張 浩

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司機(jī)電中心，天津 300452）

0 引言

海上平臺(tái)起重機(jī)是保證平臺(tái)正常生活和生產(chǎn)的重要特種設(shè)備，同時(shí)也是平臺(tái)的應(yīng)急設(shè)備，隨著海上鉆修井作業(yè)日漸增多，吊機(jī)使用頻率也也來越高，因此吊機(jī)的故障率也越來越高。吊機(jī)的齒輪箱作為吊機(jī)的重要組成部件起到卷揚(yáng)和扭矩輸出的重要任務(wù)，齒輪箱一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致吊機(jī)的停用，影響平臺(tái)的生產(chǎn)和生活，嚴(yán)重情況下還會(huì)發(fā)生吊機(jī)事故。

由于海上平臺(tái)起重機(jī)齒輪箱故障率較大，每年均有大量的更換軸承、齒輪、密封件等各項(xiàng)工作，同時(shí)面對(duì)海上平臺(tái)吊機(jī)種類繁多的現(xiàn)象，有必要研制出一套具有代表性的通用齒輪箱試驗(yàn)裝置，能夠?qū)S修裝配后的齒輪箱進(jìn)行試運(yùn)行和剎車試驗(yàn)，還要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)齒輪箱試驗(yàn)?zāi)ズ线^程中產(chǎn)生的污油以及金屬碎屑進(jìn)行沖洗的功能。

1 系統(tǒng)組成

海上平臺(tái)起重機(jī)齒輪箱試驗(yàn)裝置主要由齒輪箱試驗(yàn)系統(tǒng)和齒輪箱滑油循環(huán)系統(tǒng)兩大部分組成。齒輪箱試驗(yàn)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)、液壓泵、油箱、換向閥、剎車控制閥、液壓馬達(dá)齒輪箱固定基座等組成，由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)液壓泵，并經(jīng)過換向閥控制液壓馬達(dá)的換向從而改變被試驗(yàn)齒輪箱的轉(zhuǎn)向，剎車控制閥用來控制剎車的開啟壓力[1]。齒輪箱滑油循環(huán)凈化系統(tǒng)由隔膜泵、濾器和過濾油箱組成。將齒輪油通過隔膜泵泵入齒輪箱內(nèi)，利用隔膜泵的不連續(xù)性對(duì)齒輪箱進(jìn)行沖洗循環(huán)，將沖洗出的齒輪油經(jīng)過過濾器返回油箱，并利用油箱內(nèi)階梯設(shè)計(jì)以及磁鐵對(duì)齒輪油進(jìn)行凈化并循環(huán)以達(dá)到滑油循環(huán)凈化的目的。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)圖如圖1所示。此系統(tǒng)采用120 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)回路采用開式液壓系統(tǒng)，液壓泵選用雙聯(lián)齒輪泵，主泵用作驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出壓力油經(jīng)過手動(dòng)換向閥3來控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速[1]；控制泵輸出壓力油用來打開剎車系統(tǒng)，控制油直接連接至剎車油缸，打開剎車，溢流閥5用做安全閥，設(shè)置安全壓力以保護(hù)液壓系統(tǒng)，節(jié)流閥7用于調(diào)節(jié)開啟剎車的控制油壓力，壓力值可由壓力表8讀取。還可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥7開口大小來調(diào)節(jié)剎車系統(tǒng)最大的壓力來檢驗(yàn)剎車密封性[2]。通過對(duì)馬達(dá)的雙向控制調(diào)節(jié)以及對(duì)剎車系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉可實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱的試運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)；通過對(duì)控制壓力的調(diào)節(jié)以及保壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱剎車系統(tǒng)的密封保壓試驗(yàn)。

