一種自升式平臺(tái)樁腿與固樁圍阱間的減摩裝置

徐正榮

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300450）

0 引言

自升式平臺(tái)圓柱形樁腿外壁與固樁圍阱防摩板在升降平臺(tái)過(guò)程中接觸導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦，直接危害有：

1）樁腿的外表防腐涂層大面積破壞；

2）樁腿外表層結(jié)構(gòu)切削破壞；

3）引起劇烈的船體晃動(dòng)，不僅會(huì)影響升降系統(tǒng)的使用安全，還會(huì)直接影響電氣設(shè)備的工作穩(wěn)定性；

4）加劇樁腿結(jié)構(gòu)與固樁區(qū)結(jié)構(gòu)的疲勞損害。

基于此問(wèn)題，有針對(duì)性地研制一套減摩裝置，將圓柱形樁腿與固樁圍阱之間的滑動(dòng)摩擦副轉(zhuǎn)化成滾動(dòng)摩擦副，屬于國(guó)內(nèi)首例，國(guó)際市場(chǎng)上也沒(méi)有同類(lèi)型的成熟產(chǎn)品。

1 概述

研究平臺(tái)的樁腿外徑3 200 mm，總長(zhǎng)73 000 mm，固樁圍阱防磨板處內(nèi)徑3 238 mm，環(huán)空平均間隙19 mm。根據(jù)海上作業(yè)任務(wù)，自升式平臺(tái)需要頻繁升降操作，進(jìn)行拖航移位，過(guò)程中導(dǎo)致樁腿外表與固樁圍阱防磨板擠壓摩擦[1]的主要因素如下：

1）升降過(guò)程中，各樁之間同步差異；

2）各樁入泥過(guò)程中，受風(fēng)浪流等綜合因素影響，樁腿橫向偏移，與固樁圍阱結(jié)構(gòu)圓心出現(xiàn)偏心；

3）各樁入泥過(guò)程中，受就位區(qū)域地層特性影響[2]，某單樁入泥垂度偏差；

4）固樁區(qū)結(jié)構(gòu)服役時(shí)間長(zhǎng)久，結(jié)構(gòu)變形。

2 優(yōu)化研究

2.1 樁腿與固樁圍阱的當(dāng)前狀態(tài)

平臺(tái)樁腿為圓柱形雙列齒條結(jié)構(gòu)，固樁圍阱為楔面圓環(huán)形結(jié)構(gòu)[3]，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 自升式平臺(tái)樁腿與固樁圍阱示意圖

2.2 減摩裝置結(jié)構(gòu)型式研究

研究采用一種特制的楔形滾動(dòng)結(jié)構(gòu)作為減摩裝置，符合樁腿與導(dǎo)向臺(tái)之間的空間要求。滾動(dòng)結(jié)構(gòu)工作面設(shè)計(jì)有2組高強(qiáng)度滾輪組，來(lái)實(shí)現(xiàn)樁腿與固樁圍阱之間接觸型式由滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，降低摩擦損害。在滾動(dòng)結(jié)構(gòu)與固樁圍阱接觸面之間設(shè)計(jì)彈性接觸面，增加橫向擠壓緩沖裕量。楔形結(jié)構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.3 結(jié)構(gòu)承壓設(shè)計(jì)

楔形滾動(dòng)結(jié)構(gòu)主體選擇與樁腿和固樁圍阱相同的材質(zhì)，結(jié)構(gòu)整體需要重點(diǎn)核算滾輪軸承承壓。為滿(mǎn)足軸向壓力的要求，采用抗軸向壓力能力較強(qiáng)的3列滾針軸承作為1個(gè)滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)樣品使用的單列滾針軸承可承受的最大軸向壓力為10 t，組成的單個(gè)滾動(dòng)軸由3列滾針軸承組成，側(cè)向抗壓能力為30 t，采用上下2個(gè)軸承為1組構(gòu)成1個(gè)防磨單元，最大可承受的軸向壓力為

