（机械电子工程专业论文）自升式平台传动系统及减速机的研究.pdf

( i ； ， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho nt r a n s m i s s i o na n dr e d u c e ro f j a c k - u pe l e v a t i n g c a l l d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： y a n gx i a o f e n g p r o f w a n gl i q u a n m a s t e ro f e n g i n e e r i n g 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 j a n u a r y , 2 0 10 m a r c h ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n g u n i v e r s i t y 知， 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) ：7 场舶埠 日弱： 7 ；协年零只 妇 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( 留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) ：肠矽b 庳导师( 签字) ：勿形一 b 凝： z o o 年弓具 娟 、 z o 沁年弓其阴 夕 k 飞 哈尔滨j t = 程大学硕十学位论文 摘要 本文主要完成对自升式平台升降系统的结构设计，升降系统基座的焊接 分析以及强度校核，并对升降系统的控制方法进行简要分析。 首先，论文对国外自升式平台的发展现状及应用情况进行了详细介绍， 以目前先进的自升式平台为研究对象，在吸收借鉴的基础上进行了自升式平 台升降系统的模型建立和虚拟装配。升降系统由升降装置和锁紧装置组成； 升降装置采用齿轮齿条传动方式，主要由固定在桩腿上的齿条及固定在船体 上的升降传动装置小齿轮、减速箱、电动机和制动器所组成，通过计算 校核确定了满足承载要求的传动方案。锁紧装置主要部件有锁紧齿条和螺旋 升降机，这套装置为自升式平台提供了安全保障。 然后，本文使用a b a q u s 软件对升降系统模型进行了有限元分析，利用 三维板单元、实体单元以及梁单元对模型进行网格划分，结果表明该系统强 度满足要求。 最后，对自升式平台升降系统的控制进行了说明，该平台升降系统形式 为三桩腿结构，每根桩腿三弦杆，每根弦杆上六个齿轮箱，控制系统为远程 集中控制和本地控制，基本形式为p l c 模块作为控制单元，通过变频器控制 电动机，装在桩腿边上电气控制机柜，可单独控制每条桩腿的上停下和紧 急刹车。 关键词：自升式平台；传动系统；减速器 毛 哼 哈尔滨下程大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h ed e s i g na b o u ts t r u c t u r ea n dw e l d i n go ft h ej a c ku p e l e v a t i n g h a sm o s t l yb e e nf u l f i l l e d m o r e o v e r , c o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h e e l e v a t i n gs y s t e m si sr e s e a r c h e d f i r s t l y , t h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to ft h ej a c k u pu n i t sa l ei n t r o d u c e d s y s t e m a t i c a l l y v i l t u a la s s e m b l yf o rt h ej a c ku pe l e v a t i n gi sp u tu p t h ej a c ku p e l e v a t i n gi n v o l v ee l e v a t i n gs y s t e ma n dl e gf i x a t i o ns y s t e m t h ej a c ku p sa r e e q u i p p e dw i t har a c ka n