“津平1”桩腿升降系统疲劳评估与应用（船机装备部 监造组）

涌浪、长周期波对工程船舶施工期间稳定性的物理模型试验和数学模型试验专题研究报告“津平1”桩腿升降系统疲劳评估与应用中交一航局第二工程有限公司2018.11TOC\o"1-2"\h\z\u1、概述 、概述1.1项目背景抛石整平船“津平1”于2017年3月圆满完成了港珠澳大桥沉管隧道全部33节沉管的碎石基床铺设整平任务。该船施工期间，桩腿结构通过由齿条、爬升齿轮、齿轮箱等组成的系统共完成276次升降，作业时间累计591.1h。中国船级社（CCS）要求，参照本船原设计升降寿命为700h（额定工况下），结合换证检验需进行桩腿升降系统疲劳评估，以确保该船在后期工程中的安全应用。1.2现状和存在问题本次平台的桩腿升降系统疲劳评估，在国内尚属首次，且CCS也正在进行课题研究以总结出疲劳评估的检验规范。也就是说，CCS也需对评估方案边讨论、边研究、边检验、边总结。而“津平1”已确定后期将为大连湾海底隧道项目施工，故必须选择专业权威的评估单位，结合实际制订科学的评估方案，积极与CCS保持沟通，必要时组织专家评审会，来确保更高效的推进评估检验工作。1.3评估流程2、升降系统检测修复根据CCS要求，需对桩腿升降系统中桩腿齿条、爬升齿轮及齿轮箱进行检测、探伤及修复等一系列工作，在相关检测修复工作得到CCS认可后，并将相关数据带入强度计算和有限元分析中，获取客观科学的评估结论。2.1桩腿齿条检测修复1）检测方案①对四个桩腿共8根齿条（5.9m~85m共2064个齿）全面进行检测，首先选择CCS认可的检测公司对齿条及焊缝进行高压水冲洗，然后再用钢丝刷除掉铁锈及其它杂物，保证齿条及焊缝表面满足探伤要求，若发现金属表面存在裂纹，需用角磨机将裂纹消除。②使用磁粉探测仪和超声波探测仪对齿条的齿顶、齿面及齿根和结构焊缝进行探伤，得出探伤检测报告。③使用齿形专用模板对齿条进行测量，整理出齿条的齿顶和齿面的磨损量检测报告。齿顶磨损量检测示意图齿面磨损量检测示意图2）修复标准齿顶磨损量检测示意图齿面磨损量检测示意图①齿条双齿面磨损总量≥6mm，要求修复尺寸到原齿面，模板测量齿面允许公差为-1~0mm。②齿条齿顶磨损量>5mm，需要修复齿顶，修复到全齿高为152±1mm（原齿高154mm）。③修复打磨后齿面粗糙度<0.1mm，齿面和齿顶要保证平整度±0.3mm。④齿条有裂纹并经打磨去除的，若打磨深度和原齿面磨损量之和≥6mm，建议按照第①条进行修复，其余打磨裂纹产生的凹坑应该打磨光滑，保证齿面平整。⑤修复后齿面和齿顶需要进行100%外观检验和100%探伤检验，不允许出现焊接裂纹。齿顶磨损量检测示意图齿顶磨损量检测示意图3）修复工艺①因齿条母材为厚140mm的A514Q材质，焊条采用美国奥林康TENACIT080CL，必须具备相应焊接资质的焊接人员进行。且提前需进行WPS试样检验，检验合格后方能施焊作业。②焊条使用前必须在350℃~400℃下烘焙1小时，之后在100℃~150℃保温桶内保温使用，且保温时间最长4小时。③焊接现场四周应安装挡风设施，避免焊接过程中风速过大导致焊接件冷却速度过快。④所需焊补的齿条周围搭建加热工装，固定电加热设备，为齿条进行预热及保温做好准备。⑤对施焊的单个齿距范围内进行提前2小时预热150℃~230℃，且焊后保温在280±20℃，保温时间至少2小时。⑥焊道采用回火焊道技术，即最后两道焊接顺序从坡口两边向中间焊接，如下图所示，每层焊缝尽量保证平整，以便打磨。堆焊示意图⑦焊接参数表⑧齿面和齿顶堆焊的焊肉高度要按照测出的磨损量数值加上3mm实施（含打磨余量3mm）。⑨齿面或齿顶堆焊结束后，待齿条后热冷却至室温，开始对冷却的齿面或齿顶进行打磨，打磨后测量齿面及齿顶数据，应满足修复标准。齿条修复后检测示意图⑩齿形修磨结束72小时后，对修复部位进行目视检测，焊缝不容许有可见表面缺陷，同时对齿面或齿顶进行100%探伤检测，确认缺陷完全消除，焊缝达到标准要求和CCS检验要求。