武进伟
0引言升船机是轮船快速过坝通道，提高枢纽航运的通过能力，保障枢纽通航质量的关键设备。目前，该齿轮齿条爬升平衡重式垂直升船机其过船能力为t级，最大提升高度m，具有提升高度大、提升质量大的特点，是目前世界上技术难度和规模较大的升船机。螺母柱是该升船机安全保证系统的关键构件，共有4套组，其对称安装在4个塔柱的凹槽内，在塔柱高度方向上连续铺设，用于向混凝土塔柱传递船厢的不平衡载荷。螺母柱由2个无连接、相对布置、中径圆圆心重合的螺母柱片构成。2片螺母柱片的结构形式，设备组成及尺寸完全相同，但安装高程有所不同，其中一条螺母柱片的安装高程为59.～.m，另一条螺母柱片的安装高程较之高半个螺距即mm。每套螺母柱由26对螺母柱组成，总高度.m。升船机正常运转时，安全机构的旋转螺杆在螺母柱内以与驱动机构相同的速度升降，螺杆与螺母柱的螺纹副上、下均保持一定的间隙，避免船厢正常升降时螺纹副接触。当负责传递动力的齿轮齿条出现问题或检修时，螺杆与螺母柱相接触，并实现自锁，保证船箱平衡，防止倾翻，故对螺母柱的制造以及安装精度要求极高。
1螺母柱厂内预拼装难点为保证螺母柱本身以及与相邻的同高程齿条间的相对制造和安装精度，要求所有螺母柱出厂前都必须进行预拼装，以检验螺母柱的制造、安装精度，如图1所示。
1）体积大，质量大，批量大，工艺复杂。该产品共4套，每套螺母柱由26对螺母柱片组成，每对2片，每片成品外形尺寸为mm×mm×mm，质量约23t，直径分度圆mm，螺距mm，总质量约t，拼装总高度.m。
2）拼装精度要求高。相邻螺母柱之间同一导轨面的错变量≤0.2mm；螺母柱的牙顶应位于同一圆柱面内，最大不共面偏差≤0.5mm；任意7个螺距，应满足±0.35mm；相互平行的导轨面的平面度≤0.5mm；导轨面与螺母柱片对称中心线的夹角公差：45°±0.03°；两相邻螺母柱的螺距，应满足±0.2mm；拼装总高约m，对于初始位置的累计螺距误差在1mm以内。
3）拼装检测困难。单个螺距的检测、连续7个螺距的检测，螺纹共面度的检测、平行度的检测、垂直度的检测、平面度的检测等。不仅相关数据难以检测而且数据量非常大。
4）为了便于现场复位，需要刻划标识，并且相关标识较多，精度要求高。刻线标记误差±0.1mm。拼装完成后各标记相对于初始拼装基准点累计偏差小于1mm。
图1螺母柱装配图
2螺母柱拼装方案确定2.1选择拼装方式拼装方案有整体拼装和分体拼装两种。整体全部拼装的好处是最大限度的接近现场安装的实际情况，能提前暴露所有问题，但缺点是占用场地，全部生产好后拼装不利于工地的阶段性施工，拼装造价高昂，检测手段无法满足整体的高精度检测。分批拼装虽然对于场地，资金要求降低，也能满足现场阶段性施工，但安装不能最大限度地接近现场实际使用状态。限于工厂的实际工况，应选择分批拼装的方案并对该方案进行了优化。确定每次拼装为相邻的3～4对螺母柱，每次预拼装的最后一对恢复上次拼装相对安装位置数据后作为基准进行下一次的预拼装。也就是说第一次拼装（1对、2对、3对），第二次拼装（3对、4对、5对），始终有上次拼装的螺母柱参与下次拼装，这样既保证了施工现场的阶段供货，又不会对生产场地造成压力，同时也能满足安装精度，是造价最低的一种拼装方案。
2.2确定拼装方案确定拼装可以按照其使用的状况进行立式拼装，也可选择经济高效的拼装方案。
