（机械工程专业论文）自升式海洋平台齿轮条升降装置设计研究.pdf

摘要 自升式海洋平台的关键部分是升降装置。升降装置安装在平台主体和桩腿的交接处， 它的主要功能是实现平台主体和桩腿的上下相对运动、或把平台主体固定于桩腿的某一 位置。具体操作过程为：当自升式平台到达井位时，通过升降装置把平台升离水面，为 海上作业做好准备；作业结束后，再把平台降回水面，升起桩腿，使平台重新恢复成漂 浮状态，准备拖航至下一个井位作业。 目前国外先进的升降系统为齿轮齿条式升降系统，该升降系统具有升降速度快、易 对井位和可连续升降等优点。本文结合山东省科技发展计划项目“海洋自升式平台电动 升降及控制技术研究”，针对我国自升式海洋平台的作业现状，借鉴国外先进的升降系统 成果，设计研究“一轴输入带二轴输出传递方式的齿轮齿条式升降装置。 自升式海洋平台的升降系统在平台升降过程中承担整个平台的重量和工作载荷，其 安全性能对平台的正常工作起着重要作用。本文研究的齿轮齿条传动机构作为升降系统 的核心组成部分，其结构安全的重要性不言而喻。鉴于此，本文基于动力学分析软件及 有限元分析软件，针对设计出的升降装置模型进行运动及动力学分析与强度校核等研究， 主要工作如下： ( 1 ) 基于a d a m s 软件，对升降装置减速器部分的两种方案进行总体仿真，得出两 种方案中齿轮齿条接触力在各个方向随时间的变化规律，以及同一电动机驱动的两个七 齿小齿轮的速度曲线对比，从而研究两种方案下七齿小齿轮运转的同步性。以此为基础， 研究一根齿条上的升降系统在不同载荷状态下和某特殊工况下的运动及动力学特性，为 升降装置的优化奠定基础，并为防止由升降系统引发的故障的发生提供理论依据。 ( 2 ) 该齿轮齿条升降装置长时间处于承受重载的状态( 包括动载荷) ，较一般齿轮传动 装置，具有低速、重载、应力情况复杂等特点，因此齿轮齿条的强度是关系到整个平台 安全性能的重要因素，对其进行强度校核计算分析非常有必要。本文基于a b a q u s 有限 元分析软件，对升降装置的七齿小齿轮与齿条啮合进行静态与动态接触分析。静态分析 主要包括不同工况下的齿轮齿条静态接触应力分析、不同倒角对齿轮齿条最大接触应力 的影响分析；动态分析主要包括不同装配角对齿轮齿条最大接触应力的影响分析。 ( 3 ) 每套升降装置电动机的伸出端均装有快速响应盘式刹车装置。该装置是关系到升 降系统正常升降的重要设备，因此对其进行分析研究有着重要的意义。本文基于a s i i i l 仿真软件对该升降装置的盘式刹车进行仿真研究，得到制动压力的响应曲线，分 析影响其大小的各个因素；基于a b a q u s 有限元软件，分析刹车过程中产生的热应力， 考察不同制动力曲线情况对刹车性能的影响，对制动器的改进设计以及事故的预防提供 依据。 关键词：自升式平台；升降装置；齿轮齿条式；运动及动力学分析；接触分析 s t u d yo np i n i o na n dr a c kd r i v e ns e to fj a c k u p y u a ns i m i n ( m e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e ng u o - r u i n g a b s t r a c t a k e yp a r to fj a c k u pi s1 i n i i 培d e v i c e l i f t i n gd e v i c e sa r ei n s t a l l e do nt h ej u n c t i o no f p l a t f o r m sm a i nb o d ya n dl e g s ，a n di t sm a i nf u n c t i o ni st h a tr e a l i z e i n gt h eu pa n dd o w nr e l a t i v e m o t i o nb e t w e e np l a t f o r m sm a i nb o d ya n dl e g sa n df i x i n gp l a t f o r m sm a i nb o d ya tac e r t a i n l o c a t i o no nt h el e g ms p e c i f i cp r o c e s si s t h a t ，w h e nt h ej a c k - u pp l a t f o r mg o tt oaw e l l l o c a t i o nt h el i f t i n gd e v i c er a i s e dt h em a i nb o d yo f ft h es e as u r f a c ea n dp r e p a r e df o ro f f s h o r e o p e r a t i o n , a n da f t e rt h eo p e r a t i o nd r o p tt h em a i nb o d yt ot h es e as u r f a c e ，r a i s e dl e g sa n dm a d e p l a t f o r mr e s t o r e dt oaf l o a t i