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(lái)越高，因此吊機(jī)的故障率也越來(lái)越高。吊機(jī)的齒輪箱作為吊機(jī)的重要組成部件起到卷?yè)P(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(lái)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(lái)控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速[1]；控制泵輸出壓力油用來(lái)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(lái)調(diào)節(jié)剎車系統(tǒng)最大的壓力來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)度要經(jīng)過裝配核實(shí)校驗(yàn)其加工長(zhǎng)度，使其長(zhǎng)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(wú)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?cè)囼?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(wú)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(lái)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(yǔ)

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(guó)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(zhǎng)了齒輪箱檢修時(shí)間，達(dá)到了預(yù)期效果。