武進偉
0 引言升船機是輪船快速過壩通道，提高樞紐航運的通過能力，保障樞紐通航質量的關鍵設備。目前，該齒輪齒條爬昇平衡重式垂直升船機其過船能力為3 000 t 級，最大提升高度113 m，具有提升高度大、提升質量大的特點，是目前世界上技術難度和規模較大的升船機。螺母柱是該升船機安全保證系統的關鍵構件，共有4 套組，其對稱安裝在4 個塔柱的凹槽內，在塔柱高度方向上連續鋪設，用於向混凝土塔柱傳遞船廂的不平衡載荷。螺母柱由2 個無連接、相對布置、中徑圓圓心重合的螺母柱片構成。2 片螺母柱片的結構形式，設備組成及尺寸完全相同，但安裝高程有所不同，其中一條螺母柱片的安裝高程為59.665 ～ 184.850 m，另一條螺母柱片的安裝高程較之高半個螺距即225 mm。每套螺母柱由26 對螺母柱組成，總高度125.185 m。升船機正常運轉時，安全機構的旋轉螺杆在螺母柱內以與驅動機構相同的速度升降，螺杆與螺母柱的螺紋副上、下均保持一定的間隙，避免船廂正常升降時螺紋副接觸。當負責傳遞動力的齒輪齒條出現問題或檢修時，螺杆與螺母柱相接觸，並實現自鎖，保證船箱平衡，防止傾翻，故對螺母柱的製造以及安裝精度要求極高。
1 螺母柱廠內預拼裝難點為保證螺母柱本身以及與相鄰的同高程齒條間的相對製造和安裝精度，要求所有螺母柱出廠前都必須進行預拼裝，以檢驗螺母柱的製造、安裝精度，如圖1 所示。
1）體積大，質量大，批量大，工藝複雜。該產品共4 套，每套螺母柱由26 對螺母柱片組成，每對2 片，每片成品外形尺寸為4 930 mm×1 980 mm×553 mm，質量約23 t，直徑分度圓1 450 mm，螺距450 mm，總質量約138 t，拼裝總高度125.185 m。
2）拼裝精度要求高。相鄰螺母柱之間同一導軌面的錯變量≤ 0.2 mm；螺母柱的牙頂應位於同一圓柱面內，最大不共面偏差≤ 0.5 mm；任意7 個螺距，應滿足3 150±0.35 mm；相互平行的導軌面的平面度≤ 0.5 mm；導軌面與螺母柱片對稱中心線的夾角公差：45°±0.03°；兩相鄰螺母柱的螺距，應滿足450±0.2mm；拼裝總高約125 m，對於初始位置的累計螺距誤差在1 mm 以內。
3）拼裝檢測困難。單個螺距的檢測、連續7 個螺距的檢測，螺紋共面度的檢測、平行度的檢測、垂直度的檢測、平面度的檢測等。不僅相關數據難以檢測而且數據量非常大。
4）為了便於現場復位，需要刻劃標識，並且相關標識較多，精度要求高。刻線標記誤差±0.1 mm。拼裝完成後各標記相對於初始拼裝基準點累計偏差小於1 mm。
圖1 螺母柱裝配圖
2 螺母柱拼裝方案確定2.1 選擇拼裝方式拼裝方案有整體拼裝和分體拼裝兩種。整體全部拼裝的好處是最大限度的接近現場安裝的實際情況，能提前暴露所有問題，但缺點是佔用場地，全部生產好後拼裝不利於工地的階段性施工，拼裝造價高昂，檢測手段無法滿足整體的高精度檢測。分批拼裝雖然對於場地，資金要求降低，也能滿足現場階段性施工，但安裝不能最大限度地接近現場實際使用狀態。限於工廠的實際工況，應選擇分批拼裝的方案並對該方案進行了優化。確定每次拼裝為相鄰的3 ～ 4 對螺母柱，每次預拼裝的最後一對恢復上次拼裝相對安裝位置數據後作為基準進行下一次的預拼裝。也就是說第一次拼裝（1 對、2 對、3 對），第二次拼裝（3 對、4 對、5 對），始終有上次拼裝的螺母柱參與下次拼裝，這樣既保證了施工現場的階段供貨，又不會對生產場地造成壓力，同時也能滿足安裝精度，是造價最低的一種拼裝方案。
2.2 確定拼裝方案確定拼裝可以按照其使用的狀況進行立式拼裝，也可選擇經濟高效的拼裝方案。