n gs t a t ep r e p a r i n gf o rd r a g g i n gt on e x tw e l ll o c a t i o n f o r e i g na d v a n c e dl i f ts y s t e mi sp i n i o na n dr a c kj a c k i n gs y s t e mw i t ha d v a n t a g e so ff a s t l i f t i n gs p e e d ，e a s yw e l ll o c a t i o na n dc o n t i n u o u s l yl i f t i n g 1 1 1 i sp a p e rc o m b i n e ds h a n d o n g p r o v i n c es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o g r a m “t h er e s e a r c hf o re l e c t r i cl i f ta n d c o n t r o lt e c h n o l o g yo fj a c k u po f f s h o r ep l a t f o r m ”，a i m e da tt h e o p e r a t i o ns t a t u so fj a c k u p o f f s h o r ep l a t f o r mi no u rc o u n t r y ，b o r r o w w e di d e a sf r o mf o r e i g na d v a n c e do u t c o m e so fl i f t s y s t e m ，a n dd e s i g n e da n dr e s e a r c h e dp i n i o na n dr a c ks f i v e ns e tw i t h “o n ea x l em p u td r i v i n g t w oa x l e so u t p u t t r a n s m i s s i o n i nt h ep r o c e s so fl i f t i n gt h ep i n i o na n dr a c ks f i v e ns e tb e a r e dt h ew e i g h ta n dw o r kl o a do f t h ee n t i r ej a c k u po f f s h o r ep l a t f o r m ，s oi t ss a f e t yp e r f o r m a n c ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h e n o r m a lw o r ko ft h ep l a t f o r m i nt h i sp a p e r ，a st h ec o r eo ft h e l i f t i n gs y s t e mt h es t r u c t u r a ls a f e t y o fp i n i o na n dr a c ks r i v e ns e ti sv e r yi m p o r t a n t s ob a s e do nt h ek i n e t i ca n a l y s i ss o f t w a r ea n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t h i sp a p e rc a r r i e do u td y n a m i c sa n a l y s i sa n ds t r e n g t hc h e c k f o r 血el i f t i n gd e v i c em o d e a n dt h em a i nw o r ki sd e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do na d a m ss o f t w a r e ，t h i sp a p e re m u l a t e dt w ok i n d so fs c h e m e sf o rl i f t i n g d e v i c e ，a n do b t a i n e dt h ev a r i a t i o no ft h er a c ka n dp i n i o nc o n t a c tf o r c ei na l ld i r e c t i o n so v e r t i m ea n dr o t a t es p e e dc u r v ec o m p a r i s o no ft w os e v e nt e e n lp i n i o n sw i t hs a m em o t o rd r i v e n , t h e ns t u d i e dt h es y n c h r o n i z a t i o no ft w op i n i o n