張大朋，嚴(yán) 謹(jǐn)，趙博文，王少鵬，朱克強(qiáng)

（1.廣東海洋大學(xué)，湛江 524088；2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，舟山 316021；3. 杭州艾美依航空制造裝備有限公司，杭州 324100；4. 寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，寧波 315211）

1 前言

自升式海洋平臺(tái)作為一種常見的海上移動(dòng)式油氣鉆探裝備，在海上油氣勘探作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。支撐式升降機(jī)系統(tǒng)，是自升式平臺(tái)的非常重要的傳動(dòng)構(gòu)件，其性能的好壞對(duì)平臺(tái)運(yùn)行的安全使用有著重要的影響。在工作時(shí)，升降設(shè)施將平臺(tái)的主體抬高至海面以上，使之不受海浪的襲擊；完成任務(wù)后，平臺(tái)主體下降到海平面，將平臺(tái)水下的樁腿拔起并升至水面拖航位置，即可將該平臺(tái)拖航到下一個(gè)井位進(jìn)行再次工程作業(yè)。因此，研究自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)的強(qiáng)度，對(duì)保證平臺(tái)系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有極其重要的意義。

目前對(duì)自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)的有限元分析，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究。孫永泰對(duì)自升式平臺(tái)的齒輪齒條系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)而全面的介紹與論述[1]；王泉對(duì) “勝利作業(yè)三號(hào)”齒輪齒條機(jī)構(gòu)建立了有限元三維仿真模型，并研究了不同工況下大模數(shù)齒輪和齒條的齒面等效應(yīng)力和齒根部位應(yīng)力，分析了該系統(tǒng)的概率可靠性[2]；徐長航、苑思敏等人通過對(duì)正常和應(yīng)急升降工況下大模數(shù)齒輪齒條機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)在升降過程中升降裝置各小齒輪之間保持受力均勻有助于維持系統(tǒng)良好的同步性[3]；尹樹孟等人對(duì)齒輪齒條傳動(dòng)裝置進(jìn)行了較為精細(xì)地強(qiáng)度分析[4]； X. M.Tan 等對(duì)升降作業(yè)狀態(tài)下自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析[5-6]；陳寶慶等人通過平臺(tái)升降系統(tǒng)齒輪的均載系數(shù)與模數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)齒輪的均載系數(shù)隨著模數(shù)的增大先增大后減小[7]；宋寶杰等人結(jié)合某一自升式海洋平臺(tái)的具體參數(shù)，詳細(xì)闡述了自升式平臺(tái)升降系統(tǒng)的工作原理，并針對(duì)該過程提出了優(yōu)化改進(jìn)方向[8]；巍卓研究了考慮海底地基作用下自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)在位運(yùn)行過程中的力學(xué)特性，并設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的總體方案[9]；孟淼利結(jié)合三維建模通用軟件Pro/E 對(duì)平臺(tái)升降系統(tǒng)進(jìn)行了三維建模，并對(duì)該系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)齒輪進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析[10]。

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，大部分研究僅考慮齒條齒輪嚙合處的強(qiáng)度要求，對(duì)升降裝置中的其他組件所需要的強(qiáng)度要求沒有進(jìn)行充分考慮。為彌補(bǔ)以上不足，本文基于大型通用非線性有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ABAQUS 的強(qiáng)大功能，建立升降裝置有限元分析模型，并對(duì)該裝置在正常、應(yīng)急兩種工況下的升舉過程進(jìn)行模擬仿真，得到兩種工況下升降裝置整體及其各組件的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力分布情況；并結(jié)合應(yīng)急工況下各部件的強(qiáng)度要求進(jìn)行靜強(qiáng)度的安全性校核，結(jié)合計(jì)算結(jié)果給出了一些指導(dǎo)性建議，對(duì)于工程實(shí)踐具有一定的借鑒和參照價(jià)值。

2 升降裝置仿真研究

2.1 升降裝置仿真模型

本文以某350 ft 海洋平臺(tái)的自升式海洋平臺(tái)齒輪齒條式升降裝置作為研究對(duì)象。該裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為星減速器，每個(gè)樁腿的兩側(cè)均布齒條，每個(gè)齒條與3 組7 齒的小齒輪通過嚙合傳動(dòng)，每2 個(gè)沿樁腿兩側(cè)對(duì)稱布置的小齒輪由同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該裝置主體材料主要參數(shù)為：楊氏模量2 000 MPa，泊松比0.27，密度大小7 800 kg/m3。