2.2爬升齿轮检测根据CCS要求，结合施工作业受力情况，对四个桩腿各选取一台爬升齿轮及齿轮箱车间内进行解体、检测及探伤等工作。车间内解体清洁检查爬升齿轮分度圆位置磨损量测量爬升齿轮齿根位置磨损量测量爬升齿轮探伤检测根据爬升齿轮磨损量测量和探伤检测得出结论：■爬升齿上端啮合面磨损较明显，齿顶存在不同程度挤压突尖现象，分度圆位置啮合面最大磨损量为4.1mm。■爬升齿根部磨损较明显，局部点最大磨损量为5mm。■爬升齿探伤检测，内部均无缺陷。■原因分析：因抽检的四只作业受力较大的爬升齿均在桩腿升降机构第一层，因此桩腿抬升时齿条携带的泥砂会产生较严重的磨损。增加齿条冲洗系统，改善啮合磨损情况。2.3桩腿齿轮箱检测与上述抽检的爬升齿轮一同拆检的四台桩腿齿轮箱，在车间解体后，外观检查各齿轮运动副状况非常好，齿轮箱内油质状况良好。按照CCS要求，着重进行探伤检测，探伤结果良好，未发现任何裂纹或其它缺陷。桩腿齿轮箱布置图齿轮箱解体探伤检测

2.4有限元评估分析“津平1”施工期间升降作业由于爬升齿轮和齿条间较大接触力的长期循环作用，导致齿轮和齿条结构产生了一定的磨损状况，因此开展齿轮齿条的弯曲疲劳强度评估是十分必要的。目前机械领域已有齿轮齿条的设计规范，但仅针对运行环境良好（不考虑磨损）、安装精度较高、啮合位置标准的设计规范。对于桩腿结构这种工作环境较差、安装精度不高的齿轮齿条升降系统的评估具有一定的局限性。本次分析计算主要针对设计载荷及以往的使用载荷情况下齿轮齿条的弯曲强度及弯曲疲劳进行分析，具体内容如下：■设计载荷、使用载荷条件下，针对齿轮齿条设计与磨损后两种状态进行有限元评估，对比分析磨损前后齿根位置的弯曲强度变化，获得目前齿轮齿条的磨损对结构的影响程度，分析应力变化的原因，为规范计算中考虑相应计算参数的选择提供技术支持。■根据要求，对提供的升降载荷历程，采用mine累计损伤理论，对齿轮齿条进行现阶段的弯曲疲劳损伤度的计算。■评估软件采用商业通用有限元软件—Ansys14.5。1）针对弯曲应力计算所建立的模型分为齿轮齿根计算和齿条齿根计算，由于两种模型计算的关注点不同，因而分别采用不同的有限元单元划分准则。根据“津平1”设计说明书，升降系统设计载荷分为以下四种标准工况载荷：“津平1”在港珠澳大桥项目施工中升降系统各工况统计数据，总升降次数276次，累计升降时间591.1h。齿轮齿条升降工况统计根据有限元计算软件，结合上述设计初始状态和磨损后状态在对应载荷下，得出爬升齿轮齿根与齿条齿根的弯曲应力特征值：使用载荷下齿轮齿根设计/磨损两种状态下弯曲应力特征值使用载荷下齿条齿根设计/磨损两种状态下弯曲应力特征值2）齿轮齿条弯曲疲劳损伤度及预期循环次数分析主要分两步进行：①根据提供的使用载荷和使用频次的载荷谱，基于miner线性累计理论计算目前齿轮/齿条的疲劳损伤度，采用有限元计算齿根弯曲应力的平均值进行分析。②计算剩余疲劳寿命，据miner线性累计理论的损伤度评估公式可得：D剩余损伤度=1-D现损伤度。采用美国国家标准ANSI/AGMA22101-D04给出的载荷循环曲线及公式，见下图。可靠性系数1.25，安全系数2.27，布氏硬度355（设计硬度的平均硬度），对应的载荷循环曲线。根据下列公式计算齿轮/齿条单一应力幅值下材料的循环寿命次数，并列于表中。 齿轮/齿条载荷循环曲线及公式使用载荷下齿轮磨损状态下弯曲应力及循环次数表根据miner线性累计理论的损伤度评估可得：D剩余损伤度=1-D现损伤度=0.8829。使用载荷下齿条磨损状态下弯曲应力及循环次数表根据miner线性累计理论的损伤度评估可得：D剩余损伤度=1-D现损伤度=0.8021。爬升齿轮和齿条设计状态与磨损状态有限元计算结果表明：①根据使用荷载谱计算，齿轮疲劳损伤度为0.1171，目前没有发生弯曲疲劳破坏，在不考虑后期磨损的情况下，本齿轮具有0.8829的剩余疲劳寿命。②根据使用载荷谱计算，齿条的疲劳损伤度为0.1979，目前没有发生弯曲疲劳破坏，在不考虑后期磨损的情况下，本齿条具有0.8021的剩余疲劳寿命。