dp i n i o ns y s t e mf o rc o n t i n u o u sj a c k i n go p e r a t i o n s t h e p r o g r a mo ft h ee l e v a t i n gs y s t e mi sd e t e r m i n e db yc a l c u l a t i n ga n dc a l i b r a t i n gt o m e e tt h el o a dr e q u i r e m e n t s t h el e gf i x a t i o ns y s t e m ，w h i c ht h em a i nc o m p o n e n t s a r et h er a c ka n ds c r e wl i f i ，m a yp r o v i d em o r es e c u r i t yf o rt h ej a c ku p s e c o n d l y , t h em o d e lo ft h ej a c ku pe l e v a t i n g i sa n a l y z e db yu s i n gt h e a b a q u ss o f t w a r e ，t h et h r e e d i m e n s i o n a lp l a t ee l e m e n t ，p h y s i c a lu n i t sa n db e a m e l e m e n ta r eu s e di nt h ea n a l y s i s t h er e s u l ts h o w st h a tt h es t r e n g t ho ft h ej a c ku p e l e v a t i n gh a sm e t t h er e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h ep a p e rb r i e f l yd e s c r i b e dt h e c o n t r o ls y s t e mo ft h ej a c ku p e l e v a t i n g t h ej a c ku pe l e v a t i n gw i t h3 - l e g g e d ，a n d e a c hp i l el e g g e dh a s 3 - c h o r d e dl e g s ，a n dt h e r ea r es i xg e a rb o x e so ne a c hc h o r d e dl e g s t h ec o n t r o l s y s t e mi n c l u d e sr e m o t ec e n t r a l i z e dc o n t r o la n dl o c a lc o n t r 0 1 t h ep l cm o d u l e a s t h eb a s i cf o r mo fc o n t r o lu n i t s ，t h em o t o ri sc o n t r o l l e db yt h ei n v e r t e r t h e u p s t o p - d o w n a n de m e r g e n c yb r a k eo ft h el e g g e dc a nb ec o n t r o l l e db yt h e e l e c t r i c a lc o n t r o lc a b i n e t s ，w h i c hi nt h el e g g e d t h ej a c ku pe l e v a t i n g ，t h a t d e s i g n e di nt h ep a p e r , n e e dt ob ef u r t h e ri m p r o v e da n dp e r f e c t e d k e yw o r d s ：j a c ku p ；t r a n s m i s s i o n ；r e d u c e r 善 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题研究的目的和意义1 1 2 1 课题研究的目的”l 1 2 2 课题研究的意义”l 1 3 海上移动平台概述2 1 3 1 海上移动式平台的特点一2 1 3 2 海上平台的设计准则一2 1 3 3 海上移动式平台的类型3 1 4 国内外自升式平台的发展现状5 1 4 1 国外自升式平台发展现状”5 1 4 2 国内自升式平台发展现状一7 1 5 论文主要研究内容9 第2 章自升式平台升降系统总体方案1 1 2 1 自升式平台的工作原理”1 1 2 2 自升式平台升降系统的组成”1 1 2 2 1 自升式平台桩腿结构一1 2 2 2 2 升降系统升降装置的结构形式1 2 2 2 3 升降系统锁紧装置的结构形式“1 3 2 3 自升式平台升降系统总体方案“1 3 2 3 1 升降系统总体方案确定1 3 2 3 。