馬振軍，許 振，吳 韓

（廣東精銦海洋工程股份有限公司，佛山 528000）

0 引言

目前的大和平時期，為世界各國的經(jīng)濟和科技發(fā)展提供了良好的成長環(huán)境；集中快速地發(fā)展也意味著背后大量的能源消耗，全球各地政府也正積極尋求能源持續(xù)獲取途徑[1]。經(jīng)過大量的勘探分析，海洋中儲備的油氣資源遠超陸地，再加上海上的風(fēng)力資源極為豐富，充分利用風(fēng)能符合當(dāng)下積極發(fā)展綠色能源的時代理念。為此，大力開展海洋科技裝備的研究已經(jīng)成為了各國政府重點發(fā)展領(lǐng)域。海上自生式平臺無論是在油氣勘探與開采，還是海上風(fēng)力發(fā)電場的安裝維護，都有很強的適用能力；然而，目前自升式海洋平臺的相關(guān)設(shè)計和制造技術(shù)尚不成熟，還有很大的發(fā)展空間[2]。

根據(jù)前人的實際統(tǒng)計，在海上平臺中，自升式海洋平臺的事故損失占所有平臺事故損失數(shù)額的一半以上。數(shù)據(jù)分析證明，自升式海洋平臺的事故有將近一半左右發(fā)生在平臺起升和拖航的過程中；因此，對自升式海洋平臺升降系統(tǒng)的設(shè)計分析是至關(guān)重要的[3]。其中，爬升齒輪與齒條嚙合傳動單元是決定海上自升式平臺安全與否的重要裝置，它們連接著平臺和支撐樁腿，對于平臺穩(wěn)定和安全的影響非常大，因此平臺升降單元合理、可靠地分析和設(shè)計尤為重要[4]。升降裝置的分析需要依靠平臺作業(yè)工況和環(huán)境載荷的實際情況；對海上平臺的一般作業(yè)狀態(tài)和整體受載分析國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的探索和研究[5-6]。在平臺整體工況分析的基礎(chǔ)上，需要對升降裝置的傳動載荷、接觸彎曲極限、振動和變形、制造成本與可靠性進行一系列的分析和探討。陳石[7]對升降單元中齒面接觸疲勞和齒根彎曲疲勞強度進行分析，并針對齒輪齒條傳動中壓力角及齒根圓半徑系數(shù)等主要參數(shù)結(jié)合可靠性分析理論進行了系統(tǒng)解析。陳寶慶等[8]對自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)齒條負載不均問題，建立了海洋平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析研究了在負載和嚙合參數(shù)改變的情況下,爬升齒輪均載的變化趨勢。Ahmed Khondaker Sakil等針對升降齒輪齒條開發(fā)了一系列有限元（FE）模型進行分析，研究了頂升系統(tǒng)的強度，剛度和疲勞壽命，并且分析了平臺不同運行載荷下小齒輪的疲勞性能[9]。

國內(nèi)外學(xué)者對齒輪齒條嚙合傳動升降驅(qū)動方式已有較多研究，但在長期的實踐過程中，也發(fā)現(xiàn)了齒輪齒條嚙合傳動中較難避免的問題和實際限制條件，例如實際制造成本高，維修困難，使用壽命不足等。因此，在繼續(xù)發(fā)展、應(yīng)用海洋平臺齒輪齒條嚙合升降裝置的同時，也有必要對其他可行的升降驅(qū)動方法進行研究和探索。吳林對圓周均布的圓柱滾動體參與嚙合傳動方式的傳動耦合機理、廓面發(fā)生原理、運動仿真進行了推導(dǎo)分析并取得了一些研究成果[10]。張蕓等[11]對次擺線銷輪齒條傳動的嚙合力及接觸應(yīng)力進行了綜合研究和推導(dǎo)并建立分析模型。張化波[12]以柱形齒滾銷與次擺線齒條嚙合傳動形式為研究對象，對其傳動原理、剛度計算與受力分析、齒形綜合、滑動率、重合度、結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳動性能分析等進行了較完整詳細的研究。銷齒傳動具有獨特的運行性能，適合應(yīng)用于低速、重載等重工環(huán)境中，這正是海工裝備所處的作業(yè)環(huán)境，對銷輪齒條傳動應(yīng)用于升降平臺進行研究和對比分析，對海洋平臺升降系統(tǒng)的創(chuàng)新和發(fā)展具有非常重要的研究意義。本文在分析了齒輪齒條升降裝置后，對銷輪齒條傳動升降裝置進行了探討和研究，可為海上平臺升降系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供參考思路。

1 齒輪齒條升降裝置

自升式海洋平臺中齒輪齒條式升降裝置的主要由齒條、齒輪減速器、驅(qū)動電機、小齒輪，即爬升齒輪組成，如圖1所示。

圖1 某齒輪齒條升降裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of a rack and pinion lifting device

