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        平臺式碎石鋪設(shè)整平船抬升系統(tǒng)齒輪齒條失效分析及修復(fù)

        2019-03-26 08:56:06李家林劉建峰陳耀金
        中國港灣建設(shè) 2019年3期

        李家林,劉建峰,陳耀金

        (中交一航局第二工程有限公司,山東 青島 266071)

        0 引言

        平臺式碎石鋪設(shè)整平船“津平1”是港珠澳大橋島隧工程沉管隧道碎石墊層鋪設(shè)的大型專用施工船舶,采用自升式、回字形平臺結(jié)構(gòu),船舶主要參數(shù)見表1。

        津平1于2012年10月建造完工抵達(dá)港珠澳大橋島隧工程施工現(xiàn)場,2017年4月完成33節(jié)大型沉管碎石基床的鋪設(shè)施工任務(wù),施工周期長達(dá)1 423 d,插拔樁288次,使用壽命超過15個海上石油平臺工作壽命內(nèi)抬升次數(shù)的總和,4根樁腿插樁總深度達(dá)1.8 km。當(dāng)工程進(jìn)行到E25管節(jié)時,抬升齒輪齒條不同程度地發(fā)生了磨損、塑性變形和應(yīng)力裂紋。

        表1 船舶主要參數(shù)Table 1 Main parameters of ships

        1 抬升機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

        該船具有4根樁腿,分別位于平臺的四角,單根樁腿的重量為450 t,每根樁腿都有8套對稱安裝的升降裝置,其鎖緊工作由帶驅(qū)動電機(jī)的制動器完成,每根樁腿處設(shè)置1套鎖緊機(jī)構(gòu),用于鎖止樁腿齒條。

        抬升機(jī)構(gòu)的爬升齒輪模數(shù)為80 mm,齒寬200 mm,壓力角30°,齒數(shù)為7;齒條模數(shù)為80 mm,齒寬140 mm,齒高154 mm,壓力角30°,節(jié)距251.33 mm,齒輪齒條裝配中心距310 mm,齒條母材的材質(zhì)為 ASTM A514Q,屈服強(qiáng)度690 MPa;單套抬升機(jī)構(gòu)額定抬升載荷200 t,最大抬升載荷300 t,最大靜載荷320 t,最大風(fēng)暴載荷454 t,在最大抬升載荷下的最大抬升速度為0.23 m/min。津平1施工作業(yè)及抬升系統(tǒng)見圖1。

        圖1 施工作業(yè)及抬升系統(tǒng)Fig.1 Construction works and lifting system

        2 重載齒輪分類

        重載齒輪分為3類,其中Ⅰ類為一般設(shè)備,Ⅱ類為重要設(shè)備,Ⅲ類為高安全要求設(shè)備,相關(guān)參數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)及失效后果見表2。

        表2 重載齒輪分類表Table 2 Heavy duty gear list

        3 齒輪齒條失效判據(jù)分析

        根據(jù)JB/T 5664—2007《重載齒輪失效判據(jù)》對重載齒輪失效判據(jù)有兩種:

        1)任何一種磨損或多種磨損同時存在,當(dāng)齒根兩側(cè)耗損量之和ΔS(mm)與齒輪法向模數(shù)mn(mm)的百分比M(M=ΔS/mn)達(dá)到規(guī)定指標(biāo)時,該齒輪應(yīng)被判為失效[1]。

        2)按照GB/T 3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算》中齒輪彎曲強(qiáng)度計算方法及實測磨損后齒輪的各項參數(shù),計算磨損后的彎曲強(qiáng)度,若磨損后輪齒彎曲強(qiáng)度計算安全系數(shù)小于許用值,該輪齒應(yīng)被判定為失效。圖2為齒條在454 t載荷工況下的計算彎曲應(yīng)力云,圖3為齒輪齒形發(fā)生改變、嚙合點不變時,齒輪計算彎曲應(yīng)力云。

        圖2 齒條磨損狀態(tài)下的彎曲應(yīng)力云圖Fig.2 Bent stress cloud diagram under wear condition of rack

        圖3 磨損后齒輪的彎曲應(yīng)力云圖Fig.3 Bending stress cloud diagram of worn gear

        MN

        綜合分析,整平船抬升系統(tǒng)齒輪齒條按表2中Ⅲ類齒輪計算,其失效判據(jù)如下:

        根據(jù)1),爬升齒輪和齒條磨損總量達(dá)到12 mm,判定為失效。

        根據(jù)2),爬升齒輪磨損總量達(dá)到8 mm,齒條達(dá)到12 mm,判定失效;爬升齒輪齒根或齒面存在深層裂紋,可以判定失效。

        上述計算只從強(qiáng)度方面考慮,沒有考慮到齒輪、齒條塑性變形及齒輪齒條嚙合情況,齒面上塑性變形區(qū)域?qū)嶋H影響深度還要增加2~5 mm。

        4 抬升系統(tǒng)齒輪齒條磨損后強(qiáng)度校核計算

        齒輪齒條的校核計算采用AGMA和CCS規(guī)范,計算時分別取齒輪、齒條雙面磨損總量為6 mm,單套裝置額定動載為200 t、預(yù)壓動載為260 t,彎曲疲勞強(qiáng)度滿足使用要求[2],齒輪齒條磨損后強(qiáng)度校核計算見表3。

