宋來中，周相榮

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

“津平1”樁腿齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)設計與應用

宋來中，周相榮

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

“津平1”是為港珠澳大橋島隧工程沉管基床碎石整平施工而建造的專有工程船舶，抬升系統(tǒng)為齒輪齒條式。與其他類型的海上石油平臺的樁腿抬升系統(tǒng)相比，最大特點在于插拔樁作業(yè)更為頻繁，因此齒輪齒條磨損速率更為嚴重。傳統(tǒng)潤滑方式是在圍阱頂部人工涂抹潤滑油脂，存在很多弊端。為加強齒條特別是主動齒輪的潤滑，設計一套針對樁腿齒輪齒條的供油潤滑系統(tǒng)，以改善樁腿潤滑狀況，提高齒輪齒條壽命。經(jīng)組裝與調(diào)試，效果良好。

海上設施；齒輪齒條；人工涂抹；供油潤滑系統(tǒng)

0 引言

“津平1”是目前國內(nèi)首艘、世界最大的海外拋石整平作業(yè)平臺，相比其他同類型的自升式海上鉆井平臺，最大特點是插拔樁作業(yè)更為頻繁，自升式鉆井平臺的樁腿抬升系統(tǒng)設計要求每年插/拔樁的次數(shù)不得超過5次，而“津平1”的抬升系統(tǒng)作業(yè)期間每節(jié)管節(jié)施工中需插拔樁至少8次，每年插拔樁要超過80次。

2015年9月份振華檢測公司對“津平1”樁腿的45～65 m段進行檢測，發(fā)現(xiàn)齒條齒頂及齒面磨損嚴重，局部樁腿齒條磨損值已超過設計允許值[1]，原因在于運行過程中齒輪齒條缺少有效的潤滑。傳統(tǒng)的潤滑方式是工作人員站在圍阱頂部涂抹潤滑油脂方式，這種方式只適用于插樁過程，拔樁過程無法進行有效潤滑，另外沒有有效的措施加強對主動齒輪潤滑。因此，本文設計一套針對樁腿齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)以降低人工、提高齒輪齒條潤滑條件，從而降低樁腿齒輪齒條磨損，延長使用壽命。

1 “津平1”樁腿齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)設計流程

“津平1”樁腿齒輪齒條潤滑系統(tǒng)的設計基本流程：1）在市場調(diào)研基礎上，結(jié)合抬升系統(tǒng)的運行特點選用合適的潤滑方式。2）根據(jù)要達到的潤滑效果制定設計基本方案，并擬定原理圖。3）根據(jù)設計的原理圖，參照機械設計手冊的設計要求選取相應的設備、材料。4）現(xiàn)場進行設備的安裝調(diào)試，及效果判定[2]。

1.1 樁腿抬升系統(tǒng)工況

額定載荷下，抬升平臺的速度最大為0.46m/min，額定抬升載荷200 t；預壓抬升載荷下，抬升平臺的速度最大為0.26 m/min，額定抬升載荷300 t，可以判斷“津平1”樁腿抬升系統(tǒng)長期處于低速重載的運行工況，為建立連續(xù)有效油膜，本船樁腿齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)選用的潤滑油脂為嘉實多Molub-Alloy OG 936 SF Heavy開式齒輪油脂，特點是流動性極差，布氏黏度達144 000 mPa·s。

1.2 樁腿齒輪齒條供油潤滑方案選擇

在現(xiàn)有的海上平臺設施樁腿潤滑設備的市場調(diào)研基礎上，結(jié)合“津平1”抬升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其施工特點，對“津平1”的潤滑方案可從以下三種方式中選擇：滴油潤滑、注油潤滑、油氣潤滑。要求能夠改善目前樁腿齒輪齒條的潤滑狀態(tài)并滿足經(jīng)濟適用、工藝簡單的特點[3]。

1.2.1 滴油潤滑

滴油潤滑原理是依靠油的自重通過裝在潤滑點上的油杯中的針閥或油繩滴油進行潤滑，這種潤滑方式在“津平1”上應用，存在以下缺點。

1）滴油潤滑系統(tǒng)對采用流動性差的油脂要管路簡短，只能每個注油點為安裝對應1套系統(tǒng)，4個裝腿抬升系統(tǒng)需安裝32套系統(tǒng)，數(shù)量龐大。

