□ 王龍庭 □ 徐興平 □ 徐長航 □ 劉廣斗 □ 張 辛

中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266580

懸臂梁自升式鉆井平臺(tái)是目前海洋石油勘探開發(fā)的主要裝備［1-3］，它可通過鉆井模塊的縱橫向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)打叢式井的目的。根據(jù)懸臂梁的移動(dòng)方式可以把懸臂梁分為三種：傳統(tǒng)型、X-Y 型和旋轉(zhuǎn)型［4-5］。 其中，傳統(tǒng)型懸臂梁（即懸臂梁沿平臺(tái)基座縱向滑移，鉆臺(tái)及井架模塊沿懸臂梁上的橫向軌道橫向滑移）由于技術(shù)成熟和造價(jià)相對(duì)低廉而受到平臺(tái)設(shè)計(jì)制造公司的青睞。

傳統(tǒng)懸臂梁的移動(dòng)目前一般采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，即“液壓油缸+棘爪”推移方式，技術(shù)上相對(duì)成熟可靠，可以實(shí)現(xiàn)懸臂梁步進(jìn)式的滑移。由于依靠液壓油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)間斷地推動(dòng)懸臂梁移動(dòng)，移動(dòng)速度緩慢，而且需要人為扳動(dòng)壓重塊，工作效率較低，液壓油缸容易漏油，液壓系統(tǒng)維護(hù)較困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用鋼量大，移動(dòng)系統(tǒng)制造和安裝精度要求高，因此生產(chǎn)制造困難。而齒輪齒條滑移方式能實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)滑移，并且可根據(jù)需要調(diào)整滑移速度。研究開發(fā)移動(dòng)迅速、便捷，以及制作方便的齒輪齒條式懸臂梁系統(tǒng)，可以提高海洋鉆井、修井平臺(tái)的工作效率［6-7］。

1 懸臂梁結(jié)構(gòu)

本文研究的懸臂梁底座為傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)，懸臂梁所在的平臺(tái)平面形狀呈三角形，該平臺(tái)可對(duì)水深5～40 m的油井進(jìn)行鉆井作業(yè)。懸臂梁是支撐井架并可在平臺(tái)內(nèi)外自由伸縮的鋼結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)完全相同的箱形梁組成。箱形梁上部通過兩根橫梁連接，井架隨鉆臺(tái)在橫梁上可左右移動(dòng)。這種類型的懸臂梁平臺(tái)可以進(jìn)行勘探作業(yè)，也可以進(jìn)行鉆井作業(yè)，還能進(jìn)行修井。懸臂梁的使用擴(kuò)大了井架的活動(dòng)空間，每次平臺(tái)就位后，平臺(tái)所鉆叢式井?dāng)?shù)量增多，工作效率顯著提高。

懸臂梁系統(tǒng)為平臺(tái)鉆、修井系統(tǒng)的縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它主要由懸臂梁、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸臂梁基座、懸臂梁鎖緊機(jī)構(gòu)等組成。

懸臂梁系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：鉆臺(tái)最大組合載荷為5 400 kN，最大縱向移動(dòng)距離為12 m，鉆臺(tái)橫向移動(dòng)最大移動(dòng)距離為±3.6 m，井架支座間距為9.144 m×9.144 m。

設(shè)計(jì)的懸臂梁截面為箱形結(jié)構(gòu)，即“Ⅱ”形結(jié)構(gòu)，梁長度為30 m，高4.7 m。梁上下翼板寬度均為950 mm，上下翼板厚度為50 mm。腹板有4種厚度：26 mm、28 mm、32 mm和36 mm。梁的腹板高度很高，因此必須在兩端設(shè)有扶強(qiáng)材，防止腹板失穩(wěn)，扶強(qiáng)材截面為T形結(jié)構(gòu)。懸臂梁底座中心寬為15 m。懸臂梁上設(shè)有橫移軌道，橫移軌道中心距離船艉5.3 m。

