（机械电子工程专业论文）自升式平台升降系统研究与设计.pdf

c a n d i d a t e ：s u nj i n g h a i s u p e r v i s o r ：p r o f g o n gh a i x i a a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a l & e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y , 2 010 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 010 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 卜- l i _ ? k 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：孙录鸿 日期：乒o i 0 年3 月f 5 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：孙秉魂 日期：山f0 年3 月修日 导师( 签字) ：弘匀霪 又p m 年3 月箩日 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 摘要 随着社会的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的需要越来越大， 陆上油气资源经过长期大规模的开发之后，油气资源日渐衰竭，油气资源的开 发已从陆地转向海洋。自升式平台是一种海上活动式钻井装备，目前是我国 海洋石油勘探中使用最多的一种钻井平台，平台的升降系统是重要组成部分。 其性能直接影响到平台的安全及其使用效果。 本课题目的是对自升式平台升降系统进行设计与研究。为推动我国海洋 油气勘探开发事业提供技术支持。 本文介绍了自升式平台的国内外发展概况和平台升降系统结构组成、工 作原理、工作过程。 根据自升式平台升降系统的设计要求，提出了升降系统的总体结构设计 方案，即齿轮齿条升降方案。设计了单根桩腿的升降系统的机械结构。分析 了自升式平台的作业环境，计算了自升式平台所受的风力、波浪力、海流力， 为升降系统的设计与桩腿的分析提供了必要依据。在总体方案的基础上对升 降系统的桩腿、固桩架、升降装置和锁紧装置等进行了详细设计。 完成了桩腿在着底状态下整体强度分析、局部强度分析和拖航状态下桩 腿的动力分析。利用a n s y s 软件对升降系统的齿轮齿条和齿形楔块齿条采用 有限元方法进行了接触强度分析。验证了升降系统设计的合理性。 设计了升降系统的液压系统。包括：液压系统原理图的设计、执行机构 的计算、液压泵的选型。 关键词：自升式平台；升降系统；结构设计；强度分析；液压系统 一x 矗。 哈尔滨丁稗大学硕十学伊论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n dt h ep r o g r e s so ft h es c i e n t i f i c t e c h n o l o g i e s ，h u m a ns o c i e t yh a sa ni n c r e a s i n gn e e df o re n e r g y t h r o u g hal o n g p e r i o da n dl a r g e s c a l ee x p l o i t a t i o n ，t h e l a n d - b a s e d so i la n dg a sr e s o u r c e sa r e 幸 e x h a u s t i n gd a yb yd a y , a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h i sr e s o u r c e sh a st u r n e dt os e a f r o mt h el a n d j a c k u pp l a t f o r mi so n eo fm o v a b l eo f f s h o r ed r i l l i n ge q u i p m e n t ， w h i c hi st h em o s tp o p u l a rd r i l l i n gp l a t f o r md u r i n gc h i n a so f f s h o r eo i l e x p l o r a t i o n j a c k i n gs y s t e mo ft h ep l a t f o r mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n