在本 文的 软件研究中采 用 了该方 法 ，实际 应 用 取得良 好的 效 果 。 芯 轴仉褙 ” 图被 配 合约 束螺 栓的 可 行 拆 法 零 件。 映 射 到高斯 球 上 的拆 卸 方 向为了便 于 分 析，下

25、 面给 出 几个 符 号 表 达 约 定 ：， ，琺 ，琲由 下 式计算：示 例 ： 考查 前 述 飞轮 产品，假 定 螺 钉 已 被 拆 卸 ，支 架 头 陕 至 慵的拆 卸 方 向计算如 图所 示 。 对 于 飞轮 零 件捎谒 鐾 有 配 合系亩 灾性 际 ，因此式中： 拆 卸 方 向 推 理的 结 果 是 一 系列 拆 卸 方 向 矢量 集 ，对 于 这些 方 向是 否 可 行 ，还 需 实施 干涉 检验 ，即确 定 在这些 拆 卸 方 向是 否 存 干涉 零 件，若不 存 在则 方 向才 是 可 行 拆 卸 方 向。 为实施 方 向干蚍 B掷 # 瑆为方 向，目 标件 丁一 投 影平山

26、 傲影轮廓奇； 扫 描 方 向曲卸方 向 产品可 拆卸 性 评价 可 能越少。等 的分 析。 由 于 目 前 的产品拆 卸 以 人 工 为主，拆 卸 成本 分 析通常采 用 经验 法 实拆 卸 时 间和 成本 的评价，所 涉 及 指 标数 据 易定 量 化 ，可 采 用 实验 或 直 接 数 学 模度 ，采 用 最 小 零 件数 、拆 卸 时 间和 拆 卸 成本 三个 度 量 标准 ，构建可 拆 卸 性 评价 过盈 质 量 质 量 总 拆 卸 时 间时 间： 慵 拆 卸 搬 运时 间首先根 据 拆 卸 实际 工 况 ，确 定 单 位 时 间人 工 拆 卸费 用 ；其次 将 单 位 费 用 同总

27、 拆 卸 时 间求积 ，则 得到总拆卸 费 用 ，即： 表 飞轮 产品可 拆 卸 性 评价结 果加 产品数 据 和 开发过程 管 理的 复 杂 性 ，甚 至 可 能导 致系统 混乱 。 因此 在本 论 文 产品可 拆 卸 性 评价结 果设 计效 率目 。 一 第 四章 中小型船舶拆卸 性能 实 例 分 析 表 冷凝器 部件全拆卸 优 化 工 艺流 程根 据 步 骤 的 结 果 ，对 冷凝器 实 施 虚 拟 拆卸 和 装 配 ，得 到 评 价 结 果 如 表故 应 对 翅 片 重新 设 计，以解决拆卸 时间长和 无 破坏拆卸 难的 问 题 。 。 ，笔 薯 曩筵嚣麓獭撇。 撕 砌表嘲嘲嘲为 竺

28、要竺 兰 壁 堡 堡 塑可拆卸 性评 价 结 果 表 轴 系 网络 图 模型包 含 的 主要 信息 所 示 的 全拆卸 优 化 工 艺流 程 。表 轴 系 螺旋浆 拆卸 优 化 工 艺流 程板 手板 手小锤板 手无 ， ， ， ，根 据 步 骤 的 结 果 ，对 螺旋浆 实 施 虚 拟 拆卸 和 装 配 ，得 到 评 价 结 果 如 表 一一一 、巴 鼍 赫辜薹 銎奎 雪薹 二。 表 改 进后 轴 系 网络 图 模型包 含 的 主要 信息表 改 进后 轴 系 拆卸 优 化 工 艺流 程无无无无无无无零件数实 际 拆卸 零件总数 ： 设 计效率 实 际 拆卸 零件总数 ： 改 进后 ： 原 来 螺栓 孔改 成 槽 型，螺栓 用 蝶 形 螺栓 。实 际 拆卸 零件总数 ： 设计效率口。矿 针列 船 舶 类 机 电 产 品结构 特 点，论 文 进行 可拆 卸 性 设 计研 究 ，提 出了 基 于工 程 语 义 的 拆 卸 顺 序 规划 、 基 于装 配 约束 的 方 向 推理 和基 于实 验数 据 的 可拆 卸性 评价算法，以及 基 于图 表 反