2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 懸臂梁最大驅(qū)動(dòng)推力

在懸臂梁移動(dòng)過程中，船艉基座和船艏鎖緊裝置的支撐力在不斷變化，因此懸臂梁外移過程中其所需的推力也是不斷變化的，顯然，在懸臂梁縱向移動(dòng)到最遠(yuǎn)端，以及鉆臺(tái)橫向移動(dòng)最大距離時(shí)，支撐力最大，此時(shí)所需的推力也最大［8］。當(dāng)懸臂梁縱向移動(dòng)最遠(yuǎn)位置和鉆臺(tái)橫向移動(dòng)最左端時(shí)，懸臂梁及鉆臺(tái)的質(zhì)心見表1。各載荷作用示意如圖1所示，設(shè)原點(diǎn)位于懸臂梁底座艉端中心。

表1 懸臂梁底座質(zhì)量和質(zhì)心位置

▲圖1 懸臂梁載荷受力示意圖

圖1 中，G鉆為鉆臺(tái)質(zhì)量，G橫為橫移軌道質(zhì)量，G懸為懸臂梁的質(zhì)量，G堆為鉆桿堆場的質(zhì)量。當(dāng)懸臂梁橫移到最左端時(shí)，左端懸臂梁受力最大，因此研究左端懸臂梁支座的受力即可，其中懸臂梁和鉆桿堆場質(zhì)量的一半載荷均勻分布于左端懸臂梁對(duì)應(yīng)位置（圖中H點(diǎn)和K點(diǎn)），橫移軌道質(zhì)量均勻作用于軌道與懸臂梁支座A、B、C、D 4點(diǎn)上，鉆臺(tái)質(zhì)量通過鉆臺(tái)與軌道支點(diǎn)均勻作用在M、N、P、Q上，橫移軌道梁簡化為簡支梁，則鉆臺(tái)質(zhì)量和橫移軌道質(zhì)量等效作用在A、B點(diǎn)的支反力為：

QD 、ND 、BD 、PC 、MC 和AC 分別表示QD點(diǎn)、ND點(diǎn)、BD點(diǎn)、PC點(diǎn)、MC點(diǎn)和AC點(diǎn)之間的長度。因此得到左端懸臂梁的受力簡圖如圖2所示。

由圖2懸臂梁受力簡圖得到船艉基座E點(diǎn)和船艏鎖緊支座G點(diǎn)的支反力為：

NE=930.43 t

▲圖2 左端懸臂梁受力示意圖

NG=380.43 t

懸臂梁下面板與鎖緊機(jī)構(gòu)和基座之間是剛性摩擦，摩擦因數(shù)μ為0.12（有潤滑）。因此得到懸臂梁系統(tǒng)的最小推力為：

Ft=μN(yùn)=μ（NE+NG）=157.3 t

2.2 齒輪齒條設(shè)計(jì)計(jì)算

齒輪折斷、點(diǎn)蝕、磨損、塑性變形等為齒輪主要的失效形式［9］。針對(duì)齒輪失效，齒輪設(shè)計(jì)主要按齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞兩個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行［10］。

齒輪齒條設(shè)計(jì)的一般步驟為：確定齒輪齒條材料，確定齒輪傳動(dòng)載荷系數(shù)，初選齒數(shù)、壓力角、齒寬系數(shù)等參數(shù)，初步計(jì)算齒輪直徑或模數(shù)，最后按齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞校核齒輪齒條的強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)的齒輪齒條已知條件有：懸臂梁齒條移動(dòng)速度v為0.03 m/s，齒輪齒條所需推力Ft為157.6 t，齒輪傳動(dòng)要求傳動(dòng)機(jī)和動(dòng)力機(jī)平穩(wěn)工作。首先按照齒根彎曲疲勞設(shè)計(jì)齒輪幾何參數(shù)，然后根據(jù)相關(guān)參數(shù)按上述兩準(zhǔn)則校核齒輪強(qiáng)度。

2.2.1 材料選擇

在選擇齒輪齒條的材料時(shí)，應(yīng)該參考以下幾點(diǎn)要素作為選取原則。

（1）材料必須滿足工作要求，且須考慮齒輪大小、齒輪制造成型工藝。

（2）正火碳鋼材料齒輪不能承受重度沖擊載荷，只能工作在輕度沖擊條件下，調(diào)質(zhì)碳鋼齒輪可承受中等沖擊載荷，而合金鋼可承受高速、重載和沖擊載荷。

懸臂梁齒輪傳動(dòng)承受重載，因此選用合金鋼硬齒面齒輪，本例中齒輪齒條材料均選用20CrMnTi滲碳鋼，滲碳、淬火、回火、氮化處理，其主要性能參數(shù)見表2。