t ，a n di t s p e r f o r m a n c e ，d e r e c t l yi m p a c t so nt h es e c u r i t ya n dt h eu s e e f f e c t so ft h ep l a t f o r m t h ep u r p o s eo ft h i ss u b j e c ti st od e s i g na n dr e s e a r c hj a c k i n gs y s t e mo ft h e j a c k - u pp l a t f o r m ，p r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rp r o m o t i n gt h ee x p l o r a t i o na n d d e v e l o p m e n to fc h i n a so f f s h o r eo i la n dg a s t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h eg e n e r a ld e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h ej a c k - u p p l a t f o r m so fi n t e m a la n de x t e r n a l ，t h ej a c k i n gs y s t e m ss t r u c t u r e ，p r i n c i p l eo f w o r k a n dp r o c e s so fw o r k a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s o fj a c k i n gs y s t e mo ft h ej a c k - u p p l a t f o r m ，i tp r o p o s e st h eo v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g ns c h e m e so ft h ej a c k i n gs y s t e m ，i t i s g e a r a n dr a c kj a c k i n gs y s t e m d e s i g ne a c h 1 e g m e c h a l l i c a l 。fj a c k i n g s y s t e m ，a n a l y s i so ft h ej a c k i n gs y s t e m so p e r a t i n gc o n d i t i o n s c a l c u l a t e dj a c k i n g p l a t f o 肌s u 舵r e dw i n df o r c e ，w a v ef o r c e ，。c e a n c l l r r e n tf 1 0 r c e f 0 rt h ej a c k i n g s y s t e md e s i g na n da n a l y s i so fl e g sp r o v i d et h en e c e s s a r yb a s i s b a s e d o nt h e o v e r a l lp r o g r a m ，i tm a k e sad e t a i l e dd e s i g no ft h ej a c k i n gs y s t e m sl e g , j a c k i n g f r a m e , j a c k i n gd e v i c e sa n dl o c k i n gd e v i c e ss t r u c t u r e t h ed i s s e r t a t i o na l s oc o m p l e t e st h eo v e r a l ls t r e n g t ha n dl o c a ls t r e n g t h a n a l y s i so ft h el e g su n d e rt h e s t a t eo ft o u c h d o w n ，a n dd y n a m i ca n a l y s i si nt h e t r a n s i t i o nc o n d i t i o n i tu s e sa n s y st oa c h i e v et h ec o n t a c ts t r e n g t hv e r i f i c a t i