圖1 液壓系統(tǒng)圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海上平臺(tái)起重機(jī)齒輪箱試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)部分主要由齒輪箱基座、齒輪箱轉(zhuǎn)接盤、齒輪箱固定接盤和花鍵軸組成。齒輪箱基座做為主結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮到結(jié)構(gòu)的合理性又要考慮到滿足實(shí)際的使用要求，該基座包括底板和支架板，為了保證整體基座的剛度和穩(wěn)定性，底板選用40 mm厚45#鋼板，支架板選用25 mm厚45#鋼板，支架板和底板采用雙面焊接，且在雙側(cè)增加筋板，提高整體強(qiáng)度，在加工和焊接前對(duì)零部件進(jìn)行去除殘余應(yīng)力處理，將領(lǐng)部件擱置于戶外進(jìn)行自然應(yīng)力消除，消除應(yīng)力后保證支架板豎直且兩平面光滑[3]。根據(jù)現(xiàn)海上平臺(tái)起重機(jī)齒輪箱規(guī)格形式，齒輪箱結(jié)構(gòu)支架板如圖2所示。由于海上齒輪箱大都為橫向安裝，因此，為了最大限度地模擬工作狀態(tài)，將齒輪箱基座設(shè)計(jì)為此結(jié)構(gòu)，既保證了齒輪箱的穩(wěn)固，又能夠真實(shí)模擬出齒輪箱在海上吊機(jī)的安裝位置與工作方向[4]。

圖2 齒輪箱支架板設(shè)計(jì)

圖3 轉(zhuǎn)接盤結(jié)構(gòu)

根據(jù)不同品牌不同系列的齒輪箱設(shè)計(jì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)接盤，保證最小限度地更換結(jié)構(gòu)部件。轉(zhuǎn)接盤采用25 mm厚45#鋼板制作，轉(zhuǎn)接盤外圈與支架通過螺栓連接，內(nèi)圈尺寸是與齒輪箱固定法蘭相匹配，通過螺栓進(jìn)行固定連接，轉(zhuǎn)接盤整體設(shè)計(jì)安裝直口[5]，直口的直徑嚴(yán)格按照齒輪箱支架板內(nèi)徑進(jìn)行安裝，便于轉(zhuǎn)接盤的安裝，轉(zhuǎn)接盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了使液壓馬達(dá)匹配不同接口尺寸的齒輪箱，制作了一系列的固定接盤，固定接盤采用35 mm厚45#鋼制作，用作驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與齒輪箱的固定連接，外圈設(shè)計(jì)沉頭通孔與齒輪箱通過螺栓進(jìn)行連接固定，內(nèi)圈設(shè)計(jì)螺孔與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行固定連接，且固定接盤內(nèi)徑尺寸與馬達(dá)直口尺寸相匹配，保證驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的順利連接，固定接盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 固定接盤的結(jié)構(gòu)

圖5 花鍵軸的結(jié)構(gòu)形式

為了將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)匹配到被實(shí)驗(yàn)的齒輪箱輸入軸處，將常用的花鍵軸進(jìn)行加工，以實(shí)現(xiàn)花鍵的通用性和匹配性?；ㄦI軸采用35CrMo材質(zhì)進(jìn)行加工，其力學(xué)性能符合花鍵傳動(dòng)連接的使用要求，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的輸出軸花鍵為DIN5480 N32 2 14-9H標(biāo)準(zhǔn)，所以將與之配合的花鍵軸內(nèi)軸孔加工為此標(biāo)準(zhǔn)，外花鍵則要與齒輪箱輸入軸花鍵相匹配，經(jīng)統(tǒng)計(jì)制作常用花鍵規(guī)格為DIN 5480 W45 2 21-8g和DIN 5480 W50 2 24-8g[6]。加工完成后對(duì)內(nèi)外花鍵表面進(jìn)行淬火處理，表面硬度值達(dá)到HRC50?；ㄦI軸結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

為了保證各個(gè)零部件長度以及厚度能夠滿足裝配要求，在各個(gè)結(jié)構(gòu)零部件加工、組對(duì)前，對(duì)零件進(jìn)行三維建模并裝配，尤其在設(shè)計(jì)花鍵軸時(shí)，花鍵軸的長度要經(jīng)過裝配核實(shí)校驗(yàn)其加工長度，使其長度滿足安裝要求，保證各零部件設(shè)計(jì)合理、安裝正確且無干涉現(xiàn)象。裝配效果如圖6所示。

圖6 花鍵軸裝配圖

圖7 滑油循環(huán)系統(tǒng)原理圖

4 滑油循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滑油循環(huán)系統(tǒng)主要是通過氣動(dòng)隔膜泵對(duì)齒輪油進(jìn)行循環(huán)過濾，原理如圖7所示。