螺母柱立式拼装，同样能最真实地反映出螺母柱在工地的使用情况。为此设计了相应的方案，根据实际情况，选择半地坑拼装，即拼装后一部分在地坑中一部分在地坑外。地坑规格为：长mm，宽0mm，深mm，此地坑为了能满足3对螺母柱的立拼需要，需要混凝浇筑，并制作相应工装。由于深基坑作业危险性高，拼装、检测方案复杂，脚手架影响等诸多原因所限导致该方案无法实施，特别是由于立式拼装对于检测仪器的使用制造了很大的困难，故考虑了更为经济的卧式拼装。在车间内有75t起吊设备的一片mm×mm场地作为3对螺母柱的水平预拼装以及测量试验台，并在周围设置堆场堆放待拼装螺母柱。根据螺母柱以及工装总重量对该片场地进行了硬化，挖基坑后用钢筋混凝土制作地基，并在上面间隔mm铺设预埋水平地轨，要求轨道上平面水平在1mm以内，为了防止周围机床加工，起重机运行，装货卸货等车间生产产生的震动影响数据的测量，还应进行减震设计，混凝土四周制作双层隔震层，材料分别是粘土和泡沫。除此之外，考虑到螺母柱检测的恒温要求，将拼装场地选择在厂房的某角落处，便于后期进行恒温改造。为了克服卧式拼装的不能真正反映立式拼装的受力特点，在3对螺母柱上、下端面分别用千斤顶进行施力，并用特殊卡兰紧密连接2件螺母柱，尽可能模拟立拼状态受力。
通过后来的拼装实验，证明卧式拼装可以满足要求，而且快速高效。比如，对于测量来说在平地上操作的危险系数要大大高于立式的高空作业，稳定、安全、快捷；立式拼装的检测方案精度低于卧式拼装，立式拼装的基建成本高于卧式，等等诸多因素我们认为卧式拼装是最准确、经济、高效的拼装方法。
3螺母柱拼装所需工装的设计和制造为了顺利、高效地进行螺母柱的拼装，特为螺母柱拼装设计并制作了专用工装方箱。利用螺母柱本身的预应力钢筋孔与螺栓孔，在方箱侧面开相应的T形槽，用T形螺杆将螺母柱与方箱固定在一起，来解决螺母柱的卧拼固定问题，如图2所示。方箱经过轻量化设计质量约为18t，节约了成本，如图3所示。为方便调节螺母柱，设计制作螺母柱专用的可调垫铁，其斜面角度为5.7°，将其把与方箱上，每对螺母柱利用6件可调垫铁对其水平，垂直等进行微调。在用平尺，铅锤等手段粗调后，只需对可调垫铁进行微调即可使整体拼装满足设计要求。另外，制作专用的起吊工装用于螺母柱起吊拼装，螺母柱连接紧固卡兰等诸多工装配合拼装调整。
图2螺母柱预拼装剖面示意图
图3螺母柱预拼装专用方箱简图
4工艺研究和定型制定工艺的原则是技术上的先进和经济上的合理。由于不同的工厂的设备生产能力、精度以及工人熟练程度等因素都大不相同，故对于同一种产品而言，不同工厂制定的工艺有可能也不同。厂内预拼装工艺的制定相当复杂，远远超过了之前的估计。广义上的螺母柱厂内预拼装工艺包含了拼装方案确定、工装设计制造、检测方案确定、测量设备的使用、试验拼装过程中突发问题的解决，工艺安全手册等。这里讨论的是狭义上的工艺，是在工装、测量仪器都全部确定后关于拼装过程操作工序的优化控制。由于国内从没有过类似的拼装经验，最初通过设计、考察以及开会次讨论所形成的方案与最终方案有很大的不同。经过多次的试验以及问题处理等所固化的工艺兼顾了精度与效率，完全能够指导现实生产。
厂内预拼装的前提是每件单件螺母柱的材质、形位公差等都要符合要求。场内预装配的主要目的为：1）运用相应的检测手段，通过调整三对螺母柱的相对位置，使得拼装后各项数据符合设计要求；2）通过刻划标识，提供简单易于工地测量的数据，使得螺母柱场内预拼装的相对位置在工地得以顺利恢复；3）通过确定螺母柱间调整垫板的尺寸，调节每对螺母柱螺距符合要求，并且还得兼顾考虑26对螺母柱以及4个螺母柱井总累计误差符合设计要求。
4.1确定螺母柱装配编号，测算柱间垫板厚度虽然每件螺母柱单件尺寸检测报告都合格，但有的接近上公差，有的靠近下公差，每件螺母柱的齿厚、螺距、螺纹起始距离、导轨面交线与中心的重合度等都不一样，需要工艺技术人员（通过筛选单件检测报告并控制待加工件的尺寸）将其中比较合适的螺母柱放在一起进行拼装，会大大提高装配的效率。确定螺母柱装配编号后，按照螺母柱螺纹的螺距等计算垫板的厚度，加工磨制相应的垫板，并按照每件螺母柱的单件测量尺寸，给出拼装时相应的调节尺寸。