o no f h - 哈尔滨丁程大学硕十学伊论文 t h eg e a ra n dr a c k ，w e d g ea n dr a c ko ft h ej a c k i n gs y s t e mt h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，i tw i l lp r o v et h er e a s o n i n go ft h ed e s i g nt h ej a c k i n gs y s t e m d e s i g n so ft h eh y d r a u l i cc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h ej a c k i n gs y s t e m w h i c h i n c l u d ed e s i g no fh y d r a u l i cc i r c u i t ，p a r a m e t e rc a l c u l a t i o no ft h eh y d r a u l i ca c t u a t o r , a n dh y d r a u l i cp u m ps e l e c t i o n k e yw o r d s ：j a c k u pp l a t f o r m ；j a c k i n gs y s t e m ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；i n t e n s i o n a n a l y s i s ；h y d r a u l i cs y s t e m 哈尔滨1 = 程大学硕+ 学伊论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言“1 1 2 课题目的及意义2 1 2 1 课题研究目的- 2 1 2 2 课题研究意义2 1 3 自升式平台国内外发展概况3 1 3 1 国外自升式平台发展概况3 1 3 2 国内自升式平台发展概况7 1 4 升降系统的概况9 1 4 1 桩腿的结构形式“9 ，1 4 2 升降系统的结构形式1 0 1 5 论文主要研究内容1 2 第2 章自升式平台升降系统的总体方案1 4 2 1 自升式平台升降系统的总体方案1 4 2 1 1 自升式平台升降系统的工作原理1 4 2 1 2 自升式平台升降系统的组成1 4 2 1 3 单根桩腿的升降系统设计技术参数1 5 2 1 4 单根桩腿的升降系统机械构成l5 2 1 5 升降系统的工作过程16 2 2 自升式平台的作业环境分析1 7 2 2 1 设计载荷的种类1 7 2 2 2 风载荷的计算1 9 2 2 3 波浪载荷的计算2 0 2 2 4 海流载荷的计算2 4 2 3 本章小结”2 4 一 r 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第3 章升降系统结构设计2 6 3 1 桩腿设计2 6 3 1 1 桩腿长度的确定2 7 3 1 2 桩腿尺寸及参数2 7 3 1 3 齿条设计及加工工艺2 8 3 1 4 弦杆设计及加工工艺2 8 3 1 5 桩腿的焊接2 9 3 1 6 桩靴的设计2 9 3 2 固桩架设计- 2 9 3 3 升降装置的设计3 0 3 3 1 小齿轮的设计一3 l 3 3 2 二级齿轮减速器与行星减速箱设计31 3 3 3 液压马达计算与选择3 3 3 4 锁紧装置设计3 4 3 4 1 锁紧装置的结构设计3 4 3 4 2 螺旋升降机和液压马达的选择3 6 3 4 3 联轴器的选择3 8 3 5 本章小结3 8 第4 章升降系统的强度分析3 9 4 1 桩腿强度分析3 9 4 1 1 桩腿着底状态下整体强度分析3 9 4 1 2 桩腿着底状态下局部强度分析4 2 4 1 3 拖航状态下桩腿的动力分析4 2 4 2 基于a n s y s 升降系统结构的强度分析“4 9 4 2 1 桩腿有限元分析4 9 4 2 2 齿轮和齿条接触分析5 2 4 2 3 齿形楔块和齿条接触分析5 6 5 2 执行机构参数6 5 5 3 液压泵的选型6 7 5 3 1 最大工作压力6 7 5 3 2 最大流量6 7 5 3 3 液压泵的规格选择6 8 5 3 4 液压油管的选择6 8 5 4 本章小结7 0 结论7 1 参考文献7 2 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 6 致谢7 7 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着社会的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的需要越来越大。 