2 升降系统的同步性1 5 2 3 3 工作过程载荷分析1 6 2 3 4 升降功率计算1 7 2 3 5 升降平台的驱动源1 8 2 4 本章小结18 第3 章自升式平台升降系统结构设计1 9 c 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 3 1 升降装置的结构设计”1 9 3 1 1 升降装置设计参数”1 9 3 1 2 传动装置设计1 9 3 1 3 传动零件设计”2 2 3 2 锁紧装置结构设计3 0 3 3 本章小结3 2 第4 章自升式平台升降系统焊接分析3 3 4 1 升降系统基座及桩腿的结构“3 3 4 2 焊接性分析一3 5 4 3 焊接前准备及焊接要求一3 8 4 3 1 焊接前准备3 8 4 3 2 焊接要求3 8 4 4 焊接工艺一3 9 4 4 1 坡口选择3 9 4 4 2 具体的焊接过程4 0 4 5 焊接后检查“4 2 4 6 本章小结“4 2 第5 章自升式平台升降系统强度分析一4 3 5 1 升降系统有限元分析“4 3 5 1 1a b a q u s 软件介绍4 3 5 1 2 有限元模型4 4 5 2 材料模型4 6 5 3 载荷工况”4 6 5 4 边界条件4 7 5 5 结果分析一4 7 5 5 1 上部升降装置响应分析4 8 5 5 2 下部升降装置响应分析5 0 5 6 本章小结5 2 第6 章自升式平台升降控制系统5 3 6 1 平台升降系统的控制方案5 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 6 1 1 控制对象概述5 3 6 1 2 控制方案制定5 3 6 2 平台升降控制系统的流程5 4 6 3 平台升降控制系统的组成“5 7 6 3 1 平台控制系统电气配件5 7 6 3 2 平台控制系统的制动5 9 6 3 3 平台控制系统的通信5 9 6 3 4 平台控制系统的中央控制台”6 0 6 3 5 平台控制系统的本地操作面板6 l 6 3 6 平台控制系统的移动手操盒6 2 6 4 平台升降控制系统的原理6 2 6 4 1 升降装置的控制“6 3 6 4 2 锁紧装置的控制6 3 6 4 3 桩腿的控制”6 4 6 4 4 平台的预加载6 4 6 5 控制系统的安全保护”6 5 6 5 1 控制系统的报警6 5 6 5 2 控制系统的速度开关6 5 6 5 3 控制系统的上电自检6 5 6 6 本章小结”6 6 结论”6 7 参考文献6 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 2 致谢7 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在海洋开发领域，海上平台作为海上作业基地的支持结构，是必不可少 的大型装备和设施。各种类型的移动式平台，在设计、建造、运输、海上安 装以及易地重复使用等方面具有简易可行、经济实用及机动灵活等优点，因 此从5 0 年代起就广泛的用于海上钻探及其它海上作业。上世纪7 0 年代以来， 近海油田的开发技术迅速发展，各类移动平台作为主要装备广泛应用于海上 石油的开采。随着世界范围内海上石油工业向深水领域发展，移动式平台显 得更加重要了。 随着世界经济和技术的发展，海洋的经济效益已经成为全球经济的重要 组成部分，而海洋油气开发又是当今海洋开发工程的重要内容之一。海洋自 升式平台是海洋油气勘探，开发的主要手段。除了移动式钻井平台以外，生 活动力平台，修井作业平台，生产储油平台等均可采用自升式平台这一形式。 由此可见，海上自升式平台有很好的应用前景。 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 1 课题研究的目的 本文意在通过对国外自升式平台升降系统的学习研究，以达到对自升式 平台升降系统的核心部分升降传动系统进行详细设计的目的，掌握升降 机构设计的关键技术，为推动我国海洋油气勘探开发事业提供技术支持。 1 2 2 课题研究的意义 平台的升降系统是海上自升式平台的关键组成部分，其性能直接影响到 1 哈尔滨t 稗大学硕七学何论文 平台的安全及其使用寿命。