按照設(shè)計(jì)要求，該裝置需要同時(shí)滿足正常工作、最大應(yīng)急工作兩種狀態(tài)下的升降作業(yè)。與兩種狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，升降裝置所承受的最大升降載荷分別為15 240 kN、37 800 kN，兩種工況升降速度均為0. 45 m /min。

利用SOLIDWORKS 軟件建立升降裝置的幾何模型，并結(jié)合ABAQUS 軟件的功能得到該升降裝置的有限元仿真模型。為了保證傳動(dòng)過程中擁有較好的收斂性和動(dòng)力學(xué)真實(shí)性，采用殼單元與實(shí)體單元相互接觸的形式來模擬齒輪齒條的嚙合傳動(dòng)過程。

2.2 升降裝置仿真研究

首先以正常工作、應(yīng)急最大載荷工作兩種工況下的升舉平臺(tái)主體過程為研究對(duì)象，研究6 個(gè)小齒輪均正常嚙合齒條工況下齒輪齒條式升降裝置的強(qiáng)度結(jié)果。根據(jù)2 種工況下升降裝置的設(shè)計(jì)升降載荷（15 240 kN, 37 800 kN）確定模型的外加載荷，最終實(shí)現(xiàn)兩種工況下升舉平臺(tái)工作過程的仿真強(qiáng)度對(duì)比分析。

圖1、圖2 為兩種工況下，齒輪齒條嚙合部的應(yīng)力云圖。

圖1 正常工作時(shí)齒輪齒條嚙合處應(yīng)力云圖

圖2 最大應(yīng)急工作時(shí)齒輪齒條嚙合處應(yīng)力云圖

對(duì)比圖1 和圖2，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）在相同升降載荷情況下，齒條左右對(duì)稱分布的2 個(gè)小齒輪的應(yīng)力云圖幾乎相同，其應(yīng)力分布的大小及云圖形態(tài)基本相同。這說明在正常升降狀態(tài)下，對(duì)稱的小齒輪擁有相同的工作狀態(tài)，齒輪齒條嚙合部具有良好的運(yùn)動(dòng)同步性，齒條上左右兩端的嚙齒受力均勻、對(duì)稱分布，這對(duì)于保證齒條在位運(yùn)行狀態(tài)不被撕裂、不發(fā)生大的變形具有重要意義；

（2）在最大應(yīng)急狀態(tài)下，輪齒條嚙合部的應(yīng)力急劇變大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋狠d荷大幅度增加導(dǎo)致沖擊載荷發(fā)生，使得齒輪齒條在嚙合過程中發(fā)生更加劇烈的深度接觸與碰撞，短時(shí)間內(nèi)齒輪齒條之間的擠壓程度增大，因而輪齒條嚙合部的應(yīng)力急劇增大，也就是說應(yīng)急狀態(tài)會(huì)急劇增大齒輪齒條嚙合部應(yīng)力。因此，當(dāng)因?qū)嶋H工程需要或是躲避海上較大風(fēng)浪而需要縮短平臺(tái)升降時(shí)間時(shí)，要選擇合適的齒輪轉(zhuǎn)速，以達(dá)到時(shí)間與工程安全的均衡，既能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成平臺(tái)的升降，也要給齒輪和齒條留足應(yīng)力安全裕度。

圖3、圖4 為兩種工況下齒輪應(yīng)力云圖。

圖3 正常工作時(shí)齒輪應(yīng)力云圖

圖4 最大應(yīng)急工作時(shí)齒輪應(yīng)力云圖

對(duì)比圖3 和圖4，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）在相同的升降載荷情況下，齒輪齒條嚙合過程中齒輪接觸面的應(yīng)力大小呈階梯狀分布，在帶狀區(qū)域的中間出現(xiàn)最大應(yīng)力，帶狀區(qū)域的兩端應(yīng)力較小。

在齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，可以分為兩個(gè)階段，即兩個(gè)齒先相互接近后相互遠(yuǎn)離：在相互接觸發(fā)生的瞬間，齒輪中間區(qū)域?qū)⑾扰c齒條發(fā)生相互接觸擠壓，因此應(yīng)力在中間區(qū)域會(huì)較大；而在相互分離階段，齒輪根部將與齒條發(fā)生相互擠壓的程度較為微弱，因此齒根部分的應(yīng)力也會(huì)比較?。?/p>

