自升式鉆井平臺升降設備動態不均衡載荷分析

景方剛， 杜淵， 雷萬征， 邱良鋒,竇偉

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

JU2000型自升式海洋鉆井平臺是由世界著名公司設計的非常成功的一種適應400ft水深的綜合性能優越的平臺，深受全世界各國用戶歡迎。該公司在市場表現也非常強勢，凡采用JU2000型自升式海洋鉆井平臺的設計圖紙，就必須配套該公司的升降設備和鎖緊系統。然而，2012-2013年在中國大連、新加坡裕廊等知名船廠，多臺JU2000平臺在制造試驗中發生爬升齒輪斷裂，僅中國大連同時就有4臺。該事件改變了該公司的壟斷格局，在業界引起不小的震動。

分析爬升齒輪斷裂的原因有如下三種：1）設計強度不足。2）制造加工材料處理有問題。3）環境載荷工況惡劣。

JU2000的設計強度不足可以排除，原因是該平臺已經生產使用了很多套，這些平臺的設計尺寸強度都沒有問題，且經過了多次實踐的考驗。該原因可以排除。第二方面的原因必須有生產圖紙、材料分析、零件加工工藝等詳細資料，缺少這些資料，不能妄加推論。據專業人士分析，材料的沖擊功可能有問題。本文就第三種原因的一些方面著重分析一下。

1 爬升齒輪載荷分析

平臺升降的環境載荷工況比較復雜，我們先從典型升降系統采用的齒條齒輪傳動結構特性分析其受力情況。

鉆井平臺升降系統的主要功能是抵抗傳遞樁腿和船體之間的載荷，使平臺船體在樁腿的支撐下平穩地起升到海面以上理想的工作位置。一般做法是采用多組升降單元，使其均衡受力，利用每個爬升齒輪的切向垂直力把萬噸級別的平臺重量傳遞到樁腿，從而把船體重量通過樁腿和樁靴傳遞到海床。升降系統一般采用的是大滑差式交流異步電機驅動，爬升齒輪恒扭矩控制，在設計時，為了經濟方便，利用最小的功率獲得最大的傳遞扭矩，就要盡可能地縮小爬升齒輪的扭矩半徑。所以，爬升齒輪一般都采用大模數小半徑，其嚙合系數為1.0左右，即每個齒輪在工作時只有一個齒嚙合。因此，爬升齒輪與樁腿齒條嚙合時，隨著嚙合半徑的變化，齒輪的法向力就會變化，垂直切向力也會變化，總的升船力就會有變動，從而影響升降平臺的穩定。嚴重時，將大幅增加升船工況的動載載荷。

以DSJ300船型為例，我們來分析一下由于爬升齒輪的嚙合半徑的變化引起的動載幅度的大小。

1.1 升降設備的嚙合情況

DSJ300船型，共有三個樁腿，每個樁腿三個爬升齒條，每個齒條板沿上下方向分布三組升降單元，全船總共27組升降單元，54個爬升齒輪。

1.2 齒輪齒條的尺寸參數

齒輪齒數為7個；模數為80 mm；齒寬為235mm;齒輪齒頂半徑為366 mm；齒條齒頂寬為74 6 mm；法線距離為588；齒厚為152.4 mm；齒間距為255.3mm，壓力角為30°。根據現場觀察，齒輪與齒條嚙合法線長度為140 mm。

圖1 爬升齒輪與齒條的嚙合圖

圖2 升降齒輪傳動圖

1.3 單齒輪在恒扭矩情況下，力的變化幅度

設r為嚙合半徑，n為齒輪扭矩，f為法向力，f1為齒輪切向力，則 f1=fcos30°=（n/r）cos30°；將 DSJ300 的齒輪參數代入：最大嚙合半徑r=366 mm，最小嚙合半徑r=336-140cos30°=214.7 mm。

圖3 全船升降的布置示意圖

在齒輪扭矩不變的情況下，最大和最小切向力之比，實際是嚙合半徑的最大值與最小值之比，即214.7÷336=63.9%。由此可以看出單個齒輪力的變化達36.1%。設分度圓上的力為對應的齒輪額定起升力F，則力的單向振幅為18%。f1可以近似表達為齒輪單齒嚙合周期內時間的函數：f1=（1+e）F-2e/TFt；e為單個齒輪切向力的單向振幅系數。如上文計算可知DSJ300船型的單個齒輪為e=0.18，T為齒輪單齒嚙合周期。