自升式平台升降系统作为整个平台的关键部分之 一，其技术一直由国外掌握。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，升降系统约占平台总价的3 0 。目前，全 世界范围内自升式平台升降系统的核心技术被国外少数石油设备公司垄断。 因此，自主研发升降系统，不仅可以摆脱国外对设备的垄断，还可以为国家 能源安全提供保斟2 1 。 1 3 海上移动平台概述 1 3 1 海上移动式平台的特点 1 3 1 1 可移动性 它可工作在不同海域、不同作业地点、不同工作水深，而且平台的方向 也是不确定的。这些因素增加了这类平台载荷计算的工作量，根据这一特点， 设计中应考虑平台移动的便捷、安全，合理的选取海洋环境参数。 1 3 1 2 综合性强 海上移动式平台是一项综合工程，它涉多门专业知识，如船舶工程、海 洋环境、结构力学、流体力学、土木力学钢结构、计算机技术、机械、电气 和特种工艺设备等方面知识。 1 3 1 3 事故发生率高 由于它的可移动性和运动性，在迁航、就位或离位、作业和自存等状态 中均可能发生事故，因此，在设计、建造和使用中均应将平台的安全性放在 首位。移动式平台应经船检部门严格检验，取得海上移动式平台入级证书和 海上移动式平台法定检验证书。 1 3 2 海上平台的设计准则 任何一种海上平台的设计，不论平台的类型如何，也不论是用于什么水 2 域，都必须符合四个基本要求：( 1 ) 大小必须满足预计的作业要求； ( 2 ) 结构必须能支撑作业所需设备的载荷；( 3 ) 不管是预制还是安装，建造方法 都要切实可行；( 4 ) 费用要适当。平台设计者在设计时必须考虑的因素包括： 水深、气候条件、海床情况、油藏的大小和预计生产水平、建造和安装的方 法以及总费用，在考察过这些标准之后才有可能选出一种合适的平台p 1 。 由于平台的制造是在陆地上进行的，而安装则是在海上进行的，因此它 的安装方法也必须在设计中予以考虑。下水方法和安装载荷等因素是平台设 计中最为关键的内容之一。 平台的宽度和高度相差几英尺意味着基本设计上的许多变化。为了保证 平台不但能够为初期的作业而且也能为长期的作业需要提供必要的硬件条 件，就要求我们在设计时考虑的细致周到。随着开采移向较深的海域，水深 已成为一条越来越重要的设计标准了。在海洋石油工业发展过程中，“深水 这一概念已发生了变化，习惯上认为超过现有最深平台所能达到的深度为“深 水。深水平台的设计虽然与浅水平台有些联系，但是设计深水平台所要考 虑的因素与设计浅水平台却大相径庭。在深水海域，由波浪运动造成的应力 比浅水域复杂得多，安装的难度也变大；疲劳损伤对于深水海域的平台来说 是个比较大的问题，深水平台的重量剧增使普通安装技术无法满足需要，必 须寻找新的方法吲。 1 3 3 海上移动式平台的类型 海上移动式平台是高出海面的可移动的海上结构体，它为海洋资源勘探 开发和海上施工等提供海上作业和生活条件，它可根据需要从一个作业地点 转移到另一个作业地点，可移性是它的最大特剧5 1 。 1 3 3 1 坐底式平台 坐底式平台是用下部沉垫连接数个支柱支承着高于水面的上层甲板，坐 在海底作业的平台，所以称为坐底式平台。它是利用沉垫或立柱中的压载水 舱注水下沉和排水浮起的原理进行下沉和起浮操作，这类平台也称为沉浮式 膏 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 平台。 1 3 3 2 半潜式平台 半潜式平台是由数个具有足够浮力的立柱连接到下壳体或柱靴上，由立 柱支承上部壳体作业的平台。正常作业状态，其下壳体或柱靴潜入水中，立 柱下半部潜入水中，呈半潜状态，所以称为半潜式平台。它在浅水作业时， 也可以像坐底式平台一样坐在海底作业。半潜式和坐底式平台均利用立柱稳 定原理，可将这两种平台统称为柱稳式平台。 1 3 3 3 浮船式平台 浮船式平台( 如图1 1 ) 具有单个或多个船形壳体在漂浮状态下正常作业。 带推进机械的称为船式平台，无推进机械的称为驳船式平台。这类平台具有 船舶特性，又在漂浮水面状态下作业，所以称为浮船式，也有的称为水面式 平台。 疵。 。：。4 舻自燃 。 ：”+ 警魏 。* 锄孵锈 图1 1 浮船式平台 图1 2 自升式平台 1 3 3 4 自升式平台 自升式平台( 如图1 2 ) 是具有三个以上可以上下移动的桩腿，通过升降 机构可将平台主体结构升到海面以上一定高度进行作业的平台，其平台主体 结构可以沿桩腿上升或下降，所以称为自升式平台。桩腿下部带沉垫的自升 式平台称为沉垫自升式平台；桩腿不带沉垫的平台称为插桩自升式平台，桩 腿插入海底作业扣1 。 