2）使用的巡視操縱的人工數(shù)量多，至少需要4人頻繁加注油脂。

3）“津平1”樁腿齒輪齒條在低速重載運行情況下采用潤滑油脂進行潤滑，由于潤滑油脂存在流動性極差特點，通過自重的方式難以保證準確定量滴入到齒輪副表面。

因此，不建議選用該種潤滑方式。

1.2.2 注油潤滑

注油潤滑的原理是采用傳統(tǒng)的單相流體潤滑技術(shù)，即通過液壓泵將油泵送注入到齒輪齒條接觸面的一種方式，這種方式存在以下特點。

1）以液壓泵為動力使?jié)櫥椭鶆虿寂c齒輪齒面，能夠保證潤滑油脂的滴油速率。

2）通過變頻器控制變頻電機驅(qū)動齒輪泵形式，設備的安裝結(jié)構(gòu)緊湊，注油量的操縱可以直接通過調(diào)整變頻電機調(diào)整轉(zhuǎn)速的形式實現(xiàn)，使用起來方便。

3）可以實現(xiàn)管路并聯(lián)，一套設備供應2個樁腿潤滑油脂，由于操縱簡單，人工數(shù)量也相應降低，2人即可完成操縱。

4）采用這種方式的費用為1.5萬/套，與進口油氣潤滑方式（20萬/套）比較，節(jié)省成本。

因此，建議采取該種潤滑方式。

1.2.3 油氣潤滑

油氣潤滑的原理是潤滑劑在壓縮空氣的作用下沿著管壁波浪形地向前移動，并以與壓縮空氣分離的連續(xù)精細油滴流噴射到潤滑點，這種潤滑方式的設備存在以下特點。

1）雖能滿足樁腿齒輪齒條的潤滑，但系統(tǒng)較為復雜，除了液壓件，動力源等還有氣源及相應控制組件，運行過程中也存在較大噪音，不便于運行管理。

2）單套費用為20萬，總價超80萬，成本較高。

3）滿足4個樁腿的潤滑情況下，需要4套裝置，4人完成操縱，使用的人工相比較注油潤滑多出2人。

因此，雖能滿足需求，但考慮人工、成本及可維護性，不選用該種潤滑方式。

1.3 樁腿齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)設計原理

“津平1”樁腿齒輪齒條潤滑系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成：儲油桶、變頻電機、齒輪泵、供油分配器、球閥、變頻器及液壓管件等組成。工作原理是通過變頻器控制變頻電機驅(qū)動齒輪泵從油桶泵油至2個串聯(lián)的供油分配器，供油分配器分別將潤滑油脂注入2個樁腿的爬升齒輪齒面進行潤滑，過量的潤滑油脂經(jīng)過溢流回油管返回油箱，設計原理圖如圖1。

圖1 樁腿齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)原理圖Fig.1Schematic diagram of oil lubrication system of leg gear rack

采用變頻器控制變頻電機驅(qū)動齒輪泵的方式，能夠通過調(diào)整變頻器的轉(zhuǎn)速，方便快捷地觀察并調(diào)整注油孔位置的油嘴注油量大小，有效地實現(xiàn)樁腿齒輪齒條的潤滑[4]。

1.4 設備選型及材料選擇

1.4.1 注油點的選擇及注油量的確定

1）注油點的選擇

常規(guī)的齒輪傳動機構(gòu)一般選取主動輪作為潤滑點，“津平1”傳統(tǒng)手段是人工站立圍阱頂部，在齒條齒面涂抹潤滑油脂方式，潤滑效果較差。本套齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)擬在8套主動輪位置的圍阱結(jié)構(gòu)上開孔，選擇主動齒輪的嚙合面作為潤滑點，通過齒輪泵泵足夠量油到主動齒輪嚙合面上，這樣既能夠保證對齒條的潤滑又能夠最大程度上減少主動齒輪的磨損。

2）注油量的確定

齒輪齒條的參數(shù)：爬升齒輪齒數(shù)Z1=7，模數(shù)m=80，齒間距d=0.25 m，齒寬b=25 cm；潤滑油脂密度選1 000 kg/m3；預壓載荷抬升速度0.26 m/min。

根據(jù)廠家提供資料，潤滑油脂形成油膜厚度的理論用脂量2 g/cm/h（0.5~2 g/cm/h，取大者），參考齒寬計算單齒形成油膜用脂量（設計本套系統(tǒng)的用潤滑脂量）要大于0.05 L/h。根據(jù)傳統(tǒng)的人工涂抹潤滑油脂經(jīng)驗，粗略估計用潤滑脂量單齒為2 L/h（每個樁腿8 L/h）滿足要求。

1.4.2 齒輪泵選型

1）確定最大工作壓力

根據(jù)機械設計手冊壓力計算公式：

式中：P1為液壓出油口的壓力；∑Δp為從齒輪泵出口到出油口總的管路損失。

為保證出口出油，P1≥0，∑Δp=0.8 MPa；（根據(jù)經(jīng)驗值選取范圍0.5~1.5區(qū)域中的0.8較為適宜）；因此Pmax≥0.8 MPa。