陆地上油气资源经过长期大规模的开发之后，油气资源日益贫乏，世界范围 内的油气勘探与开发转向了资源丰富的海洋。据统计，世界海洋石油资源量 占全球石油资源总量的3 4 ，全球海洋石油蕴藏量约1 0 0 0 亿吨，其中己探 明储量的为3 8 0 亿吨1 。 中国作为世界经济发展的新兴力量，对能源的需要日益扩大，国内的原 油产量远远不能满足国内的需求。在2 0 0 3 年中国已经成为世界上第二大石油 进口国。此外，能源安全问题也是重要因素。当前，我国石油进口主要来自 中东，考虑到中东局势以及台湾问题，一旦油路被封锁，将对石油进口产生 严重影响。因此，我国的能源安全问题已经成为加速海洋油气开发的最迫切 原因。我国海上油气勘探主要集中于渤海，黄海，东海及南海北部大陆架， 预测石油资源量为2 7 5 3 亿吨天然气资源量为1 0 。6 万亿吨。目前我国海上原 油发现率仅为1 8 5 ，天然气发现率仅为9 2 ，由此可见，我国海域石油和 天然气勘探开发潜力极其巨大卜1 。 在世界经济和技术高速发展的今天，海洋开发已经成为全球新技术革命 的重要组成部分，海洋油气开发又是当今海洋开发工程的主要内容之一。自 升式平台是一种海上活动式钻井装备，目前是我国海洋石油勘探中使用最多 的一种钻井平台，由于其定位能力强和作业稳定性好，在大陆架海域的油气 勘探开发中居重要地位。 自升式平台主要由平台结构、桩腿、升降系统、钻井装置( 包括动力设备 和起重设备) 以及生活楼( 包括直升飞机平台) 等组成。平台在工作时用升降系 统将平台提升到海面以上，使之免受海浪冲击，依靠桩腿的支撑站立在海底 进行钻井作业。完成任务后，降下平台到海面，拔起桩腿并将其升至拖航位 哈尔滨工稃大学硕十学何论文 置，即可拖航到下一个井位作业。 桩腿是自升式平台的关键。当作业水深加大时。桩腿的长度、尺寸和质 量迅速增加，作业和拖航状态的稳性则变差。所以自升式平台最大的作业水 深受到制约，作业范围限于大陆架2 0 0 m 水深以内p 。 1 2 课题目的及意义 1 2 1 课题研究目的 通过对自升式平台升降系统进行研究开发，突破升降机构的设计制造关 键技术和控制关键技术，为推动我国海洋油气勘探开发事业提供技术支持。 1 2 2 课题研究意义 平台的升降系统是在拖航、钻井、风暴自存等工况下保证平台安全的最 关键组成部分。其性能直接影响到平台的安全及其使用效果。自升式平台的 升降系统作为整个平台建造的难点，致使国内相关建造单位无法实现整个平 台的总包。在平台的建造过程中，国内相关建造单位只能承担船体建造、设 备的安装等工作。因此获得的利润相当有限。 在自升式平台的建造成本中，其升降系统占相当大的比重( 约占平台总 价的3 0 ) 。目前，全世界范围内自升平台升降系统的供给主要被几个国外 石油设备公司垄断。由于以上原因，突破设计制造关键技术，摆脱国外技术 的束缚，充分参考、消化国际该行业最先进技术的情况下，自主开发出一套 具有自主知识产权的升降系统具有以下意义。 1 自主研发的升降系统，在摆脱国外设备垄断的同时，还可以为国家 能源安全提供保障。 2 自主研发的升降系统相比国外垄断的产品性价比会十分突出，能有效 降低自升式平台建造成本，为国家节省大量石油钴采设备成本。 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 3 突破升降系统的技术瓶颈，实现该设备的国内供应，可以为国内相 关建造单位实现平台的总承包，从而实现利润的最大化，并且提高平台建造 在国际上的竞争力。 4 自主研发升降系统可以为国内相关石油配套单位提供机会，在当今 国际经济形势严峻的大环境下，注入新的生机。 基于上述原因，设计自升式平台升降系统意义重大。 1 3 自升式平台国内外发展概况 世界上主要的自升式平台设计公司有，美国的l e t o u m e a u 、f & g 、 b a s s 与b m c ，荷兰兰的m s c ，法国的c f e m 。每个公司已经形成多种型号 的系列产品。当前占技术领先地位的是l e t o u m e a u ，m s c 和f & g 。美国的 l e t o u r n e a u 公司是自升式钻井平台设计的先驱，全世界1 3 的自升式平台 是l e t o u m e a u 的型号， “11 6 - - c ”型号共建造了3 9 艘。荷兰的m s c 公司 设计了一系列自升式钻井平台，工作于超恶劣海况的海域，例如挪威北海与 加拿大东海岸。2 0 世纪8 0 年代初，f & g 从8 0 年代初推出了l - 一7 8 0 系列自 升式钻井平台取得了很大的成功，共建造了3 9 膨。 1 3 1 国外自升式平台发展概况 1 g e o s e a 公司的v a g a n t 自升式平台p 1 参数：平台长4 3 5 m ，宽2 2 5 m ，型深4 2 m 。