表2 齒輪齒條性能參數(shù)

2.2.2 齒輪齒條參數(shù)設(shè)計(jì)

載荷輸出平穩(wěn)，硬齒面開式齒輪重載傳動(dòng)，齒數(shù)在17～24之間，宜選小值，因此選擇齒輪齒數(shù)zt=17。由于是齒輪齒條傳動(dòng)，齒輪齒數(shù)選擇17時(shí)為傳動(dòng)根切的邊緣，因此，必須對(duì)齒輪進(jìn)行變位。采用變位齒輪，一是避免根切，二是可以提高齒根彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度，還可以提高齒面的耐磨性。按齒數(shù)和變位系數(shù)選取［10］原則，取變位系數(shù)x1=0.32。載荷變化不大，齒輪齒條硬度＞350 HBW，齒寬系數(shù)φd=0.4～0.55,初選 φd=0.45。

按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算齒輪模數(shù)：

式（1）中各符號(hào)及數(shù)值見表 3，將表3數(shù)據(jù)代入式（1）得到m=28.3，根據(jù)模數(shù)選取原則，取m=32 mm，得到齒輪齒條的幾何尺寸見表4。

2.2.3 齒輪齒條疲勞強(qiáng)度校核

分別按齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核齒輪齒條的疲勞強(qiáng)度。齒輪許用接觸應(yīng)力σHP、許用彎曲應(yīng)力 σFP、齒輪實(shí)際計(jì)算接觸應(yīng)力 σH、齒輪計(jì)算彎曲應(yīng)力σF分別如下：

表3 齒輪齒條計(jì)算參數(shù)

表4 齒輪齒條傳動(dòng)的幾何尺寸

▲圖3 齒輪齒條系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)

上式中各符號(hào)數(shù)值及意義見表5。

將表 5 數(shù)值代入式（2）～式（5），計(jì)算得到：σHP=2 181.8 MPa； σEP=1 033.6 MPa； σH=1 675.5 MPa；σF=803.7 MPa。 因此，σH＜σHP，σF＜σFP，強(qiáng)度符合要求。 齒輪齒條傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)為：齒輪齒條材料20CrMnTi，精度等級(jí)6級(jí)，模數(shù) 32 mm，齒輪齒數(shù)17，齒輪變位系數(shù)0.32。齒輪寬250 mm，齒條寬240 mm。

2.3 齒輪齒條連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到海上工作的復(fù)雜性，齒條與懸臂梁的連接采用焊接方式，可使結(jié)構(gòu)簡單、牢靠。每側(cè)懸臂梁對(duì)應(yīng)選取10塊長度為2 010 mm的齒條，組成總長度為20 100 mm的驅(qū)動(dòng)齒條,具體結(jié)構(gòu)連接圖如圖3所示。

3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 減速器及電機(jī)的選擇

齒輪齒條傳動(dòng)所需扭矩為：

T=Ft（d1/2）=419.3 kN·m齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)所需的功率為：

表5 齒輪齒條疲勞強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)

齒輪轉(zhuǎn)速：

因此，選擇YB280M-6HWF隔爆型、船舶、戶外、防腐用三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率Pi=55 kW，6級(jí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ni=980 r/min，電機(jī)效率ηd=92%。

減速器傳動(dòng)比為：

根據(jù)傳動(dòng)功率和傳動(dòng)減速比要求，選擇RG167型齒輪減速機(jī)，減速機(jī)傳動(dòng)效率ηc為94%。由此得到電機(jī)通過減速機(jī)傳遞輸出的扭矩為：

Ti>T，電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)的選擇符合要求。

3.2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制原理

根據(jù)對(duì)懸臂梁移動(dòng)控制的要求，即兩懸臂梁之間的相對(duì)位移量不超過5 mm和梁的定位誤差不超過5 cm，綜合各種控制方法，選擇閉環(huán)交流變頻控制，其控制原理如下。