減速器由多級齒輪嚙合傳動構(gòu)成，如圖2所示，序號1、2、3、4分別為四級齒輪嚙合副，序號5、6、7、8、9、10分別為二級行星輪減速傳動，序號11為輸出軸即爬升齒輪軸。齒輪箱對電機的輸入進行減速并增加扭矩，提供平臺升降所需要的巨大轉(zhuǎn)矩；輸出端為爬升齒輪，其與樁腿上的齒條嚙合傳動，實現(xiàn)海上平臺平穩(wěn)升降作業(yè)。當(dāng)海上升降平臺到達預(yù)定海面位置時，利用平臺排水量的變化或改變承載樁腿的數(shù)量把樁腿插入海底淤泥，并進行樁腿預(yù)壓載；預(yù)壓載結(jié)束后，對海洋平臺進行起升操作，當(dāng)平臺到達預(yù)定的作業(yè)高度時，將其和樁腿鎖緊。

圖2 某齒輪齒條升降裝置原理Fig.2 Schematic diagram of a certain rack and pinion lifting device

1.1 齒輪齒條升降裝置的失效

齒輪齒條是升降系統(tǒng)的重要承載部件，爬升齒輪齒條嚙合單元不但要在常規(guī)工作情況下和風(fēng)暴自存狀態(tài)下長時間支撐平臺整體，而且需要在升降作業(yè)時完成平臺甲板和樁腿的提升和下降，長時間處于承受巨大載荷狀態(tài)。其中升降裝置的承載包函著各種動載荷，自升式海洋平臺爬升齒輪與齒條嚙合機構(gòu)是甲板平臺和樁腿最重要的連接裝置，甲板平臺上的各種作業(yè)載荷通過爬升齒輪齒條嚙合機構(gòu)傳遞給支撐樁腿，甲板下的支撐樁腿所承受到的海波、海流和風(fēng)載荷大部分通過齒輪齒條嚙合機構(gòu)傳遞給甲板平臺。

爬升齒輪與齒條嚙合機構(gòu)所處的工況十分惡劣，因此齒輪傳動中輪齒的失效是很難避免的，失效的形式主要有齒面磨損，齒面膠合，齒面點蝕和輪齒折斷4種。其中，疲勞損壞和斷裂失效兩種破壞形式是最容易產(chǎn)生的。與一般的齒輪嚙合傳動裝置相比，自升式海洋平臺升降系統(tǒng)中的齒輪與齒條嚙合傳動機構(gòu)具有重載荷和低速度的特點，并且其屬于開式嚙合傳動的類型，復(fù)雜工況和惡劣的海洋環(huán)境對于齒輪和齒條使用壽命會產(chǎn)生極大的影響[13]。海洋平臺升降系統(tǒng)齒輪齒條的齒面和齒根是使用過程中最容易、最頻繁發(fā)生失效的部位，齒根的彎曲強度疲勞與齒面的接觸強度疲勞是爬升齒輪失效的主要因素。

1.2 齒輪齒條升降裝置的設(shè)計極限

以某實際設(shè)計制造的齒輪齒條升降系統(tǒng)為分析對象，此升降單元爬升齒輪和樁腿齒條的材料及主要參數(shù)如表1所示。

表1 某升降裝置齒輪齒條的幾何和材料性能參數(shù)Tab.1 Geometry and material performance parameters of a certain lifting device rack and pinion

對升降裝置作業(yè)過程中齒輪齒條的3個嚙合位置部分應(yīng)力進行監(jiān)測和記錄，各位置最大應(yīng)力如表2所示。由記錄數(shù)據(jù)可以看出，在齒條接觸面上的應(yīng)力始終為齒條應(yīng)力最大值，而且齒條接觸面上的應(yīng)力都比齒輪接觸面上的應(yīng)力要大。同時可以發(fā)現(xiàn)，齒輪齒條嚙合升降裝置實際作業(yè)過程中，爬升齒輪上的最大應(yīng)力在齒輪輪齒根部，齒條齒面的應(yīng)力值要比齒輪的齒根最大應(yīng)力值高。分析發(fā)現(xiàn)，由于齒條接觸面上存在著最大應(yīng)力，所以齒條表面與齒輪相接觸部位即為需要關(guān)注的重點部位，該部位較容易在大應(yīng)力作用下首先出現(xiàn)破壞。

表2 某升降裝置齒輪齒條工作過程中各部分應(yīng)力的最大值Tab.2 The maximum stress of each part of a lifting device during the working process of the rack and pinion

齒輪齒條嚙合升降時，爬升齒輪齒根處會出現(xiàn)最大彎曲應(yīng)力，尤其是當(dāng)爬升齒輪與齒條處于嚙合位置b和嚙合位置c時，爬升齒輪上最大齒根應(yīng)力的數(shù)值要比齒輪齒面接觸部位應(yīng)力的數(shù)值大，這是在設(shè)計制造時應(yīng)該考慮到的情況。根據(jù)實踐分析發(fā)現(xiàn)嚙合危險部位，有針對性的提出提高齒條齒輪嚙合機構(gòu)安全性的措施，即在設(shè)計加工時應(yīng)重點考慮確保齒條的接觸強度，并合理降低嚙合時齒條齒面的的最高接觸應(yīng)力。由于自升式海洋平臺長時間處于海洋的惡劣環(huán)境中，齒輪齒條嚙合機構(gòu)容易發(fā)生疲勞失效，并且齒條齒輪的齒根發(fā)生疲勞破壞的情況遠遠比齒面出現(xiàn)疲勞磨損的情況危險，齒根破壞帶來后果往往是難維修、高損失的，海洋平臺齒條齒輪嚙合升降機構(gòu)的設(shè)計也不會允許發(fā)生因齒根疲勞破壞而斷齒的情況，因此，在實際設(shè)計應(yīng)用過程中應(yīng)當(dāng)采取齒根最大彎曲應(yīng)力作為升降系統(tǒng)的強度設(shè)計極限。