4 哈尔滨 i 程大学硕士学位论文 1 4 国内外自升式平台的发展现状 世界上主要的自升式钻井平台设计公司有，美国l e t o u m e a u ，f & g ，b a s s 与b m c ；荷兰的m s c ；日本的三井海洋开发与h i t a c h iz o s e n 以及法国c f e m 。 当前技术处于领先地位的是l e t o u m e a u ，m s c 和f & g ；其l e t o u m 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 r n e a u 的型号， “1 】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。f & g 从八十 年代推出了l - 7 8 0 系列自升式钻井平台取得了很大成功，共建造了3 9 艘。三井 海洋开发，h i t a c h iz o s e n 和c f e m 在最近2 0 多年，既没有新型号平台推出， 也没有老型号平台的再建 1 。 1 4 1 国外自升式平台发展现状 下面主要介绍国外自升式平台的参数，以及设计标准。 1 4 1 1z e n t e c hi n c o r p o r a t e d 公司的z - 2 1 0 主要尺寸：船体型长x 型宽：2 0 8 f t x1 4 4 t 乇：船体型深：1 8 f t ：桩腿总长： 9 8 m ；桩腿数量：4 根；钻台偏移最大距离：横向1 5 f t ，纵向7 0 r 。 设计标准：最大作业水深：2 1 0 f t ；最大作业浪高：4 1 2 f t ：最大风速：1 0 0 节；波浪周期：1 2 5 s ；最大气隙：3 5 f t ；表面气流：o 7 6 m s ：底部气流：0 3 7 m s p l 。 1 4 1 2z e n t e c hi n c o r p o r a t e d 公司的r 4 5 0 d 主要尺寸：船体型长型宽：2 4 0 f t 2 1 2 f t ，船体型深：2 6 f t ；桩腿总长： 1 5 5 m ；桩腿数量：3 根；钻台偏移最大距离：横向1 5 f t ，纵向7 0 r 。 设计标准：最大作业水深：4 0 0 f t ；最大作业浪高：4 5 f l ；最大风速：1 0 0 节；波浪周期：1 0 s ；气隙：3 5 f t 。 升降系统：提升小齿轮数：5 4 ；升降速度：1 5 f t m i m 正常提升能力： 3 8 5 k i p s d x 齿轮；最大支撑能力：7 7 0 k i p s d x 齿轮；最大风暴支撑能力：1 0 2 7 k i p s 小齿轮。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 最大可变载荷：钻井状态：9 0 0 0 k i p s ；升船状态：6 0 0 0 k i p s ；风暴自存状 态：6 0 0 0 k i p s 。 1 4 1 3f r i e d e & g o l d m a n 公司的j u2 0 0 0 a 外形如图1 3 所示，主要尺寸：船体型长型宽：2 2 0 f i x 2 3 5 f t ；船体型深： 2 7 f l ；桩腿总长：4 6 1 f t ；定位桩直径：5 6 f t ；悬臂梁尺寸：7 5 f l ；钻台偏移最 大距离：1 5 f t 。 设计标准：最大作业水深：3 5 0 f t ；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 t ；波浪周期：1 4 8 s ；气隙：4 0 f t ；表面气流：0 8 m 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 州。 图1 3j u2 0 0 0 a 模型图图1 4j u2 0 0 0 e 模型图 1 4 1 4f r i e d e g o l d 删公司的j u2 0 0 0 e 外形如图1 4 所示，主要尺寸：船体型长型宽：2 3 l f l 2 5 0 f t ；船体型深： 3 m ；桩腿总长：5 4 8 f t ；定位桩直径：5 9 f t ；悬臂梁尺寸：7 5 f t ；钻台偏移最 大距离：1 5 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 t ：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 ；气隙：4 0 f t ；表面气流：0 7 7 m 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 。 