4.2螺母柱组的吊装、粗调将确定编号的螺母柱按照工艺指定顺序吊装，与装配场地的方箱用螺栓，可调配垫铁等固定，如图4所示。使用框式水平仪，内径千分尺，大平尺等，按照工艺装配图纸要求调整，精度要求在1mm以内。
图4螺母柱预拼装俯视图
4.3螺母柱组精调用激光跟踪仪按技术人员给出拼装时相应的调节尺寸，进行精调，使尺寸基本达到装配检验要求。然后，通过相应检测手段检测垫板的厚度制作是否合适。若合适就继续微调至合格，使各项数据完全达到设计要求；若垫板厚度制作有偏差，则需根据数据对垫板进行修正，重新制作，之后按照要求进行精调，磨制垫板厚度为20.00mm（可调）。
4.4按照装配要求进行交检1）相邻螺母柱之间同一导轨面的错变量≤0.2mm；2）参与拼装的螺母柱的牙顶应位于同一圆柱面内，最大不共面偏差≤0.5mm；3）两相邻螺母柱的螺距应满足±0.2mm；4）两相邻螺母柱的任意7个螺距应满足±0.35mm；5）相互平行的导轨面的平面度≤0.5mm；6）导轨面与螺母柱片对称中心线的夹角公差：45°±0.03°
交检数据需通过激光跟踪仪及其他相关辅助测量手段进行，所有检测仪器、量具必须在年检合格使用期限内方可使用。对于能够直接用量具监测的数据，需要同激光跟踪仪数据进行比对，相互校准，最后以激光跟踪仪出具的报告为准。
4.5划线，打印标识为了便于现场安装，需按照螺母柱总装图纸所示位置及方向，在螺母柱上打印安装标识A1/B1(或C1/D1)、A2/B2(或C2/D2)、A3/B3(或C3/D3)，根据施工图纸所标示的位置，从下部开始拼装，自底部螺母柱安装位置较低的一片，其起始标记距螺母柱底端mm，如图5所示。底部螺母柱安装位置较高的一片，其起始标记距螺母柱底端mm，以这2片螺母柱上的2个标识为基准，每间隔7个螺距打上标记，该7个螺距为离该刻线最近处的7个螺距。打标记时检验人员需全程跟踪，记录。刻线要求位置误差不低于0.1mm，刻痕宽度为0.2mm。（为满足刻线的精度特别设计制作了打点器工装，保证刻线位置精度）。为了方便现场恢复数据，将除此之外的所有测量控制点位置都做上相应的标识，以便于现场快速恢复厂内预拼装数据。
图5第一对螺母柱刻线示意图
4.6整理激光跟踪仪测量的数据由于测量数据多，数据量大，技术人员在测量结束后需对电脑内存储的数据进行整理，将所需要的形位公差等以报告的形式出具。同时，计算并记录参与拼装试验的螺母柱上各标记相对于拼装初始基准点的实际累计长度（该累计长度对应于工地安装后各标记相对于第一节螺母柱底端的高度），其累积误差不大于1.0mm。若经测量和计算发现标记位置累积误差大于0.8mm，在制造过程中应根据现有累积误差值，在规定的螺母柱螺距公差带范围内选择特定的子公差带，调整和控制螺母柱的长度偏差，保证随后的各标记相对于拼装初始基准点的实际累计长度的累积偏差不大于１.0mm。
5结论通过对首批螺母柱的试验拼装，可及时发现原工艺中的不足之处，解决螺母柱拼装的关键技术难题（例如检测难点攻关的完成），落实和优化螺母柱装配的各个工艺环节。优化设计工装、卡具，吊具极大地减轻了装配的劳动强度，提高了拼装效率，保证了拼装精度、进度，节约了大量的资金成本。通过改进、完善的螺母柱拼装工艺，完全满足在螺母柱生产制造过程中，工艺指导、控制的关键作用。确保螺母柱的批量生产能够达到工程要求。
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