自升式海洋平臺升降裝置自動潤滑系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

摘" " 要：目前國內(nèi)船廠在建的自升式海洋平臺，大多采用齒輪齒條式升降裝置，也有部分配備了自動潤滑系統(tǒng)，但由于設(shè)計或者選型不當(dāng)?shù)葐栴}，導(dǎo)致自動潤滑系統(tǒng)形同虛設(shè)，最后不得不轉(zhuǎn)為人工涂抹潤滑油脂。本文主要介紹齒輪齒條式海洋平臺的升降裝置的自動潤滑系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計要點和安裝方法等，為此類平臺的升降裝置在作業(yè)時，提供一套完整、高效、系統(tǒng)的自動潤滑技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：海洋平臺；升降裝置；齒輪齒條；自動潤滑

中圖分類號：U664.21 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design and Application for Lifting Device Self-Lubrication System of Offshore Jackup Platform

XIN Xiaowei，" ZHOU Xuezhi，" YAO Tangyi

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，" "Guangzhou 511462 ）

Abstract： At present， lifting devices with gear amp; racks are mostly used for the offshore jackup platforms under construction in domestic shipyards.Such platforms are partly equipped with self-lubrication systems. However， because of the design and improper selection problems， the self lubrication system would exist in name only and finally have to convert to manually-applied lubrication grease.This paper mainly introduces the working principle， design points and installation precautions for self-lubrication system of lifting device with gear and rack for offshore jackup platform. A complete， efficient and systematic lubrication technology solution scheme will be provided for the lifting device of such offshore platform during operation.

Key words： offshore platform;" lifting device;" gear rack;" self-lubrication

1" " "前言

自升式海洋平臺，通常由平臺結(jié)構(gòu)、樁腿及升降裝置三部分組成：

自升式海洋平臺自航或拖航到作業(yè)海域后，先將樁腿、樁靴下降至海底，再通過升降裝置提升平臺主體，使平臺主體離開海面并有一定的安全氣隙，以避免海浪對平臺主體底部造成沖擊；

自升式海洋平臺樁腿的的結(jié)構(gòu)型式，主要有筒型和桁架式兩種，兩種形式各有優(yōu)缺點；筒型樁腿結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，但由于側(cè)部投影面積大，海況、風(fēng)速、水流等環(huán)境因素對這類樁腿的影響較大，并且作業(yè)海域較淺，一般不超過60 m水深；桁架式樁腿因側(cè)部投影面積小，受環(huán)境因素影響較小，作業(yè)海域水深可達(dá)到120 m，因而在惡劣海況海域作業(yè)的平臺優(yōu)選桁架式樁腿；

自升式海洋平臺的升降裝置，主要分為液壓插銷式和齒輪齒條式（見圖1、圖2）兩類：筒型樁腿一般采用液壓插銷式升降裝置，桁架式樁腿一般采用齒輪齒條式升降裝置；液壓插銷式升降裝置，油缸使用壽命長、維護方便、建造成本低廉、平臺站樁和拔樁效率高，缺點是運行瞬間載荷大、故障率較高；齒輪齒條式升降裝置，具有升降速度快、運行平穩(wěn)、所需操作人員少等優(yōu)點，因此新造自升式海洋平臺多采用齒輪齒條傳動升降裝置。

2" " "齒輪齒條式升降裝置的組成及原理

齒輪齒條式升降裝置，主要由驅(qū)動電機、減速箱及驅(qū)動齒輪、樁腿導(dǎo)軌齒條等組成。驅(qū)動電機和加速齒輪箱，通常集成安裝在平臺箱體結(jié)構(gòu)上，驅(qū)動電機通過減速箱帶動升降齒輪運轉(zhuǎn)，并與樁腿導(dǎo)軌齒條嚙合，達(dá)到升降的目的。

雖然齒輪齒條式升降裝置具有運行平穩(wěn)、操作簡單等優(yōu)點，但由于其采用開式齒輪傳動，齒輪、齒條長期暴露在露天，潤滑油脂容易風(fēng)干消耗；同時，在齒輪和齒條嚙合過程中，存在著滾動和滑動摩擦力，每次作業(yè)均需要操作人員在齒輪齒條上涂抹潤滑油脂。因此，有效的潤滑是提高升降效率、延長升降裝置使用壽命、降低平臺維修費用的必要條件。