si nt w of u n d so ft r a n s m i s s i o ns c h e m e o nt h i s b a s i st h i sp a p e rr e s e a r c h e dk i n e m a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fl i f t i n g s y s t e mu n d e r d i f f e r e n tw o r kl o a d sa n dac e r t a i ns p e c i a lc o n d i t i o n , l a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o no f l i f t i n gd e v i c ea n dp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i s f o rp r e v e n t i n gt h es t o p p a g er i g g e r e db yt h e l i f t i n gs y s t e m ( 2 ) u n d e rh e a v yl o a d s ( i n c l u d i n gd y n a m i cl o a d s ) t h a no t h e rp i n i o nt r a n s m i s s i o n sf o ra l o n gt i m e ，t h er a c ka n dp i n i o nl i f t i n gd e v i c eh a st h ep e c u l i a r i t yo fl o w - s p e e d ，h e a v y 1 0 a da n d c o m p l i c a t e ds t r e s sa n ds oo n t h e r e f o r et h es t r e n g t ho ft h er a c ka n dp i n i o ni sa ni m p o r t a n t f a c t o rr e l a t e dt h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r ep l a t f o r m ，a n di t ss t r e n g t hc h e c kc a l c u l a t i o n a n da n a l y s i si sv e r yn e c e s s a r y b a s e do nt h ea b a q u sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t h i s p a p e rc a r r i e do u ts m i l ea n dd y n a m i cc o n t a c ta n a l y s i sf o rs e v e n - t o o t hp i n i o n sa n dr a c ko fl i f t i n g d e v i c e s s t a t i ca n a l y s i si n c l u d e ds m i l ec o n t a c ts t r e s sa n a l y s i sf o rr a c ka n dp i n i o nu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n da n a l y s i s 也ei m p a c to fd i f f e r e n tc h a m f e r so nt h em a x i m u mc o n t a c t s t r e s so ft h er a c ka n dp i n i o n ；d y n a m i ca n a l y s i si n c l u d e dt h ei m p a c to fd i f f e r e n ta s s e m b l e a n g l e so nt h em a x i m u m c o n t a c ts t r e s so ft h er a c ka n dp i n i o n ( 3 ) t h e r ei sae l e c t r o m a g n e t i cd i s cb r a k ei nt h ef r e ee n do fe l e e t r o m o t o rf o re a c hl i f t i n g d e v i c e a sa l li m p o r t a n td e v i c eo fl i f t i n gs y s t e mf o rn o r m a ll i f t i n g ，t h eb r a k ee n a b l e d e m e r g e n c yb r a k ew h e nf a i l u r ei nt h el i f t i n gp r o c e s