1 4 1 5f r i e d e & g o l d m a n 公司的m o di i 外形如图1 5 所示，主要尺寸：船体型长型宽：1 8 0 f l 1 7 5 f t ；船体型深： 2 5 f t ；桩腿总长：4 1 7 f t ；定位桩直径：4 0 f l ；悬臂梁尺寸：4 0 5 0 f t ；钻台偏移 6 最大距离：横1 2 f t 。 设计标准：最大作业水深：3 0 0 f t ；最大作业井深：2 5 0 0 0 f i ；最大风速： 5 1 4 m s ；最大浪高：5 0 f i ；波浪周期：1 3 5 s ；气隙：3 7 f t 。 最大可变载荷：钻井状态：8 1 0 0 k i p s ；风暴自存状态： 6 0 0 0 k i p s 。 1 4 1 6f r i e d e & g o l d m a n 公司的s u p e rm 2 外形如图1 6 所示，主要尺寸：船体型长x 型宽：1 9 6 f t x1 8 3 f i ；船体型深： 2 5 f i ；桩腿总长：4 1 1 r ；定位桩直径：4 0 f t ；悬臂梁尺寸：5 5 f i ；钻台偏移最 大距离：1 5 f t 。 设计标准：最大作业水深：3 0 0 f t ；最大作业井深：2 5 0 0 0 f t ；最大风速： 5 1 4 m s ；最大浪高：5 0 f i ：波浪周期：1 3 5 s ；气隙：3 7 f t 。 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 0 0 0 k i p s 。 图1 5m o di i 模型图 图1 6s u p e rm 2 模型图 1 4 2 国内自升式平台发展现状 我国目前生产的自升式平台主要是引进国外的技术生产加工或者直接购 买国外的成品。我国使用自升式平台主要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 4 2 1 渤海1 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 3 m 。4 根圆柱形桩腿，直径 2 5 m 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 。 1 4 2 2 渤海5 号 渤海石油公司在“渤海1 号 的基础上，设计了4 0 m 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) ，总长7 6 m ，总宽4 6 6 m ， 型深5 5 m ，作业水深5 5 - - - 4 0 m ，满载排水量6 4 0 0 t ，吃水3 5 m ，最大钻井深度 6 0 0 0 m 。4 根圆柱形桩腿，直径3 o m ，长度7 8 m ，采用液压插销式升降系统， 每桩举升能力1 8 0 0 t 。渤海5 号的升降系统作了较大的改进，设计了双移动环 梁插销式升降机构，解决了“渤海l 号 液压升降机构的不同步问题。 图1 7 渤海5 号自升式平台 图1 8 中海油6 1 号 1 4 2 3 中海油6 1 号 外形如图1 8 所示，主要参数：总长x 总宽：6 3 3 m 3 6 6 m ；船体型长 型宽：4 3 m 3 6 m ；船体型深：4 5 m ；桩腿总长：6 0 m ；桩腿数量：3 根；钻 台中心可移动最大距离：横向3 5 m ，纵i f i j s m ；桩腿结构：圆柱壳体式，焊接 有齿条桩靴：尺寸：5 7 m 5 7 m 1 6 m ；悬臂梁尺寸( 长宽高) ：2 3 7 1 m 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 0 7 m ( 悬臂梁箱形体宽) 4 0 m 。 设计标准：最大作业水深：2 5 m ；最大作业井深：6 0 0 0 m ( 27 8 钻具) ；最 大风速：5 1 5 m s ；桩腿入泥深度：1 0 m ；轻载拖航吃水：2 8 m ；满载拖航吃 水：3 m 。 最大可变载荷：钻井状态：l1 0 6 t ：拖航状态( 近距离移位) ：4 5 5 t ；升船 状态：4 5 5 t ；拖航状态( 远距离拖航) ：2 1 0 t ；风暴自存状态：7 2 1 5 t 。 1 4 2 4 海洋石油9 4 1 号 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 9 ) 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7 0 4 m ，型 宽7 6 m ，型深9 4 5 m ，钻井深度9 0 0 0 m ，最大作业水深1 2 2 m ，3 根桁架式桩腿， 总长1 6 7 m 。 