目前，國內(nèi)在建的自升式海洋平臺，有半數(shù)以上仍采用人工涂抹潤滑油脂的潤滑方式，部分雖然已配置了自動潤滑系統(tǒng)，但因設(shè)計、選型不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)形同虛設(shè)，最后又轉(zhuǎn)為人工涂抹潤滑油脂潤滑。

人工涂抹潤滑油脂潤滑，存在以下缺點：

1）加油間隔時間太長，不能保證油脂涂抹均勻，設(shè)備磨損快，使用壽命短；

2）每次都要重新建立油膜，潤滑量不固定且是斷續(xù)的；

3）加油時設(shè)備在運轉(zhuǎn)，非常不安全，且浪費人工；

4）泄漏量很大，容易造成海洋污染。

本文旨在設(shè)計一種可靠有效的自動潤滑系統(tǒng)，將有效的避免以上存在的問題。

3" " 自動潤滑系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

Z210-LIFTBOAT是為美國船東ZENTECH設(shè)計建造的自升式海洋居住平臺，該船建造之初船東就提出了為本平臺設(shè)計建造一套自動、經(jīng)濟、可靠的升降裝置自動潤滑系統(tǒng)。

3.1" "系統(tǒng)組成及工作原理

自動潤滑系統(tǒng)屬于一種開式干油集中潤滑系統(tǒng)，主要由以下部件構(gòu)成：氣動（電動）泵站、主油脂分配器、次油脂分配器、油脂噴嘴及管路附件等。

在平臺靜止時，儲油桶內(nèi)加滿油脂；平臺升降時，控制電箱獲得平臺動作信號，同時啟動泵站為管路壓油，持續(xù)、穩(wěn)定的將粘度適中的油脂泵入油脂主分配器，油脂主分配器通過壓縮空氣將油脂泵入次油脂分配器，最終到達(dá)終端噴嘴，再由帶有壓縮空氣加壓的噴嘴將油脂均勻噴射在運動的齒輪、齒條上，形成均勻的油脂薄膜。

1）氣動（電動）泵站

氣動（電動）泵，主要由氣動油脂泵、空氣濾器、減壓閥、空氣管路電磁閥 、黃油濾器及壓力表、儲油桶（帶液位顯示）、控制電箱、安全閥組成（見圖3）。

泵站主要負(fù)責(zé)儲存油脂和將過濾后的油脂駁運至各個潤滑管路。由于油脂黏度較大，不能像油霧潤滑那樣利用文氏管效應(yīng)形成霧狀，而必須靠獨立泵站及工作空氣來泵送油脂，工作空氣通常來自平臺雜用空氣，壓力在0.45～0.8 bar之間。

2）油脂分配器

油脂分配器，分為主油脂分配器和次油脂分配器：主油脂分配器通過工作空氣增壓后，管路油脂壓力可達(dá)20 MPa；次油脂分配器通過工作空氣增壓后，管路油脂壓力可達(dá)10 MPa。

3）油脂噴嘴

油脂噴嘴通常選用帶有空氣加壓的噴嘴，油脂在噴嘴與壓縮空氣匯合被吹散成顆粒狀油霧，隨同壓縮空氣直接噴射到齒輪、齒條上，形成均勻穩(wěn)定的油脂薄膜，如圖4所示。

3.2" "主要部件設(shè)計、選型及安裝

1）潤滑油脂選型

由于該系統(tǒng)屬于干油集中供脂系統(tǒng)，而且屬于大負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速的工況，適合采用少量頻繁的加油原則，所以宜采用油脂錐入度大于300的油脂，黏稠度（NLGI）1#的復(fù)合型耐壓油脂最適合作為本項目潤滑油脂。