圆柱型桩腿，总长5 7 5 m ， 其截面圆周为2 m 。桩腿上开设销孔，液压升降。 运行条件：3 0 米水深举升1 2 0 吨标准重量时，波高1 5 m ，潮流1 5 r n s ， 气隙3 m ，穿透深度6 m 。平台如图1 1 所示。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图1 1v a g a n t 自升式平台 2 s e a c o r e 公司的“e x c a l i b u r ，号【5 】 该船整体尺寸6 0 0 0 m 3 2 0 0 m 4 2 4 m ，8 根桩腿组成。每根桩腿由上 下两个似轴承的环形支承组成，每个支承通过气动锁紧系统锁紧桩腿表面。 每个桩腿5 0 米长，平台可在3 0 米的极限水深工作。平台如图1 2 所示。 图1 2 “e x c a l i b u r ”号自升式平台 3 l e t o 啪e a u 的11 6 - - 一c 型粤6 1 船体型长型宽：2 4 3 t t 2 0 6 f t ；船体型深：2 6 t t ；桩腿总长：4 7 7 t t ； 最大作业水深：3 5 0 f t ；最大风速：5 2 m s ； 最大可变载荷：钻井状态：8 7 3 0 k i p s ；风暴自存状态：7 3 7 0 k i p s ； 平台如图1 3 所示。 4 髟“ 哈尔滨丁_ 程大学硕十学伊论文 图1 31 1 6 - c 型号自升式平台 4 m s c 公司的m a e r s kg a l l a n t 【7 】 主要尺寸：船体型长型宽：7 8 2 m x9 0 3 m ；船体型深：1 0 8 m ； 桩腿总长：1 7 5 3 m ；定位桩直径：7 5 m ； 设计标准：最大作业水深：12 2 6 m ；最大作业井深：7 6 2 0 m ； 最大风3 9 9 m s 最大浪高：2 8 5 m ；表面气流：l r n s ； 最大可变载荷：钻井状态：8 0 0 t ；风暴自存状态：6 8 0 t ； 平台如图1 4 所示。 图1 4m a e r s kg a l l a n t 型号自升式平台 5 f r i e d e & g o l d m a n 的j u 2 0 0 0 a 【8 】 主要尺寸：船体型长型宽：2 2 0 f t 2 3 5 f t ；船体型深：2 7 t t ；桩腿总长： 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 萱i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i lin nmmaal = = i i 宣宣i i 宣i 宣i 宣i 宣i 宣萱i i i i 置 4 6 1 t t ；定位桩直径：5 6 f t ；钻台偏移最大距离：1 5 f l 。 设计标准：最大作业水深：3 5 0 f f ；最大作业井深：3 0 0 0 0 f t ；最大风速： 5 1 5 m s ；最大浪高：5 6 f i ；波浪周期：1 4 8 s ； 最大可变载荷：钻井状态：9 0 0 0 k i p s ；风暴自存状态：6 6 0 0 k i p s ； 平台如图1 5 所示。 图1 5 j u2 0 0 0 a 自升式平台平台 6 f r i e d e & g o l d m a n 的j u 2 0 0 0 e 【8 1 主要尺寸：船体型长型宽：2 3l f i 2 5 0 f t ；船体型深：3 1 f c ；桩腿总长： 5 4 8 f i ；定位桩直径：5 9 f t ； 设计标准：最大作业水深：4 0 0 f t ；最大作业井深：3 0 0 0 0 f l ；最大风速： 5 1 5 m s ；最大浪高：6 0 f t ；波浪周期：1 4 1 s ； 最大可变载荷：钻井状态：1 4 4 0 0 k i p s ；风暴自存状态：6 6 0 0 k i p s ； 平台如图1 6 所示。 图1 6j u2 0 0 0 e 自升式平台 6 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 1 3 2 国内自升式平台发展概况 目前我国生产的自升式平台的升降系统主要是进口国外的技术图纸生产 加工或者直接购买国外的成品。我国主要使用自升式平台的公司有中国石油 集团海洋工程公司上海海洋石油勘探开发公司、胜利油田海洋钻井公司 中国海洋石油总公司油田服务公司、大连船舶重工集团公司等。 1 渤海5 号和渤海7 号 我国第一艘自升式钻井平台“渤海一号 于1 9 6 7 年由7 0 8 所完成设计， 1 9 7 2 年在大连造船厂建成交船。总长6 0 4 m ，总宽3 2 5 m ，型深5 m ，作业水 深3 0 m ，最大钻井深度4 0 0 0 m ，满载排水量5 7 0 0 t ，吃水3 3m 。