图1 9 海洋石油9 4 1 号自升式平台 1 5 论文主要研究内容 本文的主要内容是对海上自升式平台进行总体研究，参考f r i e d e & g o l d m a n 公司i 约s u p e rm 2 型号平台对平台的升降系统，夹紧系统以及相关 基座部分进行深入分析，并用已经掌握的方法对平台的结构进行自主设计。 设计参数如下： 9 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 7 水深：3 0 0 f i ；最大浪高：5 0 f l ：风速：l o o n 里, j 、时；波浪周期：1 3 5 s ：最 大提升变载荷：9 0 0 0 k i p s ；最大操作变载荷：9 0 0 0 k i p s ；拖拽变载荷：6 0 0 0 k i p s 自存状态变载荷：6 0 0 0 k i p s 。 1 0 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 第2 章自升式平台升降系统总体方案 本章将阐述自升式平台升降系统的工作原理，工作过程以及升降系统的 各组成部分的结构。根据自升式平台升降系统的设计要求，确定自升式平台 升降系统的传动系统和减速箱的总体设计方案。 2 1 自升式平台的工作原理 自升式平台有很多种，但以自升式钻井平台最典型，数量也最多。自升 式平台由一个平台主体( 漂浮于水面时为浮体) 和若干桩腿所组成。通过升 降装置的动作，平台主体或桩腿可垂直升降。平台拖航到达井位后，先放桩 腿下降至海底，进一步提升主体，使之沿桩腿上升到离开海面一定高度，以 避开波浪对平台主体底部的冲击。钻完井平台离开井位时，先将主体下降到 水面，利用水的浮力对主体的支持把桩腿从海底拔出、升起，然后移航到新 的井位，升降装置采用电动机或液压马达驱动的齿轮、齿条，或由销子、销 孔及项升油缸组成的液压装置，在小型的自升式钻井平台上也采用气动系统 或链条系统的升降装置u 0 1 。 自升式平台的结构形式是多种多样的，可以按平台主体的形状、桩腿数 目及型式、升降装置的类型等进行区分。平台的主体通常是一个具有单层底 或者双层底的单甲板箱形结构。甲板下布置各种舱室，甲板上布置钻台、井 架、钻杆、隔水管、管架、起重机、生活舱室、升降装置室、直升机停机台 等。平台主体的平面形状和桩腿的数目密切相关，一般有三角形，矩形和五 角形等。 2 2 自升式平台升降系统的组成 自升式平台升降系统主要由桩腿，升降装置和锁紧装置组成。这三部分 的结构形式将会影响到自升式平台的性能和安全。 i l 2 2 1 自升式平台桩腿结构 自升式平台的主体依靠桩腿的支撑才得以升离水面，使平台处于钻井作 业状态。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。 桩腿型式可分为壳体式和桁架式两种。壳体式结构是钢板焊制的封闭式 结构，其截面形状有圆形和方形。为了与升降装置相配合，在桩腿上沿轴线 方向附设有几根长齿条或几列销孔。桁架式桩腿的截面形状多为三角形或方 形。三角形的桁架式桩腿由三根弦杆及把弦杆连接起来的水平杆和斜杆、水 平撑杆等组成，方形的桁架式桩腿则由四根弦杆以及水平杆、斜杆和撑杆。 一般来说，壳体式桩腿的制造方法相对简单，结构足够坚固，适用水深 范围不超过7 0 m ；桁架式桩腿由于杆件的节点多，因此制造比较复杂，但其 结构可减小作用在桩腿上的波浪力，故适合在深水作业，桁架式桩腿常与齿 轮齿条式的升降装置相配合2 1 。 2 2 2 升降系统升降装置的结构形式 升降装置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 体做相对的上下运动。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，水平力则由锁紧装置承受。最常用的升降装 置是齿轮齿条式和项升液压缸式两种形式。 齿轮齿条式升降装置( 见图2 1 ) 的特点是工作连续，升降速度快，控制 简单和操作性能良好。由于齿轮和齿条精密啮合的要求，桩腿的制造公差很 小，对桩腿的制造工艺要求也就较高。小齿轮的载荷分配也是一个复杂的问 题。所有这些因素导致的结果是齿轮齿条系统的部件比较容易损坏。 销子、销孔和项升液压缸升降装置( 如图2 2 ) 的工作是间断的，升降速 度较齿轮齿条式慢，但是能够吸震，工作平稳、可靠。由于采用了销子和销 孔的配合，对桩腿的制造工艺要求较低。升降时销子和销孔之间不存在相对 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i l l 运动和摩擦力的问题，但操作比较麻烦，制造成本也可能较高3 1 。 