2）潤滑油量計算及泵浦選型

根據(jù)摩擦學(xué)中油膜比厚所描述的潤滑狀態(tài)，油膜比厚越大，潤滑劑分離兩個嚙合齒面的趨勢就越強，潤滑效果就越好。油膜比厚是齒面之間的最小油膜厚度與兩齒面綜合粗糙度之比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

λ=2hc / （Ra1 +Ra2）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：λ—油膜比厚；

hc—齒輪節(jié)圓處的油膜厚度，μm；

Ra1—小齒輪的表面粗糙度，μm；

Ra2— 齒條的表面粗糙度，μm。

潤滑劑性能決定了形成的最小油膜厚度， hc越大λ越大，潤滑狀態(tài)越好； Ra1和Ra2越小λ 越大，潤滑狀態(tài)越好。

按照油膜比厚的大小，齒輪傳動的潤滑狀態(tài)劃分為邊界潤滑（λlt; 0.7）、混合潤滑（0.7lt; λ lt;2.0）、全膜潤滑（λ gt;2.0）。

通過對比發(fā)現(xiàn)，齒輪表面的加工精度與有效油膜的厚度有直接的關(guān)系，通常升降單元齒輪精度較高，可達(dá)到10 μm；升降平臺齒條加工精度稍低，大多為10 μm以上，甚至25 μm。因此油膜厚度保守選取50 μm，單程升降以（本平臺為例）所需油量Q為：

Q=0.005×b×L×n/1 000=0.198 L/min

每分鐘齒面行程展開長度為：

L=（v/p）×2 hp÷cosα=155 cm/min

式中： b ——齒輪寬度，cm；

v ——升降裝置最快升降速度，cm/min；

n ——每根樁腿上噴嘴數(shù)量，個；

p ——齒距，cm；

hp——齒高，cm；

α——壓力角，°。

預(yù)留1.5倍安全系數(shù)，本平臺選用0.35 L/min油脂泵。

上述為樁腿提升速度為0.94 m/min的計算結(jié)果，平臺上升速度為0.47 m/min，故可設(shè)置電腦程序?qū)Ⅰg油量減半。

3）管路設(shè)計及選型

由于集中潤滑系統(tǒng)經(jīng)由油脂泵駁運出的油脂壓力通常為10～20 MPa，且海洋平臺升降裝置通常為露天開式潤滑，油脂駁運管路通常須采用高壓精密無縫不銹鋼管；管子連接件，可選用成型、卡套接頭，管路布置盡量短，以降低壓力損失和管道阻力。

設(shè)計布置時，考慮驅(qū)動齒輪運轉(zhuǎn)頻率和接觸次數(shù)較齒條多，因此將潤滑噴嘴布置在驅(qū)動齒輪斜上方，見圖5所示。

4）安裝及調(diào)試方法

與噴嘴連接的一段管路通常設(shè)計為高壓軟管，需現(xiàn)場調(diào)整噴嘴的角度，以達(dá)到最好的噴射效果；由于齒條上下直線運動，所以將噴嘴調(diào)整為垂直噴射，便于油脂均勻噴射在齒條表面，且在齒輪上下各布置一個噴嘴，滿足齒輪齒條上下運動的潤滑要求；經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化后的噴嘴安裝角度，如圖6所示。

調(diào)試階段，根據(jù)計算噴油量和升降裝置提升或下降的速度，調(diào)整噴油嘴在單位時間內(nèi)的噴油次數(shù)，達(dá)到計算的油膜寬度和厚度，覆蓋整個齒寬，滿足合理潤滑，同時節(jié)約了潤滑成本，大大降低了升降齒條對于海面的污染。

4" " "結(jié)束語

本文以Z210-LIFTBOAT自升式海洋居住平臺的升降自潤滑系統(tǒng)設(shè)計建造為基礎(chǔ)，通過對潤滑油脂的分析、油量用量計算、管路選型及安裝方法的分析，給出了一種經(jīng)濟、可靠的升降裝置自動潤滑系統(tǒng)解決方案，為國內(nèi)新造海洋平臺升降裝置的自動潤滑系統(tǒng)設(shè)計提供一定的借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

[1]" 成大先. 機械設(shè)計手冊（第五版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.