利用壓縮氣體作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)隔膜泵，齒輪油從油箱吸入，經(jīng)過濾器，由隔膜泵泵出至齒輪箱，通過兩側(cè)節(jié)流閥控制齒輪油流量和流速，以針對(duì)不同規(guī)格齒輪箱的設(shè)計(jì)使用，同時(shí)利用隔膜泵的不連續(xù)性對(duì)齒輪箱內(nèi)部進(jìn)行脈沖沖洗，沖洗效果更為明顯。沖洗出的污油回到油箱后經(jīng)油箱的階梯設(shè)計(jì)、隔板設(shè)計(jì)以及磁鐵設(shè)[7]計(jì)，對(duì)污油進(jìn)行二次清理，并分割吸油和回油區(qū)，油箱設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 油箱設(shè)計(jì)圖

油箱采用3 mm厚不銹鋼板加工而成，在油箱中部設(shè)置隔板并開孔，分割吸油和回油區(qū)，在安裝過程中在回油區(qū)增加臺(tái)階，使帶有雜質(zhì)的油液層層沉淀，同時(shí)在隔板處增加磁鐵，吸附油液中鐵屑雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)二次凈化的功能。

滑油循環(huán)系統(tǒng)可以在齒輪箱試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中同步工作，以達(dá)到變試驗(yàn)邊循環(huán)沖洗的效果，還可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)循環(huán)沖洗功能，可用于未拆檢維修過的或無法做試運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪箱，此系統(tǒng)還可以做到可移動(dòng)使用[8]，可將滑油循環(huán)系統(tǒng)裝置隨工具箱運(yùn)至海上，將隔膜泵連接海上平臺(tái)氣源，將油管連接至齒輪箱的加油口和回油口處，在齒輪箱不拆卸以及吊機(jī)正常運(yùn)行的狀態(tài)下進(jìn)行持續(xù)循環(huán)沖洗工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可移動(dòng)性。

5 優(yōu)點(diǎn)和不足

優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面：

（1）齒輪箱試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)、接口尺寸不同的齒輪箱進(jìn)行試驗(yàn)，通過在支架上替換不同的轉(zhuǎn)接盤和固定盤來實(shí)現(xiàn)通用性和可替換性，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同寫的齒輪箱進(jìn)行試驗(yàn)；

（2）實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠，且通過三維建模，能夠?qū)崟r(shí)校對(duì)各個(gè)尺寸的合理性以及整體臺(tái)架的美觀性；

（3）滑油循環(huán)清洗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)齒輪箱內(nèi)部的沖洗以及磨合金屬碎屑的沖洗；

（4）滑油循環(huán)沖洗系統(tǒng)將氣動(dòng)隔膜泵的不連續(xù)性“變廢為寶”，實(shí)現(xiàn)脈沖沖洗，使沖洗效果更佳；

（5）滑油循環(huán)沖洗系統(tǒng)可以單獨(dú)使用且可移動(dòng)，便捷性和通用性較強(qiáng)。

不足有以下幾方面：

（1）齒輪箱試驗(yàn)裝置不能實(shí)現(xiàn)齒輪箱的加載試驗(yàn)；

（2）齒輪箱試驗(yàn)裝置未總體成撬，僅局限于車間維修后試驗(yàn)。

6 結(jié)束語

海上平臺(tái)起重機(jī)齒輪箱實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)文中提到所有功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)國產(chǎn)292HX13、292HX29、292HX30、292HX32、292HX58、292HX66型號(hào)齒輪箱進(jìn)行試驗(yàn)以及對(duì)進(jìn)口Paccar齒輪箱和ZOLLERN齒輪箱進(jìn)行試驗(yàn)。至今該試驗(yàn)裝置已完成對(duì)渤海地區(qū)JZ9-3油田吊機(jī)、SZ36-1油田吊機(jī)、CFD油田吊機(jī)以及BZ28-2油田吊機(jī)共135個(gè)齒輪箱進(jìn)行拆檢并試驗(yàn)，試驗(yàn)效果明顯，齒輪油循環(huán)沖洗效果顯著提高了齒輪箱的一次維修合格率并延長了齒輪箱檢修時(shí)間，達(dá)到了預(yù)期效果。