如果在船型設計時，隨意布置齒輪和齒條嚙合的位置，那么升船將不平穩，動載將很大，既不科學，也不經濟。因此應將每一個齒條上的齒輪位置進行優化，合理布置，保證眾多齒輪的工作齒在相同時間嚙合的位置不一樣，從而得到相對平穩的總的升船力。可以想象，齒輪越多，得到的總升力優化后，總的升船力越平穩。

2 DSJ300船型與JU2000船型升船力的對比

DSJ300船型采用結構是每個齒條腿上布置3組齒輪，將其位置優化，即將第二組的齒位比第一組的齒位向后延遲T/3，再將第三組的齒位比第二組的齒位向后延遲T/3，分別代入f1（可以近似表達為齒輪單齒嚙合周期內時間的函數：f1=（1+e）F-2e/TFt），這樣得到每組齒輪的升力函數，將3組疊加就得到每個齒條腿上總的升降函數，求其最小值和最大值之比差為1-（3-1.36e）/（3+e），即為平臺綜合升力波動比。將e=0.18代入求得DSJ300船型升力波動比為0.134。

JU2000船型采用結構是每個齒條腿上布置2組齒輪，將其位置采用相同的方法優化，即將第二組的齒位比第一組的齒位向后延遲T/2，代入f1同樣得到每組齒輪的升力函數，將2組疊加求其最小最大之比差為1-（2-e）/（2+e）即為平臺綜合升力波動比。假設JU2000船型單個齒輪切向力的單向振幅系數為e=0.18，與DSJ300相同，經過計算其升力波動比為0.165。

設升船重量為W，則JU2000船型采用36個齒輪，平均到每個齒輪的升船力的波動Fd=0.165W/36，DSJ300船型采用54個齒輪，平均到每個齒輪的升船力的波動升船力的波動Fd=0.134W/54。兩者之比，在相同的升船重量下，JU2000船型升船力的波動是DSJ300船型升船力波動的1.870倍。

實際情況是，JU2000船型重量為15 000 t左右，DSJ300船型重量為9 700 t左右。因此，相比而言，JU2000的載荷波動要大得多。

應該說明的是，為了簡明表述主要觀點，本文對平臺升降設備的工況進行了簡化和假設，從線性角度出發，在假設恒扭矩控制的基礎上對其進行初步概括分析。其中一些對升力波動比e影響的因素還應該在計算時加以考慮和修正：1）文章中進行了恒扭矩控制假設，但是，實際工程中，電機功率特性、力矩的傳遞效率、電器程序控制的精度等方面對恒扭矩控制均有影響。2）實際上為了避免齒輪齒條在傳動時發生根切等機械故障，齒輪的齒尖及齒根是經過修正的，它對升力波動比e有一定程度的影響。3）本文假設橫向一對齒輪對稱布置，如果采用非對稱布置，可以改善升力波動。但是，由其引起的齒輪相對齒條不對稱力的附加彎矩對樁腿結構強度的影響應在設計時給以充分考慮。

國內有權威人士也曾對平臺升力波動做作過現場測量和研究，方法不得而知，這些前輩們得到的結論與本文近似，單個齒輪力的波動系數為e=0.16。

3 結論

1）僅由于齒輪切向力的變化，2組升降齒輪的動載要比3組齒輪的動載大。這點也能在一定程度上解釋為什么在現場升船時，JU2000船型的噪聲比DSJ300船型大。

2）爬升齒輪斷裂的原因是JU2000船型爬升齒輪軸對抵抗動載的要求更高。

3）按照上文分析，齒輪縱向布置尺寸優化后，每個齒條腿的升降齒輪組數越多，載荷波動就越小，但這種關系不是成正比的。另外，升降齒輪組數越多，則制造成本越高，因此，合理的組數應該根據不同的升降系統和不同的船型作不同的選擇。

4）爬升齒輪及其軸在設計時，在考慮額定轉矩的同時，應將額定的抗剪切性能提高20%左右。

5）改善升船力，提高升船的平穩性，安全性，還可以通過以下工作進行。

改善齒輪升力的控制方式；提高齒輪和樁腿齒條的制造精度；提高船體及升降基礎的制造精度；升降船時，控制船體的水平度，樁腿的垂直度。

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