so c c u r r e d t h e r e f o r e ，i t sv e r yi m p o r t a n tf o r r e s e a r c ho fr a p i dr e s p o n s eo ft h ed i s cb r a k e b a s e do na m e s i ma n a l y s i ss o f t w a r e ，t h i sp a p e r s i m u l a t e da n dr e s e a r c h e dt h e d i s cb r a k e ，o b t a i n e dt h eb r a k ep r e s s u r er e s p o n s ec u r v e sa n d a n a l y z e dt h ev a r i o u sf a c t o r st h a ta f f e c ti t ss i z e b e s i d e sb a s e do nt h ea b a q u sf m i t ee l e m e n t s o f t w a r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h et h e r m a ls t r e s s e sg e n e r a t e dd u r i n gb r a k i n g ，p r o v i d e da b a s i st o i m p r o v et h ed e s i g na n dp r e v e n ta c c i d e n t s ，a l s oi n v e s t i g a t e dt h ei m p a c to fd i f f e r e n tb r a k i n g f o r c ec u r v e so nt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：j a c k - u p ；l i f t i n gd e v i c e ；p i n i o na n dr a c k ；k i n e m a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s ；t o o t h c o n t a c ta n a l y s i s 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 随着陆地石油资源的日渐紧缺，向海洋进军开发新的油气资源已经成为必然 趋势。自升式海洋平台作为一种用于海洋石油开发开采的可移动海洋结构建筑 物，适用于2 0 m 1 5 0 m 水深的海域，独立作业能力强，移动范围大，是世界上海 洋石油钻探作业中应用较多的一类平台。根据最新统计，目前应用于海洋石油开 发开采的海洋钻井装置有6 1 9 座，其中自升式平台有3 6 1 座，即占了总数的5 8 3 【l 】。 1 9 6 7 年由七0 八所设计，由大连造船厂于1 9 7 2 年建成并交付使用的“渤海” 1 号是我国第一艘自升式钻井平台，该平台上的所有设备均是我国自主生产制造， 开创了我国自升式平台发展的先例。在该自升式平台的基础上，渤海石油公司设 计了应用于4 0 m 水深的自升式钻井平台，即“渤海”5 号和“渤海7 号，这两 艘平台于1 9 8 3 年在大连造船厂建成。中国海洋石油总公司成立后，我国又先后 引进了几型自升式平台，有“南海 1 、3 、4 号、“勘探”2 号以及“渤海”4 号 共五艘，这些平台由美国e t a 公司设计，型号为罗布雷( r o b i n l o h ) 3 0 0 型。后来 中国海洋石油总公司引进了“渤海8 、1 0 号两艘二手自升式平台，胜利油田海 洋钻井公司引进了“胜利”5 、6 、7 、8 、9 号自升式平台，且也均为二手平台【2 】。 2 0 0 4 年1 1 月随着海洋工程有限公司的成立，进一步推动了我国海洋石油的发展。 该公司刚成立时，仅有“中海油”1 号一艘平台，随后该公司建造了另外两艘平 台，即“中海油”5 号、6 号。另外，为引进国外先进的平台技术，该公司从美 国f & g 公司购买了l 7 8 0 型自升式平台的设计图纸，借鉴国外先进成果，建成 了“中油海”2 、7 号两艘自升式钻井平台。 总体来看，我国自升式钻井平台的发展比较迅速，截止到2 0 0 8 年3 月，我 国共有2 8 艘自升式钻井平台正在使用。但我国平台的老龄化问题比较严重，此 2 8 艘平台中有一大部分的船龄超过了2 0 年，而“南海”1 号和“勘探 2 号两 艘平台的船龄均达到了3 0 年。在对这些平台的改造过程中，只是对其设备进行 更换和对生活设施进行改善，而并未真正从本质上改变平台的性能【3 】。 自升式海洋平台是目前应用最多的海洋油气开发与开采的基础设施，海上油 气正常生产的前提条件是平台的安全性，此外作为作业人员的生活基地，其安全 性同样是人员人身安全的重要保障。而作为自升式海洋平台中最关键的部分之一 的升降系统，其性能的优劣状况对整个平台的安全性能和使用效果有着直接的影 响，因此在平台的设计制造过程中是一个至关重要的环节【4 】。 