2）確定齒輪泵的流量

根據(jù)機械設計手冊流量計算公式：

式中：qvp為齒輪泵流量；K為系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取1.3；∑qvmax為同時動作的出口最大總流量。

樁腿齒輪根據(jù)現(xiàn)場實際情況，單注油點位建議取流量大于0.3 L/min（或5 ml/s）。

計算得qvp≥0.35 L/min。

選用齒輪泵型號：KOZB-0.1/1.1（0.06 m3/h，1 MPa 750 W）。

1.4.3 齒輪泵電機驅(qū)動功率選擇

根據(jù)所選取的液壓泵的參數(shù)選取變頻電機功率1.1 kW即可。

變頻電機可選型號：Y90L-6（1.1 kW 960 r/min，380 V，3.2 A）。

1.4.4 變頻器的選配要求

變頻器的確定依據(jù)公式如下：

式中：PM為電動機的輸出功率；η為電動機的效率，取值0.85；cos φ為功率因數(shù)，取值0.75；UM為電壓；K為電流波形修正系數(shù)，1.05~1.1；IM為電流；PCN為變頻器的額定流量；ICN為變頻器的額定電流。

計算：變頻器的ICN≥3.5 A，PCN≥2.3 kW。

選用變頻電機規(guī)格型號：4T 4R0GB。

1.4.5 確定油箱的容積

根據(jù)機械設計手冊油箱計算公式：

式中：V為油箱的有效容積；a為經(jīng)驗系數(shù)；qv為液壓泵的流量。

根據(jù)機械設計手冊及所選取齒輪泵的參數(shù)，系統(tǒng)壓力≤2.5 MPa，歸屬于低壓系統(tǒng)，經(jīng)驗系數(shù)取4計算得：V=0.24 m3。

因此，選用油箱有效容積240 L。

1.5 系統(tǒng)的組裝與調(diào)試

1.5.1 系統(tǒng)的組裝

1）4個樁腿圍阱兩側(cè)開孔

目的1：通常潤滑油脂建議加注在齒輪副的主動輪嚙合面上，除了能夠強化齒條潤滑效果，還能最大程度上降低主動齒輪的磨損，因此，在圍阱主動輪位置開孔改變了原有的在圍阱頂部齒條位置涂抹潤滑油脂方式，選用在爬升齒輪位置加油潤滑油脂；

目的2：方便日常運行檢查、加油效果觀察。

2）主要設備的安裝

泵、電機、油箱油脂分配器及變頻器等安裝接線調(diào)試，敷設管路，并進行管路、閥件的連接。

1.5.2 系統(tǒng)的運行與調(diào)試

系統(tǒng)組裝完成并對各部位檢查無誤后，進行空載運行檢查，檢查電機從低頻到額定頻率，不同頻率下的轉(zhuǎn)速變化情況及電機的發(fā)熱情況，空載運行正常后進行加油負載運行，同樣從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速進行過程控制及觀察，根據(jù)頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系將電機轉(zhuǎn)速輸出定位在40 r/min、60 r/min、80 r/min等不同轉(zhuǎn)速下對供油效果觀察及電機電流變化與發(fā)熱檢測，各注油點位供油量由少到多，能夠形成連續(xù)的油脂流，經(jīng)系統(tǒng)運行效果觀察，供油效果良好，達到了設計目的。

2 “津平1”樁腿齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)效果評定

磨損量測評結(jié)果從兩個方面進行比對：一是加油系統(tǒng)滿足供油量調(diào)整的要求，二是磨損速率有效降低。

2.1 系統(tǒng)滿足供油量調(diào)整的要求

本套齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)的基本原理是變頻電機驅(qū)動齒輪泵泵油至2個串聯(lián)的供油分配器，供油分配器分別將潤滑油脂注入2個樁腿的爬升齒輪齒面進行潤滑。可以看做系統(tǒng)管路的滑油連續(xù)流動并將滑油視為不可壓縮的流動，不考慮重力影響，不考慮泄露（齒輪泵的內(nèi)泄及系統(tǒng)管路的泄露）。

因此，可以判定齒輪泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，則流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：