4 根圆柱形 桩腿，直径2 5m 长度7 3 m 。设计了液压油缸升降横梁插销式升降系统，每 桩举升力1 6 0 0 t 。 图1 7 渤海5 号自升式平台 图1 8 渤海7 号自升式平台 此后，渤海石油公司在“渤海一号 的基础上，设计了4 0m 自升式钻井 平台，1 9 8 3 年由大连造船厂建成“渤海5 号 ( 如图1 7 所示) 和“渤海7 号 ( 如图1 8 所示) 两艘自升式钻井平台。总长7 6m ，总宽4 6 6m ，型深 5 5m ，作业水深5 5 - 4 0m ，满载排水量6 4 0 0 t ，吃水3 5m ，最大钻井深度6 0 0 0 m 。4 根圆柱形桩腿，直径3 0m ，长度7 8m ，采用液压插销式升降系统，每 桩举升能力1 8 0 0t 。值得一提的是升降系统作了重大改进，设计了双移动环 梁插销式升降机构，解决了“渤海一号 液压升降机构的不同步问题”。 7 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 2 中海油6 l 号 主要尺寸：总长总宽：6 3 3 m 3 6 6 m ，船体型长型宽为4 3 m 3 6 m ， 型深为4 5 m 。桩腿总长6 0 m ，3 根。最大作业水深2 5 m ，最大风速5 1 5 m 。 3 海洋石油9 4 1 号 图1 9 中海油6 l 号自升式平台 图1 1 0 海洋石油9 4 1 号自升式平台 中国海洋石油总公司的海洋石油9 4 1 号自升式钻井平台( 图1 1 0 ) 于2 0 0 5 年3 月在大连船舶重工集团公司开工建造，2 0 0 6 年5 月3 1 日交付使用，是 目前国内规模最大、自动化程度最高、作业水深最深的自升式钻井平台。长 8 1 4 升降系统的概况 1 4 1 桩腿的结构形式 桩腿的结构型式主要有壳体式桩腿和桁架式桩腿两种。壳体式桩腿按截 面又有圆形和方型。桁架式按截面有三边形和四边形。 下面举几例桩腿，结构如图1 1 1 所示。 圆柱型壳体式桩腿 方型壳体式桩腿 三角形截面桁架式桩腿 四方形截面桁架式桩腿 图1 1 l 桩腿几种结构型式 桁架式的桩腿其齿条分布形式有辐射状分布与齿条对立分布，如图1 1 2 9 哈尔滨丁程大学硕十学1 f 7 ：论文 所示。其中( a ) 和( b ) 为沿纵弦梁径向分布( 辐射状) ，( c ) 为齿条背对背的对立 分布。径向分布结构的桩腿稳定性较背对背式分布好，可以将水平方向的载 荷施加到纵弦梁上；而背对背的对立式齿条分布可以通过纵弦梁平衡水平方 向的载荷，其它撑杆上的水平载荷几乎为零，承受较少的风载且重量较小。 囟一 ( a )c o )( c ) 图1 1 2 桁架式桩腿齿条分布形式 一般而言，壳体式桩腿结构简单，制造容易，相对桁架式桩腿占船体面 积小，但其受风浪作用面积大，适予6 0 米以内浅海域。而桁架式桩腿受风浪 作用面积小，可减少平台重量，提高甲板有效载荷。常用于6 0 米以上深海域 【l o 】 三桩腿和四桩腿是比较常用的两种形式。从减少桩腿的数目和相应的升 降装置的套数、降低造价而言，三桩腿最为理想。但是桩腿越少，对每一根 桩腿的提升能力要求的就越大，使得升降装置的设计与制造更加困难。再预 压时或风暴中，若三腿中有一腿发生突然下陷，平台将随之产生倾斜，会造 成升降装置、桩腿和平台主体等相关结构不同程度的损坏。相比之下，四腿 支承的平台具有较大的刚性，相应的矩形结构在布置和制造等方面也要比三 角形平台方便一些。 1 4 2 升降系统的结构形式 升降系统安装在桩腿和平台主体的交接处，驱动升降装置能使桩腿和主 体作相对的上下运动。升降装置也有把平台主体固定于桩腿某一位置的作用， 此时升降装置主要承受垂直力，水平力则由固桩装置传递 1 。 l o 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i l i l l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i 置i i i i i i i 宣i i i i 暑i 萱i i i i i i i i i 最常用的升降系统主要分为销孔( 齿孔) 式液压升降系统与齿轮齿条升 降系统两种。 l 销孔( 齿孔) 式液压升降系统 销孔( 齿孔) 式液压升降系统利用液压缸中活塞杆的伸缩带动环梁上下 运动，用锁紧销将环梁和桩腿锁紧使桩腿升降。销孔( 齿孔) 式液压升降系 统运动不连续，升降速度比较慢，但体积小，传动效率高，并对桩腿没有公 差要求，结构上无需缓冲垫。 升降系统主要由液压系统、环梁、插销以及桩腿上的销孔( 齿孔) 等部 份组成”一。 