自升式海洋平台发展至今，其升降系统主要有两类：液压油缸顶升式( 后面 将做详细介绍) 和齿轮齿条式。其中齿轮齿条式具有较快的升降速度，操作相对 简单，且对井位更加容易简便。在恶劣的海洋环境下，提高平台升降的效率可以 减少平台就位费用，大大提高生产效率，因此齿轮齿条式升降系统已经基本代替 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：自升式海洋平台齿轮齿条升降装置设计研究 液压油缸项升式而得到广泛的应用。但该种升降系统由于价格昂贵和制造难度大 等缺点，使得该技术只有个别发达的公司具有，我国的该类升降系统大部分为进 口【5 】【6 】。 众所周知，平台在海上的工作环境极其恶劣，海浪、风、冰等自然载荷共同 作用同时影响着海洋平台的安全性。对于自升式海洋平台齿轮齿条式升降系统， 其重要的承载部件为齿轮齿条传动装置，该装置长期承受整个平台带来的重载， 还包括由于环境等因素带来的动载荷，其主要作用为：在平台的升降作业中，通 过齿轮齿条的啮合完成甲板及桩腿的升降；升降作业完成后，将平台甲板及所有 设备支撑起来，使平台稳定地在正常工况、预压工况及风暴自存的工况下安全地 进行作业。因此该升降系统的齿轮齿条传动装置由于长期受到各种载荷的作用， 十分容易发生疲劳、断裂失效等方式的破坏【7 】。 自升式平台升降系统技术复杂，价格高，定货周期长，是制约我国平台发展 的瓶颈，国内建造平台时该装置只能依赖进口。由于该产品技术难度较大，用途 又比较单一，国内没有厂家系统开展该装置的自主研发工作。因此自升式平台的 升降系统设计和制造，一直是我国平台设计和建造的薄弱环节。 本文结合山东省科技发展计划项目“海洋自升式平台电动升降及控制技术研 究”。通过对齿轮齿条式升降装置进行设计研究，分析其动力学及运动特性以及 齿轮齿条强度研究与接触分析，为国内自升式平台升降系统的设计制造提供参 考，并为开发适合我国国情且具有自主知识产权的自升式平台技术打下重要基 础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 自升式平台升降系统研究现状 自升式海洋平台发展初期使用的升降系统均是液压油缸顶升式升降系统。该 种升降系统是利用液压缸中活塞杆的伸缩运动带动桩腿运动【8 】。插销式升降装置 的结构如图1 1 所示【9 】。 图i 1 插销式升降装置 v i g i lp i n t y p ej a c k - u ps y s t e m 液压油缸顶升式升降装置结构简单，不需要复杂的减速器机构，所占空间小， 2 第l 章绪论 操作起来简单灵活，且具有较高的传动效率，还能够作为桩腿的预压载荷，比较 经济实用。但该种升降装置最大的缺陷是不能连续升降、只能断续升降，且升降 时需要倒手，根据其上述工作原理可以看出，每次只能升降一个节距，约l m 左 右，升降速度较慢，对液压阀件有着较高的要求。因此，该种升降装置适用于较 浅水深的自升式海洋平台 1 0 i q 。 随着海洋石油开发的发展，自升式平台的应用也往更深水域发展，为更好的 适应恶劣的海洋环境，同时提高升降效率及安全性，国外研究出齿轮齿条式升降 系统，并在全世界范围内得到广泛的应用。 齿轮齿条式升降装置的小齿轮安装在固桩架上，由电动机经各级齿轮减速器 驱动，与小齿轮啮合的齿条铺设在桩腿筒体或弦杆上。在桩腿支承于海底的情况 下，驱动小齿轮可以升降平台主体，而在平台主体漂浮于水面上的情况下，驱动 小齿轮可以升降各个桩腿【1 2 】，如图1 2 所示。 传动小齿轮 铰：蠢齿条 卜曼i 二r 图l - 2 齿轮齿条式升降装置 f i g l - 2r a c ka n dp i n i o nj a c k - u ps y s t e m 相对于液压插销式升降系统，齿轮齿条式升降系统的优点是，升降速度快， 可连续升降，操作简单，易对井位。缺点是：它需要庞大而复杂的减速机构，体 积大，对齿轮和桩腿上的齿条的材料和制造工艺要求高，造价贵，制造难度大【1 3 】。目前，这种升降装置是国内研究的重点。 1 2 2 自升式平台齿轮齿条升降装置研究现状 国内关于自升式平台齿轮齿条升降系统研究的文献较少，最为详细的有胜利 油田钻井工艺研究院的孙永泰以胜利作业3 号平台升降系统为研究对象，主要研 究了升降系统的液压驱动装置的工作原理及参数确定，其结论对于我国自主设计 建造和管理自升式平台具有一定的指导意义【1 4 1 。另外文献【1 5 主要介绍了升降系 统的结构型式及升降控制的工作原理，分析升降系统在作业过程中承受的载荷及 功率大小，以此为基础提出了该系统的设计思路。该文为了解掌握自升式平台升 降系统的工作原理、工况分析以及功率计算提供了很好的依据。 关于齿轮齿条强度的研究有胜利油田钻井院的王泉工程师，他对“胜利作业 三号”自升式平台的齿轮齿条式升降装置进行了研究，基于有限元软件研究了升 降装置在正常升降作业工况下和风暴自存工况下的接触疲劳强度和弯曲疲劳强 度。该文献中将齿轮齿条式升降系统的主要功能分为两种工况进行研究：一是在 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：自升式海洋平台齿轮齿条升降装置设计研究 正常作业工况与风暴自存工况下，升降装置通过齿轮与齿条之间的静态接触支撑 平台主体及相关设备的全部重量和载荷；二是在升降工况下，升降装置通过小齿 轮与齿条的啮合传动对平台桩腿和主体根据作业需要进行升降操作。