圖2 楔形結(jié)構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

式中：P為軸承可承受的最大軸向壓力，kg；n為滾針軸承組中的單列滾針軸承數(shù)量，副；R為單列滾針軸承可承受的最大軸向壓力，kg；α為安全系數(shù)，建議小于0.8。

因此，裝置最大可承受的軸向壓力48 t。通過(guò)升降系統(tǒng)實(shí)操監(jiān)測(cè)，樁腿對(duì)固樁圍阱單側(cè)產(chǎn)生力N（軸向壓力）通常不大于100 t，可選擇安裝3套減摩裝置，安裝夾角0°、+15°、?15°。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用布置可參考圖3。

圖3 楔形滾動(dòng)結(jié)構(gòu)裝置安裝計(jì)算示意圖

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

假設(shè)樁腿材料各向同性，作用應(yīng)力均勻，減摩裝置與固樁圍阱間接觸不分離，減摩裝置結(jié)構(gòu)材質(zhì)與樁腿一致，忽略減摩裝置的軸承摩擦[4]，結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用0.05低摩擦系數(shù)的滾子軸承替代原0.5摩擦系數(shù)的滑動(dòng)摩擦，忽略摩擦中熱對(duì)應(yīng)力的影響。但不難看出滾動(dòng)摩擦副與樁腿間的接觸面積減小，導(dǎo)致局部的接觸應(yīng)力[5]變大，因此，對(duì)減摩裝置的滾子結(jié)構(gòu)與樁腿接觸應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)分析是很有意義的。減摩裝置的滾子機(jī)構(gòu)對(duì)樁腿應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。

圖4 減摩裝置的滾子機(jī)構(gòu)對(duì)樁腿應(yīng)力云圖

3.2 搭建模擬圓柱形樁腿與固樁圍阱的實(shí)驗(yàn)裝置

搭建模擬圓柱形樁腿與固樁圍阱的實(shí)驗(yàn)裝置，選用TST3822靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試。分為圓柱形樁腿與固樁圍阱之間滑動(dòng)摩擦副和滾動(dòng)摩擦副2種工況，對(duì)裝置施加0 t～5 t的側(cè)向載荷，記錄軸向拉力數(shù)據(jù)。結(jié)果如表1所示。軸向提升拉力數(shù)據(jù)對(duì)表分析見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，采用滾子減摩裝置可以明顯降低上提阻力，施加5 t側(cè)向載荷，樁腿的上提力增加295.29 kg，未安裝滾子防磨裝置的上提力增大1 784.96 kg，5 t側(cè)向載荷下，降低上提力83.46%。

表1 軸向提升拉力數(shù)據(jù)

圖5 軸向提升拉力數(shù)據(jù)對(duì)表分析

由多組3 mm應(yīng)變片通過(guò)電橋設(shè)計(jì)采集的滾子軸承對(duì)樁腿的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 樁腿強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)表

樁腿強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，#1、#2、#3傳感器工作正常，施加5 t側(cè)向力作用下，樁腿接觸區(qū)域應(yīng)力最大值小于1.8×103kg，2個(gè)應(yīng)力波峰是滾子與傳感器接觸的應(yīng)變信號(hào)，波峰過(guò)后應(yīng)力恢復(fù)正常，因此，樁腿附近區(qū)域處于彈性應(yīng)變區(qū)域，未發(fā)生塑性變形和應(yīng)力損壞。

4 結(jié)論

1）新型減摩裝置充分利用平臺(tái)現(xiàn)有的樁腿及固樁圍阱結(jié)構(gòu)，不需要過(guò)多改造，現(xiàn)場(chǎng)安裝使用方便。

2）從實(shí)驗(yàn)情況看，滾子減摩裝置的設(shè)計(jì)原理可行，可以有效減小樁腿與導(dǎo)向臺(tái)之間的摩擦損害。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際樁腿徑向載荷變化情況，合理配置該新型減摩裝置的數(shù)量，均勻應(yīng)力分布，同時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足使用要求。

圖6 樁腿強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)分析