图2 1 齿轮齿条式自升平台 图2 2 项升液压缸式自升平台 2 2 3 升降系统锁紧装置的结构形式 锁紧装置是由美国的f & g 公司于2 0 世纪8 0 年代初首次提出，并申请专 利，这一创新使得自升式钻井平台能够进入更深与更恶劣海况的海域工作。 安装齿条锁紧系统，用桩腿主弦管轴向力形成的力矩，来平衡由环境载 荷产生的作用于船体底部的桩腿横截面弯矩，减小支撑管轴向力，减小支撑 管管径，从而达到在更深的水域工作的目的。 锁紧装置的主要部件是锁紧齿条和螺旋升降机。美国的f & g 公司的锁紧 装置有控制方向的液压缸( 如图2 3 ) ，这样能增加锁紧齿条运动的灵活性；另 外这款锁紧装置的螺旋升降机是具有专利权的，它能输出更大的力矩以保证 锁紧装置的稳定性引。 2 3 自升式平台升降系统总体方案 2 3 1 升降系统总体方案确定 本文研究设计的升降系统机构形式如图2 4 所示，在每个角上均有一根三 角形桁架型插入式电动单齿条桩腿。升降系统的传动部分为齿轮齿条传动方 式，它主要由固定在桩腿上的齿条及固定在船体上的升降传动装置小齿 轮、减速箱、电动机和制动器组成。 每根桩脚有3 条齿条，各对应有6 套升降装置，如图2 5 所示。每套传动装 置由一台电动机、一台制动器、一台圆柱齿轮减速器、一台行星减速器和一 个小齿轮组成。这样，每根桩腿有1 8 套传动装置，全平台有3 根桩脚，共有5 4 套电动升降传动系统。 升降系统的锁紧装置参考f & g 公司的产品。锁紧齿条的参数通过计算可 以确定，螺旋升降机的输出力矩亦可通过计算得出，并在市场上现有的产品 中选择满足要求的型掣”1 。 根据确定的总体方案建立自升式平台升降系统的模型，如图2 6 所示。 稳 k k 毪t 瓢? 。 图2 3f & g 公司锁紧装置模型图 图2 4 机构形式图2 5 桩脚升降装置的安放形式 1 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 图2 6 升降系统总体方案三维模型图 2 3 2 升降系统的同步性 每根桩腿的1 8 台电动机和制动器并联，由同一电源，同一组正、反转接 触器供电，以保证每根桩脚的3 套齿轮条传动装置的同步性。如果1 8 台电动机 或制动器，由于接触器动作失灵、主触点接触不良或电缆断芯均会破坏同步 性造成整个传动装置的损坏，严重的将会损坏齿轮、齿条。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 3 3 工作过程载荷分析 升降系统各工况( 图2 7 所示) 负荷状况分析如下： 图2 7 升降系统工作流程图 第一工况( a b ) ：时间约1 0 m i n 。平台开始从浮动状态升船，到平台离 开水面为止，一个小齿轮的受力情况是从空载逐渐加大，最后达到额定负荷， 这种工况电动机和小齿轮承受一样负荷，平均值为2 0 0 0 k n 。 第二工况( b ) ：时间约1 2 m i n 。平台从海平面提升至预定升船高度，小 齿轮和电动机一样，平均承受载荷2 0 0 0 k n 。 第三工况( c ) ：时间约2 h 5 8 m i n 。平台开始进行预压工作，预压负载由 海水泵将水打入压载舱内，所以预压负荷是逐渐加大，小齿轮平均承受最大 负荷达到2 5 0 0 蝌，但是，此时升船电动机不承受负荷，只是在必要调平时， 才短时开动单桩脚升船电动机，电动机在过载情况下工作。 第四工况( c ) ：时间约3 6 h ，平台经过预压工作后，一般要经过一段时 间的稳定，才开始卸去预压负荷。在这一工况下，小齿轮承受最大负荷 2 5 0 0 k n ，但是升船电动机不承受负荷。 第五工况( c ) ：时间约2 h 3 0 m i n 。卸去预压负荷，小齿轮负荷减少到 2 0 0 0 k n ，升船电动机不承受负荷。 第六工况( c - d ) ：时间约1 8 m i n 。将平台升高到井下作业时需要的高度， 此时小齿轮和电动机均承受2 0 0 0 k n 负荷。 1 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 _ i i 第七工况( e ) ：加上井下作业所配工具、管材等可变载荷，此工况可 称为井下作业准备工况，小齿轮承受的平均负荷约为3 1 8 0 k n ，此时电动机不 承受负荷。 第八工况( e ) ：井下作业工况。因作业机位于平台艉部，即接近2 撑与 3 撑桩脚下，大钩提升负荷按2 样、3 桩承受2 3 ，1 静桩腿承受1 3 计算，平均每根 桩脚承受最大负荷不超过4 5 4 0 k n 。 由上面分析可知，升船时