以下为桩腿下降的工作原理如图1 1 3 所示： 稍 i b 孑j t f 一黔习 ! _ - 一 目 - l 上一 ( 4 ) 轭销 固定销 甲板 桩腿 剽 i | 一 i ；1 _ 震：；l 錾：l ( 2 ) t 阳 l u 7 i i _ i ： h ( 5 ) 图1 1 3 销孔式液压升降系统原理图 其详细工作循环过程： ( 1 ) 液压缸处于收缩状态，固定销锁紧，轭销拔出； ( 6 ) 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 ( 2 ) 和( 3 ) 液压缸活塞杆伸长，带动环梁上升并将销插入下一个桩腿销 孔内； ( 4 ) 固定销拔出，液压缸活塞杆收缩，并带动环梁与桩腿一起下降； ( 5 ) 液压缸收缩，固定销锁紧，轭销拔出，桩腿运动一个行程； ( 6 ) 重复步骤( 1 ) 。 2 齿轮齿条升降系统 齿轮齿条升降系统采用电机或液压马达作为动力源，经齿轮减速机构带 动小齿轮，小齿轮带动沿桩腿弦杆铺设的齿条，从而驱动桩腿的升降。一根 桩腿上常常铺设有多道齿条。为了减少固桩架所受的水平力，齿条一般是成 对设置的，即附设于同一根弦杆的两侧，使齿轮动作时由于压力角和摩擦力 引起的水平分力可以互相抵消。为缓冲齿条受的冲击力，可在固桩架上下加 上缓冲装置或采取其它措施补偿该冲击力。在齿条两侧设有导向结构，可以 限制桩腿水平方向的位移和旋转，以保证小齿轮与齿条的间距。 齿轮齿条升降系统运动连续、速度快、运动平稳、操作灵活。但其对齿 轮的要求较高，且常需要齿轮箱减速，机构庞大，平台升起后采用锁紧装置 进行固定，升降装置一直处于受力状裂1 1 1 。 其主要构成部分：带有齿条的桁架式或圆柱型桩腿、锁紧装置、升降装 置、上下导向等。 1 5 论文主要研究内容 本文主要针对海上自升式平台的升降系统进行研究，主要完成了以下工 作： 1 、介绍了自升式海洋平台国内外发展概况和平台升降系统结构形式。 2 、提出了升降系统的总体结构设计方案，分析了自升式平台的作业环境。 3 、在总体方案的基础上对升降系统的桩腿、固桩架、升降装置和锁紧装 置进行了详细结构设计。 4 、完成了桩腿在着底状态下整体强度分析、局部强度分析和拖航状态下 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i i 桩腿的动力分析。利用a n s y s 软件对升降系统的重要部件采用有限元方法 进行强度校核，验证了升降系统设计的合理性。 5 设计了升降系统的液压系统。 哈尔滨t 稗大学硕十学伊论文 第2 章自升式平台升降系统的总体方案 本章阐述了自升式平台升降系统的工作原理、组成和工作过程，根据自 升式平台升降系统的设计要求，提出了升降系统的总体方案；对自升式平台 的作业环境进行了分析计算。 。 2 1 自升式平台升降系统的总体方案 2 1 1 自升式平台升降系统的工作原理 自升式平台是由一个平台主体和数个能够升降的桩腿所组成的海上平 台。这些可升降的桩腿能将平台上升到海面以上一定高度，支撑整个平台在 海上作业。平台升降系统既要满足拖航移位时的强度方面的要求，又要满足 作业时着底稳性和强度的要求，以及升降平台的要求。当平台运动到指定位 置后，升降装置驱动桩腿向下运动，下降到海底并使船体相对桩腿向上运动， 使平台上升到海面以上一定高度，到达指定高度后锁紧装置锁紧桩腿，使作 业平台在一定高度安全工作。当作业结束后，锁紧装置松开桩腿，升降装置 驱动桩腿向上运动，使平台重新漂浮在海面上。 2 1 2 自升式平台升降系统的组成 本文研究设计的升降系统机构形式如图2 1 所示，平台有4 根桩腿，在 平台每个角上均有一根三角形桁架型齿条桩腿。本方案采用齿轮齿条式升降 系统，齿轮齿条式升降系统优点是操作性能良好，并有平稳地连续运动的能 力，操作灵活。只要加大升降装置的动力，升降的速度就能提高“，桩腿受 风浪作用面积小，适用于6 0 米以上区域。 三角形桁架式桩腿其齿条分布形式为齿条背对背的对立分布，如图2 2 所示。背对背的对立式齿条分布可以通过纵弦梁平衡水平方向的载荷，其它 撑杆上的水平载荷几乎为零，承受较少的风载且重量较小。每根桩脚有3 条 齿条，每条齿条各对应有6 套升降装置和l 套锁紧装置。这样，每根桩腿就 1 4 和1 2 套锁紧装置。 图2 1 平台桩腿分布形式图2 2 桩腿齿条和升降装置的安放形式 2 1 3 单根桩腿的升降系统设计技术参数 参考国外海上自升式平台参数及将来海上平台发展趋势，自升式平台升 降系统设计技术参数为： 平台最大工作深度为6 0 m 。 平台、桩腿及其它装置等最大载重量6 0 0 0 t 。 4 个桩腿，每个桩腿正常提升工况下为1 5 0 0 t ，应急工况为1 8 0 0 t ， 预压工况为2 0 0 0 t 。 平台升降速度：重载时，最高0 3 m m i r a 轻载时最高0 6 m m i n 。 2 1 4 单根桩腿的升降系统机械构成 本方案采用齿轮齿条式升降系统，一根桩腿的升降系统整体结构如图 2 3 。