螺母柱立式拼裝，同樣能最真實地反映出螺母柱在工地的使用情況。為此設計了相應的方案，根據實際情況，選擇半地坑拼裝，即拼裝後一部分在地坑中一部分在地坑外。地坑規格為：長5 000 mm，寬4 500 mm，深7 000 mm，此地坑為了能滿足3 對螺母柱的立拼需要，需要混凝澆築，並製作相應工裝。由於深基坑作業危險性高，拼裝、檢測方案複雜，腳手架影響等諸多原因所限導致該方案無法實施，特別是由於立式拼裝對於檢測儀器的使用製造了很大的困難，故考慮了更為經濟的臥式拼裝。在車間內有75 t 起吊設備的一片10 000mm×20 000 mm 場地作為3 對螺母柱的水平預拼裝以及測量試驗臺，並在周圍設置堆場堆放待拼裝螺母柱。根據螺母柱以及工裝總重量對該片場地進行了硬化，挖基坑後用鋼筋混凝土製作地基，並在上面間隔500 mm鋪設預埋水平地軌，要求軌道上平面水平在1 mm 以內，為了防止周圍工具機加工，起重機運行，裝貨卸貨等車間生產產生的震動影響數據的測量，還應進行減震設計，混凝土四周製作雙層隔震層，材料分別是粘土和泡沫。除此之外，考慮到螺母柱檢測的恆溫要求，將拼裝場地選擇在廠房的某角落處，便於後期進行恆溫改造。為了克服臥式拼裝的不能真正反映立式拼裝的受力特點，在3 對螺母柱上、下端面分別用千斤頂進行施力，並用特殊卡蘭緊密連接2 件螺母柱，儘可能模擬立拼狀態受力。
通過後來的拼裝實驗，證明臥式拼裝可以滿足要求，而且快速高效。比如，對於測量來說在平地上操作的危險係數要大大高於立式的高空作業，穩定、安全、快捷；立式拼裝的檢測方案精度低於臥式拼裝，立式拼裝的基建成本高於臥式，等等諸多因素我們認為臥式拼裝是最準確、經濟、高效的拼裝方法。
3 螺母柱拼裝所需工裝的設計和製造為了順利、高效地進行螺母柱的拼裝，特為螺母柱拼裝設計並製作了專用工裝方箱。利用螺母柱本身的預應力鋼筋孔與螺栓孔，在方箱側面開相應的T 形槽，用T 形螺杆將螺母柱與方箱固定在一起，來解決螺母柱的臥拼固定問題，如圖2 所示。方箱經過輕量化設計質量約為18 t，節約了成本，如圖3 所示。為方便調節螺母柱，設計製作螺母柱專用的可調墊鐵，其斜面角度為5.7°，將其把與方箱上，每對螺母柱利用6 件可調墊鐵對其水平，垂直等進行微調。在用平尺，鉛錘等手段粗調後，只需對可調墊鐵進行微調即可使整體拼裝滿足設計要求。另外，製作專用的起吊工裝用於螺母柱起吊拼裝，螺母柱連接緊固卡蘭等諸多工裝配合拼裝調整。
圖2 螺母柱預拼裝剖面示意圖
圖3 螺母柱預拼裝專用方箱簡圖
4 工藝研究和定型制定工藝的原則是技術上的先進和經濟上的合理。由於不同的工廠的設備生產能力、精度以及工人熟練程度等因素都大不相同，故對於同一種產品而言，不同工廠制定的工藝有可能也不同。廠內預拼裝工藝的制定相當複雜，遠遠超過了之前的估計。廣義上的螺母柱廠內預拼裝工藝包含了拼裝方案確定、工裝設計製造、檢測方案確定、測量設備的使用、試驗拼裝過程中突發問題的解決，工藝安全手冊等。這裡討論的是狹義上的工藝，是在工裝、測量儀器都全部確定後關於拼裝過程操作工序的優化控制。由於國內從沒有過類似的拼裝經驗，最初通過設計、考察以及開會次討論所形成的方案與最終方案有很大的不同。經過多次的試驗以及問題處理等所固化的工藝兼顧了精度與效率，完全能夠指導現實生產。
廠內預拼裝的前提是每件單件螺母柱的材質、形位公差等都要符合要求。場內預裝配的主要目的為：1）運用相應的檢測手段，通過調整三對螺母柱的相對位置，使得拼裝後各項數據符合設計要求；2）通過刻劃標識，提供簡單易於工地測量的數據，使得螺母柱場內預拼裝的相對位置在工地得以順利恢復；3）通過確定螺母柱間調整墊板的尺寸，調節每對螺母柱螺距符合要求，並且還得兼顧考慮26 對螺母柱以及4 個螺母柱井總累計誤差符合設計要求。
