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自升式钻井平台介绍 自升式钻井平台 又称为桩脚式钻井平台 是目前国内外应用最为广泛的钻井平台 自升式钻井平台可分为三大部分 船体 桩靴和升降机构 需要打井时 将桩腿插入或坐入海底 船体还可顺着桩腿上爬 离开海面 工作时可不受海水运动的影响 打完井后 船体可顺着桩腿爬下来 浮在海面上 再将桩脚拔出海底 并上升一定高度 即可拖航到新的井位上 引言 自升式钻井平台巨大的负载压力和复杂的工作条件 升降系统的性能将会直接影响平台的表现 目前 有两种常用升降系统 液压升降系统和齿轮齿条升降系统 齿轮齿条升降系统因更快的提升速度 简单的操作和高效率已得到广泛使用 齿轮齿条机构连接着自升式平台和桩腿 桩腿上的载荷通过齿轮齿条机构转移到平台 而该平台上的载荷也通过齿轮齿条机构传递到桩腿 一方面 齿轮在很长一段时间的高负荷状态下需要高的强度和韧性 另一方面 齿轮齿条接触需要高耐磨损性能 引言 升降齿轮由40CrMoA钢制成 在淬火 回火热处理之后 升降齿轮具有高的强度和韧性 但齿面的耐磨损性能较差 严重制约了升降齿轮使用寿命的提高 激光表面强化技术是一种很有前途的技术 提高了升降齿轮的表面性能和寿命 与传统的热处理相比 激光表面硬化技术具有一系列优点 可控淬硬层深度 硬度增加15 20 耐磨损性高 变形小 显著节能等 引言 齿轮性能数值分析的现存方法始终围绕验证压力 应变等参数 而总是忽略接触问题 本文专门介绍了基于有限元法的齿面硬化数值分析的系统方法 考虑到齿轮宽度和硬化处理对齿轮齿条应力的影响 本文分析了硬化齿轮齿条接触问题的特点 硬化层单元的选择和用于弹塑性接触问题的算法 对齿轮齿条硬化层的材料特性和本构关系进行了说明 并且也分析了硬化齿轮齿条的应力结果和分布情况 模型和方法 齿轮齿条接触理论齿轮和齿条之间的接触是线接触 在外部载荷P的作用下产生的接触应力 把 1和 2由初始接触面分散成接触点副 这种方式允许离散的接触节点的接触力来代替外部负载的分布式压力 模型和方法 硬化齿轮齿条之间的啮合是弹塑性接触 属于一个结合几何非线性与材料非线性的双线性问题 其特征如下所示 硬化层接触材料的非线性 即使在平衡和协调的规律下 硬化层接触材料的本构方程是非线性的 因为齿轮齿条硬化层的材料符合弹塑性材料的特性 而这种特性属于应力应变非线性关系 齿轮齿条接触状态的非线性 接触表面积和机械性能发生改变 接触面的点副将出现分离或闭合 滑动或粘结等现象 这将导致整个结构变形和非线性应力状态 模型和方法 SOLID45是一种空间8节点六面体单元 它可以被降解成一个空间四面体单元和一个没有中间节点的三角形棱柱单元 并可以用来分析大变形 大应力 塑性和屈服问题 因此 SOLID45单元被用作齿轮齿条硬化处理的模型 单元弹性刚度矩阵如下所示 模型和方法 齿轮齿条弹塑性接触问题的算法 迭代法 增量法和迭代增量结合法 迭代增量结合法 即混合方法 继承了迭代法和增量法的优点 从而削弱了各自的不足之处 齿轮齿条的啮合负荷通过混合方法分段处理 本文采用该混合方法作为算法来解决齿轮齿条的弹塑性接触问题 如图所示 模型和方法 本文考虑齿轮齿条接触硬化层和核心未硬化层的接触弹塑性有限元分析 利用ANSYSWorkbench中提供的 划分重组结构 工具 将模型导入之后 将把齿轮齿条模型划分成硬化层齿形区和其他无硬化区 然后将工程数据中定义的材料特性添加到硬化齿形区 结果与讨论 齿轮齿条弹塑性接触分析结果齿条齿宽确定为145毫米后 便利用齿轮齿条模型对硬化层进行分析 啮合位置1被选作分析对象 分析结果如下表所示 结果与讨论 硬化处理后的齿条齿面的应力分布在处理前后几乎是一致的 如图所示 齿条齿面的最大应力出现在接触表面上 应力沿齿厚对称分布并且位于所述接触区域的末端 然而 不同的是硬化处理的齿条齿面最大应力 1034 5MPa 分布在硬化层和未硬化处理区域的连接处 结果与讨论 硬化处理后的齿轮齿面的应力分布在处理前后几乎是一致的 如图所示 齿轮齿面最大应力为861 6MPa 齿面应力从齿轮接触副和包角沿着接触中心对称分布 结果与讨论 激光热处理的工艺参数主要包括决定功率密度的激光输出功率和光斑直径 以及决定激光和工件作用时间的扫描速度 这些参数直接影响激光硬化层的深度 宽度 硬度 结构和机械性能 经过无数次的实验 激光相变硬化工艺参数如下 激光功率2 5Kw 扫描速度15 20mm s 激光淬火后 在垂直于升降齿轮凹槽表面的区域取样做金相分析 用HXD 1000TMC显微硬度计评估样品的淬火深度 用VHX 600数字显微镜观察试样激光淬火前后的微观结构 实验结果表明 激光硬化层的硬度可高达760HV0 1 初始质地硬度约为279HV0 1 硬化层的深度约为0 75mm 这满足了升降齿轮的技术要求 结果与讨论 本文呈现了一种基于有限元法对齿面硬化进行数值分析的系统化方法 齿轮齿条的应力受齿宽和硬化处理的影响 在介绍了齿轮齿条接触的有限元法理论和硬化齿轮齿条的接触特性之后 对材料和表面的硬化处理进行了详细的讨论 提出了基于有限元方法的齿轮齿条硬化层的单元选择和齿轮齿条弹塑性接触问题的算法特点 然后对齿轮齿条硬化层的材料