（2）先后發(fā)生于齒根和齒面的較為嚴(yán)重的擠壓和碰撞造成了升降系統(tǒng)齒輪的齒面接觸應(yīng)力與齒根彎曲應(yīng)力相應(yīng)地升高，因此在嚙合接觸過程中要注意預(yù)防兩部分發(fā)生斷裂失效；

（3）在最大應(yīng)急工況時(shí)，嚙合部位的載荷明顯增加，齒面接觸應(yīng)力與齒根彎曲應(yīng)力普遍變大，最大應(yīng)力值約是正常工況下最大應(yīng)力值的5 倍；

（4）固定齒輪的中心軸部承受了較大的接觸應(yīng)力。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因：一是固定齒輪的軸部承受齒輪系統(tǒng)的總重；另一是齒輪在嚙合過程中受到的扭矩和彎矩最終傳遞到固定齒輪的軸部，使齒輪軸部發(fā)生復(fù)雜而急劇的彎扭和擠壓，因而軸部的接觸應(yīng)力較大。

圖5、圖6 為兩種工況下齒條應(yīng)力云圖。

圖5 正常工作時(shí)齒條應(yīng)力云圖

圖6 最大應(yīng)急工作時(shí)齒條應(yīng)力云圖

對(duì)比圖5 和圖6，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）在平臺(tái)升降齒條嚙合過程中，齒條應(yīng)力在接觸面上呈帶狀分布，帶狀區(qū)域的中部出現(xiàn)最大應(yīng)力，帶狀區(qū)域的兩端應(yīng)力相對(duì)較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋糊X條嚙合過程中發(fā)生緊密接觸的部位位于中間，而在兩端的接觸碰撞作用較為微弱，僅受到了兩邊齒輪的擠壓作用，因此應(yīng)力相對(duì)較??；

（2）在平臺(tái)升降的過程中，齒條齒面接觸應(yīng)力最大，是更容易發(fā)生疲勞失效和撕裂；

（3）在最大應(yīng)急工況下，齒條承受的載荷增加，齒條齒面的接觸應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)地變大。

3 升降裝置各部件仿真研究

為了比較升降裝置各個(gè)部件的應(yīng)力強(qiáng)度，取最大應(yīng)急工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，得到以下結(jié)論：

（1）齒面和齒根容易發(fā)生失效，升降系統(tǒng)中齒面的接觸應(yīng)力與齒根彎曲應(yīng)力比較高，因此在升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施降低相應(yīng)的應(yīng)力或提高材料的強(qiáng)度；

（2）升降裝置各部件的設(shè)計(jì)，基本符合規(guī)范對(duì)各自結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求；

（3）在升降系統(tǒng)的各部件中，齒輪最容易發(fā)生失效，其次為齒條；

（4）齒輪和齒條要有較強(qiáng)的抗壓剛度和抗彎剛度，并且齒輪的強(qiáng)度要優(yōu)先得到保障。

4 結(jié)論

（1）在相同的升降載荷情況下，相對(duì)于齒條左右對(duì)稱分布的2 個(gè)小齒輪的應(yīng)力云圖幾乎相同，說明在正常升降狀態(tài)下對(duì)稱的小齒輪具有相同的工作狀態(tài)，齒輪齒條嚙合部的接觸具有良好的同步性；

（2）正常及應(yīng)急極限工況下，升降系統(tǒng)整體及其各部分組件強(qiáng)度皆符合強(qiáng)度要求；

（3）在升降載荷情況下，齒條與齒輪在嚙合過程中齒條應(yīng)力在接觸面上呈帶狀分布，帶狀區(qū)域的中部出現(xiàn)最大應(yīng)力，帶狀區(qū)域的兩端應(yīng)力相對(duì)較小；

（4）齒面和齒根容易發(fā)生失效，升降系統(tǒng)中齒面的接觸應(yīng)力與齒根彎曲應(yīng)力比較高，因此在升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施降低相應(yīng)的應(yīng)力（如：在重合度得到保證的前提下，適當(dāng)提高齒輪齒條的壓力角）或提高材料的強(qiáng)度；

（5）在組成升降系統(tǒng)的各部件中，齒輪最容易失效，在升降系統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，最應(yīng)該關(guān)注齒輪、齒條的強(qiáng)度要求，并對(duì)其采取有效的措施進(jìn)行強(qiáng)度加強(qiáng)或者應(yīng)力緩解；

（6）當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)過快時(shí)，齒輪表面摩擦加劇，長久的摩擦對(duì)于工程安全是非常不利的。因此要合理控制齒輪的旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)定平臺(tái)升降所需的時(shí)間，不要過度追求時(shí)間的縮短。