4.1 確定螺母柱裝配編號，測算柱間墊板厚度雖然每件螺母柱單件尺寸檢測報告都合格，但有的接近上公差，有的靠近下公差，每件螺母柱的齒厚、螺距、螺紋起始距離、導軌面交線與中心的重合度等都不一樣，需要工藝技術人員（通過篩選單件檢測報告並控制待加工件的尺寸）將其中比較合適的螺母柱放在一起進行拼裝，會大大提高裝配的效率。確定螺母柱裝配編號後，按照螺母柱螺紋的螺距等計算墊板的厚度，加工磨製相應的墊板，並按照每件螺母柱的單件測量尺寸，給出拼裝時相應的調節尺寸。
4.2 螺母柱組的吊裝、粗調將確定編號的螺母柱按照工藝指定順序吊裝，與裝配場地的方箱用螺栓，可調配墊鐵等固定，如圖4 所示。使用框式水平儀，內徑千分尺，大平尺等，按照工藝裝配圖紙要求調整，精度要求在1 mm 以內。
圖4 螺母柱預拼裝俯視圖
4.3 螺母柱組精調用雷射跟蹤儀按技術人員給出拼裝時相應的調節尺寸，進行精調，使尺寸基本達到裝配檢驗要求。然後，通過相應檢測手段檢測墊板的厚度製作是否合適。若合適就繼續微調至合格，使各項數據完全達到設計要求；若墊板厚度製作有偏差，則需根據數據對墊板進行修正，重新製作，之後按照要求進行精調，磨製墊板厚度為20.00 mm（可調）。
4.4 按照裝配要求進行交檢1）相鄰螺母柱之間同一導軌面的錯變量≤ 0.2mm；2）參與拼裝的螺母柱的牙頂應位於同一圓柱面內，最大不共面偏差≤ 0.5 mm；3）兩相鄰螺母柱的螺距應滿足450±0.2 mm；4） 兩相鄰螺母柱的任意7 個螺距應滿足3150±0.35 mm；5）相互平行的導軌面的平面度≤ 0.5 mm；6）導軌面與螺母柱片對稱中心線的夾角公差：45°±0.03°
交檢數據需通過雷射跟蹤儀及其他相關輔助測量手段進行，所有檢測儀器、量具必須在年檢合格使用期限內方可使用。對於能夠直接用量具監測的數據，需要同雷射跟蹤儀數據進行比對，相互校準，最後以雷射跟蹤儀出具的報告為準。
4.5 劃線，列印標識為了便於現場安裝，需按照螺母柱總裝圖紙所示位置及方向，在螺母柱上列印安裝標識A1/B1( 或C1/D1)、A2/B2( 或C2/D2)、A3/B3( 或C3/D3)，根據施工圖紙所標示的位置，從下部開始拼裝，自底部螺母柱安裝位置較低的一片，其起始標記距螺母柱底端1 975 mm，如圖5所示。底部螺母柱安裝位置較高的一片，其起始標記距螺母柱底端1 750 mm，以這2 片螺母柱上的2 個標識為基準，每間隔7 個螺距打上標記，該7 個螺距為離該刻線最近處的7 個螺距。打標記時檢驗人員需全程跟蹤，記錄。刻線要求位置誤差不低於0.1 mm，刻痕寬度為0.2mm。（為滿足刻線的精度特別設計製作了打點器工裝，保證刻線位置精度）。為了方便現場恢復數據，將除此之外的所有測量控制點位置都做上相應的標識，以便於現場快速恢復廠內預拼裝數據。
圖5 第一對螺母柱刻線示意圖
4.6 整理雷射跟蹤儀測量的數據由於測量數據多，數據量大，技術人員在測量結束後需對電腦內存儲的數據進行整理，將所需要的形位公差等以報告的形式出具。同時，計算並記錄參與拼裝試驗的螺母柱上各標記相對於拼裝初始基準點的實際累計長度（該累計長度對應於工地安裝後各標記相對於第一節螺母柱底端的高度），其累積誤差不大於1.0 mm。若經測量和計算發現標記位置累積誤差大於0.8 mm，在製造過程中應根據現有累積誤差值，在規定的螺母柱螺距公差帶範圍內選擇特定的子公差帶，調整和控制螺母柱的長度偏差，保證隨後的各標記相對於拼裝初始基準點的實際累計長度的累積偏差不大於１.0 mm。
5 結論通過對首批螺母柱的試驗拼裝，可及時發現原工藝中的不足之處，解決螺母柱拼裝的關鍵技術難題（例如檢測難點攻關的完成），落實和優化螺母柱裝配的各個工藝環節。優化設計工裝、卡具，吊具極大地減輕了裝配的勞動強度，提高了拼裝效率，保證了拼裝精度、進度，節約了大量的資金成本。通過改進、完善的螺母柱拼裝工藝，完全滿足在螺母柱生產製造過程中，工藝指導、控制的關鍵作用。確保螺母柱的批量生產能夠達到工程要求。