主要包括一根三角形桁架式桩腿、固桩架、1 8 套升降装置、3 套锁紧装 置等部件组成。具体为： 图2 3 单根桩腿升降系统的三维结构图 桩腿：桩腿的作用是为支撑平台的全部重量外，经受住各种环境外力的 作用，本方案采用三角形桁架式桩腿。主要部件包括：弦杆、齿条，桩靴。 固桩架：固桩架起安装固定升降装置并在不同工况下传递桩腿与平台主 体之间载荷的作用。 升降装置：升降装置的作用是为桩腿的升降提供动力，控制桩腿的上升 和下降。主要部件包括：升降液压马达、二级齿轮减速器、行星减速器、小 齿轮等。 锁紧装置：锁紧装置的作用是锁紧桩腿，使平台处于海平面上，稳定的 进行作业。主要部件包括：锁紧基座、锁紧液压马达、联轴器、螺旋升降机、 齿形楔块。 2 1 5 升降系统的工作过程 升降系统工作过程如图2 4 所示： 1 6 锁紧装置锁紧桩腿的齿条，使平台处于预定的高度静止不动。平台开始进行 预压工作。 工况c d ：预压结束，锁紧装置进行工作，锁紧装置松开桩腿的齿条， 使平台处于可运动状态，升降装置运转，使平台提升至作业的高度。 工况d ：平台到达作业高度，升降装置停止运转，锁紧装置进行工作， 锁紧装置锁紧桩腿的齿条，使平台处于作业的高度静止不动。 工况e ：自升式平台开始作业，平台静止不动。 2 2 自升式平台的作业环境分析 桩腿的作用除了支撑平台的全部重量外，还要经受住各种环境外力的作 用。因此分析自升式平台的作业环境十分的必要。 2 2 1 设计载荷的种类 设计载荷是一切可能影响平台安全与工作的载荷。下面按环境载荷、工 1 7 哈尔滨t 程大学硕七学何论文 作载荷和特殊载荷分成三类吣12 1 。 ( 1 ) 环境载荷 环境载荷是由于直接的和间接的自然环境作用而发生和作用在结构物上 的载荷。由于直接的自然环境作用而发生的载荷有：风载荷、波浪载荷、海 流载荷、地震载荷、冰载荷等。由间接的自然环境作用而发生的载荷，如惯 性力，它是由于平台在漂浮状态时在风、波浪等外力作用下平台运动而产生 的力。 ( 2 ) 工作载荷 工作载荷也称使用载荷，它是指在理想的环境中( 即没有环境载荷) ，对 于结构的存在和使用而产生的载荷，工作载荷包括固定载荷和活载荷。固定 载荷指作用在平台上的不变载荷。它的大小、位置和方向不随时间改变，如 平台重量，永久固定设备重量等。活载荷指与平台使用有关的载荷，例如可 以移动的钻井设备重量、存放的器材重量、人员及其生活必需品的重量等。 ( 3 ) 特殊载荷 特殊载荷( 也称意外载荷) 是在个别使用年限内出现机率很小的载荷，它 是由于意外的环境条件( 如地震) 或平台发生事故( 如着火、爆炸、碰撞) 而发生 的载荷，所以也称事故载荷。 平台及桩腿整体力学模型简图如图2 5 。 图2 5 平台及桩腿整体力学模型 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 2 2 风载荷的计算 风载荷对活动式平台桩腿的结构强度、漂浮稳性和着底稳性影响较大， 风载荷作用到水面以上的结构部分。风载荷与风速成正比，因此风速的取值 显得特别重要。设计风速一般选用5 0 年一遇的风速，我国移动平台规范规定， 设计风速在极端风暴状态时一般不小于5 1 5 m s ，在正常作业时不小于 3 6 研s 1 4 1 。风力的大小与风速、受风面积、风压高度系数和结构物形状系数 有关。风速方向上的风力兄可用下式计算： 晶= 0 6 1 3 c h e v a ( 2 1 ) 式中：晶风载荷( n ) ； c h 高度系数，可由表2 1 查得； c t 形状系数，可由表2 2 查得； v 一设计风速( m s ) ； a 受风构件垂直于风向的正投影面积( m 2 ) 。 ( 1 ) 风压高度系数和结构物形状系数 风速沿高度有规律地变化，当接近海面时风受表面粗糙度影响，速度最 小。所以计算结构物不同高度处的风力时需应乘以风压高度系数c h 值。表2 1 列出我国移动式平台规范中规定的g 值。 表2 1 风压高度系数 海平面以上高度h ( m )c h o 1 5 3 1 o o 1 5 3 3 0 51 1 0 3 0 5 - 4 6 1 2 0 4 6 - - 6 11 3 0 6 1 - - 7 61 3 7 7 6 9 1 51 4 3 9 1 5 1 0 6 51 4 8 1 9 这里c h 取1 1 形状系数e 严格来说是构件形状、构件表面粗糙度及雷诺数的函数。为 便于工程应用，一般都根据构件的形状定出c s 值，如表2 2 所示。 表2 2 形状系数c s 形状 e 梁 1 5 建筑物侧面 1 5 圆柱形 o 5 平台总投影面积 1 0 这里c 取1 ( 2 ) 受风面积a 受风构件垂直于风向的正投影面积a ，是按结构实际轮廓挡风面积计算 的。我们这里取a = 2 4 0 m 2 根据上面所给的风力计算公式可以算出： 当风力v