（1）相對(duì)位移量控制。丹弗斯 公 司 為 FC300［11］變 頻 器 配 備的可編程運(yùn)動(dòng)控制器，內(nèi)置獨(dú)立的高速PID調(diào)節(jié)器，控制精度高，專門用于速度和位置的同步控制?？删幊踢\(yùn)動(dòng)控制器通過編碼器（裝在減速機(jī)輸出軸，可旋轉(zhuǎn)圈數(shù)：4 096；每圈脈沖數(shù)：8 192）的反饋信號(hào)隨時(shí)監(jiān)測兩根梁的速度及位置，并以此為依據(jù)對(duì)從動(dòng)梁進(jìn)行控制，使從動(dòng)梁與主動(dòng)梁的相對(duì)位移量保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

（2）停止位置控制。由可編程運(yùn)動(dòng)控制器在到達(dá)指定停止位置之前的某一位置向主變頻器發(fā)出停止命令，主變頻器減速并在指定位置制動(dòng)停止。發(fā)出停止命令的位置與指定停止位置的距離由現(xiàn)場調(diào)試確定。

（3）操作功能。采用觸摸屏控制，包括：設(shè)定前進(jìn)距離，顯示兩根懸臂梁的運(yùn)動(dòng)情況，前進(jìn)按鈕，后退按鈕，運(yùn)動(dòng)中止按鈕，兩根梁的相對(duì)位移超限報(bào)警等。

懸臂梁移動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)安裝在室內(nèi)，有專門用于控制系統(tǒng)的供電電源，電源電壓為AC380V±10%，頻率50/60 Hz，完成控制裝置需要的儀器設(shè)備見表6。

4 結(jié)束語

▲圖4 懸臂梁控制系統(tǒng)示意圖

表6 懸臂梁控制系統(tǒng)設(shè)備儀表

（1）齒輪齒條滑移系統(tǒng)相對(duì)油缸滑移系統(tǒng)有獨(dú)特的優(yōu)勢，本文結(jié)合某自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)，給出縱向齒輪齒條滑移系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟和方法。

（2）齒輪齒條驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)檢測懸臂梁兩側(cè)移動(dòng)系統(tǒng)的移動(dòng)位置，可實(shí)現(xiàn)懸臂梁的同步移位和速度同步控制。

［1］ 陳紅,李春祥.自升式鉆井平臺(tái)的發(fā)展綜述［J］.中國海洋平臺(tái),2007,22（6）:1-6.

［2］ 張用德,袁學(xué)強(qiáng).我國海洋鉆井平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.石油礦場機(jī)械,2008,37（9）:14-17.

［3］ 馬志良,羅德濤.近海移動(dòng)式平臺(tái)［M］.北京:海洋出版社,1993:10-12.

［4］ 遲愚,段德祥,王言峰,等.自升式懸臂梁鉆井平臺(tái)選型技術(shù)分析［J］.石油機(jī)械,2011,39（10）:136-140.

［5］ Huisman Equipment B V.Rotating Cantilever on.Jack-Up［EB/OL］.http://www.huismanequipment.com/en/products/new_concepts/rotating_cantilever_on_jackup.

［6］ 王龍庭,梁會(huì)高,徐興平,等.國外自升式懸臂梁鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［J］.海洋石油,2009,29（4）:89-93.

［7］ 張孝友,孫永泰.作業(yè)三號(hào)平臺(tái)懸臂梁及移運(yùn)系統(tǒng)研究［J］.中國海洋平臺(tái),2003,18（4）:31-33.

［8］ 高華.自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁移動(dòng)裝置設(shè)計(jì)［J］.中國科技博覽,2011,（32）:8-9.

［9］ 陳苗青.齒輪傳動(dòng)的失效分析及改善措施［J］.制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33（4）:19-21.

［10］齒輪手冊(cè)編委會(huì).齒輪手冊(cè)第二版［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

［11］ Danfoss Group Global.AutomationDrive FC300 ［EB/OL］.http://www.danfoss.com/BusinessAreas DrivesSolutions/Frequency+Converters/VLT+AutomationDrive+FC+300.htm.