變頻電機的電機消耗功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，變頻電機的輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為P=T× n/9 500，其中轉(zhuǎn)矩T視為一個基本恒定值，根據(jù)齒輪泵、電機的參數(shù)：齒輪泵型號：KOZB-0.1/ 1.1（0.06 m3/h，1 MPa 750 W），變頻電機可選型號：Y90L-6（1.1 kW 960 r/min，380 V，3.2 A），將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入得出在額定齒輪泵額定功率下的轉(zhuǎn)速為655 r/min，帶入式（7）中計算得出齒輪泵的流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系式為：

qx=0.091 6nx

人工加油的流量代入得出22 r/min遠低于額定轉(zhuǎn)速，因此滿足供油量調(diào)整需求。

2.2 齒輪齒條磨損速率降低

2016年1月份，整平船樁腿運抵中山中機建維修基地進行全面的檢測和修復（445次插拔樁），測量相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

表1 測量數(shù)據(jù)表Table 1Measurement data table mm

根據(jù)表1，計算最大平均磨損量為4.9 mm，修復后平均數(shù)值為3.167 mm。

2016年11月用測量工具齒條模板和間隙尺對樁腿同一位置齒條齒面進行磨損量測量（從1月份檢修到11月份重新測量，共計插拔樁次數(shù)80次），測量結(jié)果見表1所示。

根據(jù)表中計算最大平均磨損量3.725 mm，與2016年2月修復后的測量結(jié)果兩者之差值為0.56 mm。

由對比可見，平均磨損速率換算為445次插拔樁的磨損速率預測3.1 mm，相比之前的4.9 mm有了較大的改善。目前，該套系統(tǒng)已在“津平1”上成功使用，能滿足降低人工數(shù)量和勞動強度、延長樁腿使用壽命和降低成本的使用要求[5]。

3 “津平1”樁腿齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)效益評估

港珠澳大橋島隧工程碎石基床整平船上成功地應用樁腿齒輪齒條注油潤滑系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的人工涂抹潤滑油脂所產(chǎn)生的消耗人工、涂抹不均、樁腿齒輪副磨損大等一系列缺陷，能夠有效降低齒輪齒條磨損。

以加裝前的磨損速率、維修費用、插拔樁次數(shù)以及維修周期（3 a）為基準進行計算。加裝后磨損速率由4.9 mm/（3 a）降低至3.1 mm/（3 a），可以預測每15 a（5個維修周期）加裝前維修5次；加裝后維修3次，可以節(jié)省2次維修費用，本次樁腿維修費用1 600萬左右，即可以推算15 a（5個維修周期）節(jié)省3 200萬維修成本，平均每年節(jié)省533萬維修成本。且在港珠澳大橋的碎石基床整平作業(yè)的施工中提高工作效率，推進沉管安裝的順利實施，具有較大的間接社會效益[6]。

4 結(jié)語

本文通過研究平臺式整平船“津平1”樁腿齒輪齒條供油潤滑系統(tǒng)，設計開發(fā)了一套專門作用于爬升齒輪齒面的注油潤滑系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)的設計，組裝及調(diào)試，效果良好，能夠滿足對樁腿爬升齒輪齒面以及樁腿齒條齒面潤滑的全覆蓋，能夠形成潤滑油膜并有效地降低齒輪齒條的磨損，延長樁腿的使用壽命，同樣也改善運動副的運行條件，也能夠起到提高施工效率及節(jié)能降耗的作用，本套系統(tǒng)的設計與應用，不僅能夠有效降低大型裝備的維修成本，同時也提高了設備的使用壽命，為工程施工的可持續(xù)性提供了可靠的保障，該系統(tǒng)也能夠有效降低維修成本，為解決同類型海上平臺設施的同種齒輪齒條潤滑提供了良好的借鑒。

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Design and application of oil lubrication system for gears and racks of the pile legs of"Jinping 1"

SONG Lai-zhong,ZHOU Xiang-rong
（No.2 Engineering Co.Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

"Jinping 1"is one of the proprietary engineering ship which was built for gravel bed leveling construction of immersed tube bed of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridgeterminal&tunnel project,the lifting system of it belongs to the gear and rack type.The biggest characteristic is the frequency of plugging and pulling the piles comparing to other types of pile legs lifting system of offshore oil platform,and the wear rate of gear and rack is more serious.The traditional way of lubrication is artificial daubing lubricating grease on top of the trunk and having many drawbacks.To enhance the lubrication of the rack, especially the driving gear,we designed a set of oil lubrication system for rack and pinion racks to improve the lubrication of the legs and improve the gear rack life.After assembly and debugging,the effect is good.

offshore facility;the gear and rack type;artificial daubing;oil lubrication system

TH117.2

A

2095-7874（2017）07-0080-05

10.7640/zggwjs201707019

2017-04-08

宋來中（1967—），男，山東聊城人，高級工程師，主要從事港口與航道工程、鐵路工程、工民建工程等大中型項目的施工組織設計及管理工作。E-mail：hehuofeng@sohu.com