自升式海洋 平台的齿轮齿条传动装置为开式传动，容易受到恶劣的海洋环境的影响，且转速 较低、承受载荷较大，因此其主要失效形式为由弯曲疲劳破坏引起的断齿失效【l 6 】。根据张展提出的针对低速重载的齿轮传动装置，为保证其使用安全性，应避 免齿面磨损故障的发生，因此应对齿轮齿条升降装置的齿面接触疲劳强度进行分 析计算【1 7 】；此外，参考文献 1 8 】中指出造成齿轮齿条传动机构的齿轮折断失效或 屈服失效的另一个主要原因为冲击过载或静态过载。该文献基于有限元软件，对 齿轮齿条升降装置的二维模型进行了接触分析，得到了正常作业工况下及风暴自 存工况下的静态应力分布情况，以及升降工况下的弯曲应力和接触应力的大小及 分布，取得了一定的成果【1 8 】。 海洋石油工程有限公司的宋广兴等人借助a n s y s 有限元分析程序，采用参 数化方法与数值插值法相结合，建立了某自升式修井平台齿轮齿条式升降装置的 三维有限元模型，研究了在正常作业、预压作业及应急作业三种工况下齿轮齿条 啮合副的接触强度及弯曲强度，通过分析齿轮齿条啮合副的v o nm i s e s 应力、接 触应力及弯曲应力分布情况，为升降装置的疲劳及可靠性分析提供技术支持。由 计算结果可知：齿轮的弯曲应力相比齿条的偏大，且齿根处有较大的区域受到应 力的影响，应力分布相对复杂；小齿轮齿根处出现最大弯曲应力，因此对其强度 的要求更高。由此可知，该传动装置的薄弱环节一般为小齿轮【1 9 】。对齿轮齿条 进行的啮合传动过程中的接触分析可知，在所研究的三种工况下，最大接触压力 和最大接触应力均发生在齿轮齿条的接触区域。该区域的应力分布复杂，变化明 显，且对于不同的工况，接触应力区域有着不同的分布形状。但每种接触应力区 域基本呈对称状分布，最大接触应力大小基本相同。该接触区域受到交变应力的 作用，导致齿面极易发生接触疲劳。针对传动机构的整体应力分布，齿轮的v o nm i s e s 应力相比齿条的更为复杂【2 0 】，但通过计算可知，最大y o nm i s e s 应力发 生在齿条上。 在复杂的海洋环境下，自升式海洋平台的齿轮齿条升降装置容易产生疲劳破 坏，而国内外研究降低其疲劳破坏的文献较少。新加坡国立大学的n gj a nj i e 提 出升降机构的疲劳的程度与齿轮齿条的齿形有一定的关系。该文主要研究了倒角 大小对疲劳破坏程度的影响，提出了通过改变倒角大小降低疲劳破坏的方法，从 而得到能够使疲劳破坏降到最低的倒角的最佳尺寸。该文献应用有限元分析软件 针对齿轮齿条升降装置的三维模型，研究在相同载荷、不同倒角情况下的应力分 布情况，以找到最佳的倒角尺寸。根据计算结果可以得知：齿条有倒角的情况能 够明显地降低接触应力，通过比较不同倒角半径( 从r = 0m i l l 到r = 1 0m m ) 模型的 计算结果发现，最小接触应力和最小变形发生在介于r = 0m m 与1 - = 1 0m m 之间。 而且前还未有关于自升式平台齿轮齿条升降装置的齿条存在倒角的记录，因此该 文献提出的通过齿条倒角降低齿轮齿条的最大接触应力及平均应力，对于提高升 4 第l 章绪论 降系统的疲劳寿命【2 l 】有着重要的意义。 1 3 本文的主要研究工作 本文结合山东省科技发展计划项目“海洋自升式平台电动升降及控制技术研 究 ，针对我国自升式海洋平台的作业现状，借鉴国外先进的升降系统成果，设 计研究“一轴输入带二轴输出传递方式的齿轮齿条式升降装置，主要工作如下： ( 1 ) 系统方案设计 以工作水深9 0 m 左右的桁架式三桩腿自升式海洋平台为研究对象，分析研 究齿轮齿条升降系统的若干共性关键技术，重点研究该升降装置的核心部分 行星齿轮减速器，解决行星装配、浮动轴均载及机构可靠性等关键问题。设 计“一轴输入带二轴输出”的齿轮齿条式升降装置的传动方案；基于该方案，设 计校核各级齿轮参数，最终建立出整个升降装置的三维数字模型。 ( 2 ) 动力及运动学仿真分析 基于a d a m s 软件对设计开发的自升式海洋平台升降系统的虚拟样机进行 仿真分析。针对升降系统两种传动方案( 同一电机驱动的两七齿小齿轮分布在齿 条同侧和异侧) 的升降单元组进行运动和动力仿真，比较其优缺点，分析其适用 的平台桩腿类型。分析不同工况载荷下的升降系统的运动特性及动力特性，研究 与同根齿轮啮合的七齿小齿轮运动是否同步、载荷分配是否均匀。分析某一对齿 轮出现故障的情况下升降装置的运动特性变化及载荷分配情况，为升降装置的优 化奠定基础，并为防止故障的发生提供理论依据。 ( 3 ) 齿轮齿条静态及动态接触分析 与一般齿轮传动装置相比，该齿轮齿条升降装置具有应力情况复杂、转速较 低等特点，且长期承受整个平台带来的极重载荷和由环境带来的复杂动载荷，因 此为保证平台的安全性，须对其进行强度计算及分析。基于a b a q u s 有限元分 析软件，对升降装置的七齿小齿轮与齿条啮合进行静态与动态接触分析。静态分 析主要包括不同工况下的齿轮齿条静态接触应力分析、不同倒角对齿轮齿条最大 接触应力的影响分析；动态分析主要针对不同装配角对齿轮齿条最大接触应力的 影响分析。该部分的研究为齿轮齿条升降装置的优化提供理论依据。 ( 4 ) 快速响应盘式刹车的研究 每套升降装置电动机的伸出端均装有电磁圆盘式制动器。该刹车装置是升降 系统完成正常升降的重要设备，并在升降过程中出现故障时，能够实现紧急刹车。 因此，对快速响应盘式刹车的研究也有着重要的意义。本文基于a m e s i m 仿真 软件对该升降装置的盘式刹车进行仿真研究，得到制动压力的响应曲线，分析影 响其大小的各个因素；基于a b a q u s 有限元软件分析刹车过程中产生的热应力， 考察不同制动力曲线情况对刹车性能的影响，对制动器进行改进设计以及事故预 防提供依据。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：自升式海洋平台齿轮齿条升降装置设计研究 第2 章自升式海洋平台升降装置总体方案设计研究 2 1 概述 本文的升降装置是以工作水深9 0 m 的自升式平台为研究对象进行设计研究 的。该自升式平台的主体形状为三角形，有三根桁架式桩腿，升降系统为电动齿 轮齿条式，如图2 1 所示，该升降系统能够在恶劣的海洋环境中完成平台的升降 的自动控制。平台的每个桩腿上安装有3 根齿条( 齿条1 、齿条2 、齿条3 ) ，每根 齿条上有三套升降单元组，升降单元组采用“一轴输入带二轴输出”的传动方式， 这样每套升降单元组有1 个电动机、2 个七齿小齿轮，则共有2 7 个电动机、5 4 个七齿小齿轮。而升降控制系统通过对2 7 个电动机的功率、电压、电流、频率 等参数的控制，来控制5 4 个小齿轮的载荷受力均衡度，从而保证整个自升式平 台的水平倾斜度和桩腿的高度能够满足正常作业要求。此外升降控制系统对各个 齿轮箱的温度等参数及其他故障情况进行时事监测报警，通过控制电动机的启 动、停止来控制升降作业的启动和停止，确保升降系统能够安全有效地完成自升 式平台在各个工况下的升降作业【2 2 】。 = 鞲 i _ ：r ! 乒鹜 躞 t 多； 萋季；| 夭 ￥ 曹_ 镧幽”1b 。舅毒葡蓄 矗 j 一l r 调嗽。尊著罚嗣影； 一 懋嘲嘲盼一一；曹一量品： 煮 i 葶；霜，曩4 兴 li ； 一 第2 章自升式海洋平台升降装置总体方案设计研究 动力传动系统由前端减速器、中间减速器和行星减速器及齿轮齿条构成，该 部分是本文的主要研究内容。 ( 3 ) 平台升降控制系统 目前先进的控制方式采用p l c 控制，能够实现升降作业的各种操作要求， 并能对故障进行及时报警【2 5 】。 本章重点对自升式海洋平台升降的动力传动系统进行研究，分析该系统的若 干关键技术及难点问题，确定升降装置的传动方案，对齿轮减速箱及各级齿轮进 行设计校核，从而建立起升降装置的三维数字模型，为动力分析及接触分析提供 理论模型。 2 2 升降装置技术难点分析 2 2 1 大模数七齿小齿轮设计计算及加工成型技术 作为升降系统的重要承载部件，七齿主动小齿轮与齿条直接接触，齿轮齿条 啮合副既需要在升降状态及风暴自存状态下支撑船体甲板及相关设备，长时间处 于承受重载的状态【2 6 】。因此设计大模数七齿齿轮的强度是关系整个平台安全性 能的一个重要因素【2 7 】。根据相关文献研究，提高齿轮齿条承载能力，应在许可 设计约束条件下，尽可能选用较大模数，目前国外七齿主动小齿轮模数较成熟设 计为1 0 0 ，故此处选择七齿主动小齿轮模数为1 0 0 ；变位系数和压力角的增大， 都能在一定程度上提高齿轮的承载能力，此处七齿主动小齿轮采用高变位系数 0 4 3 7 5 ，压力角采用2 5 。的渐开线函数，齿数为7 ，基圆直径为6 3 4 6 m m ，齿根 圆直径为5 7 3 5 m m ，齿项圆直径为9 6 0 m m ，节圆直径为7 0 0 m m ，且齿根和齿顶 修圆，齿根倒角半径为3 8 m m ，齿顶圆倒角半径为2 6 m m 2 8 1 。根据以上设计参数， 利用a u t o c a d 软件设计大模数七齿齿轮图纸如图2 - 2 所示，齿条图纸如图2 3 所 示，啮合示意图纸如图2 4 所示【2 9 】。 图2 - 2 大模数七齿齿轮模型 f i 9 2 - 2t h em o d e lo fl a r g em o d u l ep i n i o no fs e v e nt e e t h 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：自升式海洋平台齿轮齿条升降装置设计研究 图2 - 3 齿条模型 f i 9 2 - 3t h em o d e lo fr a c k 图2 - 4 大模数七齿齿轮与齿条啮合示意图 f i 9 2 - 4t h em o d e lo fl a r g em o d u l ep i n i o na n dr a c k 七齿小齿轮的模数为m = 1 0 0 ，该种大模数齿轮采用普通的齿轮加工方法是无 法实现的。目前应用于大模数齿轮加工较多的是采用数控火焰、等离子技术。 数控火焰或等离子切割均利用数字运动控制系统，通过在系统中编写加工程 序或者调入加工文件活图形，结合步进或伺服电机驱动器，驱动步进或者伺服电 机来控制机床的加工轴来实现运动，它可以实现火焰等离子切割的加工工艺， 通过可燃气体或者等离子弧切割出所需要的金属形状。 火焰切割是利用氧化铁燃烧过程中产生的高温来切割碳钢，优点是切割范围 很广，可以切6 r a m 2 0 0 r a m 厚的钢板；不足之处是火焰切割的热影响区大，相应 热变形比较大。