③本计算齿轮齿条弯曲疲劳寿命是基于规范中应力幅值与应力循环次数曲线，采用有限元计算齿根弯曲应力的均值进行评估分析的。3、升降系统优化改造针对“津平1”在港珠澳大桥项目施工的设备状况，结合CCS此次桩腿重新取证的检验要求，利用坞修改造的机会，特将升降系统进行优化改装。确保润滑系统正常有效、新增冲洗系统、优化锁紧装置及完善操作手册等。3.1确保齿轮齿条润滑系统正常有效爬升齿轮齿条作为开放环境的运动副，工作环境较差，且接触受力很大，故保证工作过程中的润滑效果十分重要。桩腿在升降过程中，润滑系统通过喷嘴将定量的润滑油连续的喷洒在爬升齿轮齿面，以确保升降运行更加平稳，减小磨损。齿轮齿条润滑系统管路润滑效果图3.2新增齿轮齿条冲洗系统为更好的改善齿轮齿条啮合状态，减小拔桩过程中因桩腿齿条夹带泥砂而与爬齿的磨损，新增齿轮齿条冲洗装置以优化升降系统。新增冲洗系统施工流程图通过勘验，从冲洗管的流量和压力要求考虑，确定从原船消防水管系取水，增加相应阀门，同时考虑到桩腿两侧都安装齿条，需在两侧均安装冲水喷嘴，且冲洗管和喷嘴均采用不锈钢材质。新增冲洗管路图片3.3改造优化桩腿锁紧系统桩腿锁紧系统主要是由齿形块、楔块、蜗轮蜗杆顶升器、液压马达、复位油缸，插销油缸以及提供液压能的液压动力站组成。通过驱动蜗轮蜗杆顶升器和复位油缸，可以使齿形块完成与桩腿齿条在任意位置锁紧与松开的目的。每个桩腿有两个与桩腿齿条相啮合的齿形块，每个齿形块有5个齿。每个齿形块都有一个复位油缸，可以将其从与桩腿齿条啮合的状态下拉回至脱开状态；还有一个插销油缸，可以确保将处于脱开状态下的齿形块锁定。锁紧系统在每个桩腿处直接操作，可使用便携式的控制盒来完成操作。每个桩腿处的系统相对其他桩腿都是独立的，因此四个桩腿既可以单独操作也可以同时操作。锁紧系统示意图蜗轮蜗杆顶升器安装在抬升结构处，在垂直方向上支撑齿形块。它主要由铸钢的箱体、青铜的蜗轮、合金钢的丝杆和蜗杆以及液压马达组成。根据港珠澳大桥项目施工期间使用情况反馈，顶升器伸出后，在顶升器往回收缩，当处于完全缩回位置时，顶升器容易卡死，导致无法再次使用。从蜗轮蜗杆顶升器结构图可以看出，蜗轮、蜗杆之间只有回转传动，并无相对位移，因此蜗轮、蜗杆发生卡死的可能性不大。而蜗轮与丝杆之间存在相对位移，因此判断在丝杆回收到下死点的位置时，丝杆顶部螺纹末端与蜗轮的螺纹之间产生了卡死现象。经过分析研究，在蜗轮蜗杆顶升器上加装红外感应开关进行限位，并将开关信号输入到桩腿锁紧电控液压系统中，当丝杆缩回的时候，红外感应开关感应到丝杆顶部到达2～3个螺牙距离，自动发出信号，顶升器立即停止缩回。优点：改装工作量小，红外感应开关造价相对便宜。锁紧系统优化改造图经改造优化后试验，锁紧系统使用正常，再未发生卡死现象，保证了“津平1”在后期作业、待命及防台等插桩状态下的安全可靠性，避免了齿轮齿条在啮合状态下单齿受力的情况，能有效缓解升降系统的疲劳，延长桩腿升降系统的使用寿命。3.4完善操作手册根据桩腿升降系统的检测修复和改造优化情况，在CCS建议下，组织专家研讨会对升降系统疲劳评估及后期应用进行研讨，专家一致认可此次检测修复、改造优化及疲劳评估工作，并对该船后期应用给出指导意见，对操作手册进一步修订完善并经CCS审查批准。操作手册中特别增加了升降系统操作过程中风险预控措施：①在升降运行过程中，安排专人值守及巡回检查齿轮齿条啮合状态，如发现异常情况，立即停止作业，进行必要的检查检测。②针对齿轮齿条润滑系统，确保升降过程中润滑系统正常有效。③针对新增的齿轮齿条冲洗系统，确保拔桩过程中冲洗系统正常有效。专家研讨会4、结语4.1主要创新点（1）平台船桩腿升降系统疲劳评估在国内虽属首次，但按照CCS要求，在摆脱原设计制造厂家的技术束缚下，我们积极探索创新，攻克技术难题，将现场检测修复、改造优化和理论分析相结合，最终圆满完成疲劳评估及检验工作并重新获取法定证书。（2）创新的采用3D建模和有限元的评估方法，避免美国MAGA标准的局限性（针对闭合传动无磨损齿轮），对开式传动（存在磨损）的齿轮传动的疲劳评估进行扩展研究，取得了成功。（3）以实际运行工况载荷