        表3 齒輪齒條磨損后強(qiáng)度校核計算Table 3 Strength check calculation of the gear and rack after wear and tear

        5 齒頂磨損對重合影響分析

        齒條的齒頂磨損直接影響齒輪重合度。齒輪齒條的重合度主要影響齒輪傳動的連續(xù)性和平穩(wěn)性,如果重合度小于1,會導(dǎo)致該齒輪不能連續(xù)受力,而其他裝置受力增大,并可能發(fā)生超載現(xiàn)象,同時對齒輪會有一定的沖擊。通過對齒輪齒條的重合度進(jìn)行分析,為了盡量保證齒輪齒條重合度大于1,并考慮同一條樁腿8套抬升裝置的承載能力和使用壽命,應(yīng)對齒條齒頂磨損量超過5 mm的齒進(jìn)行齒形修復(fù),達(dá)到設(shè)計齒形。

        6 齒條導(dǎo)向間隙分析

        齒條導(dǎo)向主要是用來保證齒輪齒條中心距,使齒輪齒條正常嚙合。導(dǎo)向間隙大小也會影響樁腿8個爬升齒輪與齒條的重合度大小,若間隙過大,可能會導(dǎo)致某幾個齒輪的重合度小于1。

        上導(dǎo)向原設(shè)計理論間隙為6 mm,對應(yīng)的齒側(cè)間隙為7.7 mm;當(dāng)上導(dǎo)向間隙為0時,理論的齒側(cè)間隙為1.7 mm。此時,該齒輪對稱布置的另一側(cè)齒輪,其重合度為1.02,抬升齒輪齒條嚙合見圖4。

        圖4 抬升齒輪齒條嚙合圖Fig.4 Mesh figure of lifting gear and rack

        原設(shè)計齒頂至齒頂理論距離為3 600 mm、上導(dǎo)向塊內(nèi)開檔尺寸為3 612 mm、中部導(dǎo)向塊內(nèi)開檔尺寸為3 616 mm,為降低齒頂?shù)男迯?fù)標(biāo)準(zhǔn),減少修復(fù)工作量,通過更換耐磨板背面的墊板厚(磨板本身無需更換)對導(dǎo)向間隙進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后的上導(dǎo)向塊(耐磨板)內(nèi)開檔尺寸為3 606±1 mm、中部導(dǎo)向塊(耐磨板)內(nèi)開檔尺寸為3 608±1 mm、下導(dǎo)向塊(耐磨板)內(nèi)開檔尺寸無需修改。

        7 齒輪齒條修復(fù)要求

        對于爬升齒輪和齒條,齒根和齒面不允許有未去除的深層裂紋[3-6]。

        1)齒輪雙面磨損總量≥6 mm,進(jìn)行更換。

        2)齒條雙面磨損總量≥6 mm,修復(fù)尺寸到原齒面,模板測量,齒面允許公差為-1~0 mm。模板應(yīng)在齒面多次測量,以保證同一齒面壓力角相同。

        3)齒條齒頂磨損>5 mm,需要修復(fù)齒頂,修復(fù)到全齒高為(152±1)mm(原齒高 154 mm)。

        4)修復(fù)打磨后齒面粗糙度<0.1 mm。修復(fù)完成后齒面和齒頂要保證平整度±0.3 mm。

        5)對上部和中部導(dǎo)向塊(耐磨板)內(nèi)開檔尺寸進(jìn)行修改,修改后尺寸見圖5。上部導(dǎo)向到中線距離改為1 803 mm±1 mm,中部導(dǎo)向到中線距離改為1 804 mm±1 mm。

        圖5 導(dǎo)向塊內(nèi)開檔尺寸圖Fig.5 Size chart of opening in guide block

        6)齒條有裂紋并經(jīng)過打磨去除的,打磨深度和原齒面磨損量之和≥6 mm,按照第2)條進(jìn)行修復(fù)。其余打磨裂紋產(chǎn)生的凹坑應(yīng)該打磨光滑,保證齒面平整。

        7)修復(fù)后齒面和齒頂需要進(jìn)行100%外觀檢驗和100%MT檢驗,不允許出現(xiàn)裂紋。

        8 結(jié)語

        自升平臺式碎石鋪設(shè)整平船抬升系統(tǒng)經(jīng)修復(fù)后,齒輪齒條滿足了安全使用要求,已順利完成了港珠澳大橋島隧工程剩余沉管碎石基床的全部鋪設(shè)整平施工任務(wù)。

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