为了切割准确有效，操作人员需要在切割过程中回避金属板的热 变形 3 0 1 。 数控等离子切割的工作原理是数控机床利用由高温等离子电弧产生的较高 的热量对工件切口处进行处理，使其金属局部熔化( 和蒸发) ，且利用高速等离子 产生的较大动量将工件的熔融金属清除掉，以形成工件切口。 优点： f 1 ) 切割领域宽，可切割所有金属板材； ( 2 ) 切割速度快，效率高，切割速度可达1 0 m r a i n 以上； ( 3 ) 切割精度比火焰切割高，水下切割无变形，精细等离子切割则精度更高。 缺点： 切割2 0 r a m 以上钢板比较困难，需要很大功率的等离子电源，成本较高。 第2 章自升式海洋平台升降装置总体方案设计研究 根据目前国内火焰切割技术现状，针对超大模数齿轮齿条的火焰切割加工技 术进行基础理论研究是十分有必要的1 3 1 。火焰切割加工技术主要受火焰切割表 面质量、垂直度、精度等因素的影响。基于此，本文通过综合考虑这几点因素， 提出如下建议： ( 1 ) 火焰切割的喷嘴结构参数、火焰结构参数以及多种可燃气纯度及其最佳 混合配比等方面是影响数控火焰精密切割技术精密性的主要因素，因此采用将理 论研究与实验研究相结合的方法对其进行理论分析、有限元模拟是十分有必要 的： ( 2 ) 通过有限元分析方法对火焰切割过程中的应力场、应变场及温度场进行 热力耦合分析，建立有限元分析模型和有限元列式，揭示在热切割过程中变形区 各个点的热变形情况，研究喷嘴的位置补偿问题，从而获取精确的喷嘴数控加工 路径曲线； ( 3 ) 研究火焰切割过程中喷嘴出口处的燃烧喷射火焰的速度特性，得到切割 火焰的形态参数，从而研究切割加工精度、垂直度及表面粗糙度等参数与火焰形 态参数之间的理论和拟合关系 3 2 1 。 2 2 2 锁紧系统自动调节和复位技术 与升降系统相对应的，自升式海洋平台的另一个关键设备便是锁紧系统，其 主要作用是当升降作业完成后，为使平台能够准确的固定在某一高度，锁紧系统 对其进行有效定位，并将平台载荷有效转移。该系统的性能优劣同样直接关系到 整个平台的安全性能和使用效果。目前国外评定锁紧装置性能优劣的标准为自动 复位功能和自动调节功能。但在实际应用中，加工制造条件和现场安装约束着自 动复位和自动调节的功能难以按照设计要求精确完成。因此在锁紧系统的设计过 程中需要注意以下关键问题： ( 1 ) 自动复位技术 在锁紧条件下锁紧系统的卡爪的由啮合状态逐渐与桩腿齿条脱离并复位到 初始状态，即能够在升降系统工作前实现卡爪的自动复位，保证升降作业的正常 进行。 ( 2 ) 自动调节技术 当自升式海洋平台升降到某一高度停止后，容易出现锁紧装置的卡爪和桩腿 齿条不能准确对位的情况。在该种情况下要求锁紧装置能够对卡爪的上下位置进 行微调，实现卡爪与齿条的准确对位啮合。 ( 3 ) 锁紧系统和升降系统的协同工作技术 在自升式海洋平台的整个工作过程中，锁紧系统和升降系统需要合理配合、 协同工作才能保证平台的安全性与使用效果。 ( 4 ) 锁紧装置工作的安全性和可靠性技术 在自升式海洋平台的锁紧状态下，整个平台的重量由锁紧系统的卡爪和桩腿 的齿牙承担，因此极易产生受力不均导致卡爪或齿牙发生断裂失效。为保证锁紧 状态下平台的安全性，对锁紧系统的设计提出了更高的要求。在其设计过程中， 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：自升式海洋平台齿轮齿条升降装置设计研究 需尽量减小桩腿齿条齿根部位的应力集中，且保证各个齿牙的受力均匀【3 3 】【3 4 】。 2 2 3 行星减速器方案可行性理论分析 在行星轮系传动过程中由于其行星轮的数目为3 ，并且装配过程中三个行星 轮均匀对称地分布于中心轮之间f 3 5 】；在上述条件下，行星轮系传动过程中，各 基本构件( 中心轮3 ，内外齿轮5 ，和行星架h ) 对其传动轴上轴承作用的总径向 力为零。为方便对行星轮系进行受力分析，在行星轮系的受力分析图中都没有绘 出各构件的径向力f r 3 6 。 在分析行星轮系的齿轮间受力过程中，不考虑齿轮与齿轮间啮合时产生的摩 擦力。基于以下几点假设对行星轮系进行受力分析： ( 1 ) 假设在各个时刻行星轮系齿轮处于静力平衡状态，忽略振动和惯性力的 影响，因此作用力等于作用反力。 ( 2 ) 假设在一个构件上受到三个力，已知其中两个力为同方向的平行力，则 第三个力必定与与前两个力方向相反，并且作用点在已知两力的作用点的中心位 置。 ( 3 ) 当求两个平行力的比值时，可采用两个力对第三个力的作用点求力矩平 衡的方法。 在行星轮系系统中，分析受力是从运动的输入零件( 太阳轮3 ) 开始的，然后 依次确定各个构件上所受的作用力。 输也t v t 1 蛩2 - s 行星轮系传动简图 图2 - 6 各个部件受力分析 n 娜伽吣面豁蛔n 慧。r a 曲r p l a n e t a r yg r i 9 2 - 6r o r c ea n a l y s i sf o re a c hp a r t t r a l n 在图2 5 、2 - 6 中对行星轮系中各传动齿轮进行受力分析，作出其受力简图。 假设运动输入端太阳轮对行星轮的接触力为，则： ，43=，(21) 由图2 - 6 可以看出