海上自升式平臺升降裝置的齒條一般采取焊接的方法與平臺支撐樁腿連接，并且樁腿齒條本身的加工制造成本較高，所以在作業(yè)過程中爬升齒輪損壞所造成的成本損失遠遠小于齒條。實際設(shè)計制造時為了優(yōu)先考慮保證齒條不被提前破壞，在一般情況下，都以爬升齒輪的使用壽命作為升降系統(tǒng)的設(shè)計極限。

2 銷輪齒條傳動升降裝置

2.1 裝置應(yīng)用分析

漸開線齒輪齒條嚙合傳動運用于海上自升式平臺升降系統(tǒng)已經(jīng)有較長時間應(yīng)用實踐，實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了許多不足之處和使用發(fā)展的局限性。升降系統(tǒng)所使用齒輪齒條，模數(shù)很大，有的模數(shù)將近100；這種類型大模數(shù)少齒數(shù)爬升齒輪，在加工制造時技術(shù)要求較高，生產(chǎn)不便，加工設(shè)備十分龐大。目前國內(nèi)擁有生產(chǎn)此類大模數(shù)齒輪的大型設(shè)備的企業(yè)較少，即使有設(shè)備加工，由于其體積與重量大，加工成本也相當(dāng)高。在維修上，爬升齒輪一但失效破壞，便要拆卸升降單元對齒輪進行整體更換，維修成本較高。尋求一種新的并且具有可行性的傳動裝置的腳步也是海洋平臺升降系統(tǒng)進一步發(fā)展創(chuàng)新的需要[14]。

銷齒傳動的結(jié)構(gòu)特點一般于適用于粉塵多、潤滑條件差等惡劣環(huán)境中的重載、低速機械傳動。其圓周速度為0.05～0.5 m/s；傳動比可以達到5～30；傳動效率在無潤滑時可以達到0.90～0.93，有潤滑時為0.93～0.95。現(xiàn)在，銷齒傳動主要應(yīng)用于冶金、化工、礦山和起重運輸?shù)炔块T重載低速的機械裝備中。也正因為銷齒傳動的獨特優(yōu)勢，符合海洋工況的工作環(huán)境，其在海洋工程領(lǐng)域的運用也正不斷增加。

2.1.1 裝置原理

銷齒齒條傳動是齒輪齒條傳動的一種特殊形式，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)健、加工較方便，且易于維修，適用于海上升降平臺的作業(yè)工況。將銷齒齒輪當(dāng)作爬升齒輪與樁腿齒條嚙合構(gòu)成自升式海洋平臺升降系統(tǒng)的傳動裝置，其傳動機理與上述漸開線爬升齒輪齒條嚙合傳動過程有相似之處，圖3所示為銷輪齒條傳動原理。驅(qū)動單元將轉(zhuǎn)矩輸入到減速箱后，由銷齒齒輪輸出低速大轉(zhuǎn)矩，通過銷輪上的銷齒和齒條齒形嚙合并帶動齒條升降運動，從而帶動海洋平臺的樁腿上下運動達到壓樁和起升船的作業(yè)務(wù)。

圖3 銷輪齒條傳動原理Fig.3 Schematic diagram of pin wheel rack transmission

2.1.2 齒輪齒條與銷輪齒條升降裝置對比

銷輪作為爬升齒輪與樁腿齒條嚙合傳動構(gòu)成自升式海洋平臺升降系統(tǒng)新的驅(qū)動方式，是一種必要的探索和嘗試，表3中分析整理了齒輪齒條與銷輪齒條兩種傳動方式的升降裝置的對比結(jié)果。

表3 齒輪齒條和銷輪齒條升降裝置的對比Tab.3 Comparison table of gear rack and pin wheel rack lifting devices

銷齒齒條傳動方式運用與海洋自升式平臺升降裝置相結(jié)合，在海洋平臺上是一種新的探索，也是一種必要的嘗試。對原有升降系統(tǒng)的傳動方式進行了改造，與齒輪齒條升降相比可以有效降低生產(chǎn)加工和維修的成本，對于船東與設(shè)備生產(chǎn)廠家而言都是極為有益的；可以為海上升降裝置的發(fā)展和應(yīng)用帶來極大利好，并且可以為海工行業(yè)創(chuàng)造很好的經(jīng)濟效益，具有一定的研究應(yīng)用價值。

2.2 銷齒結(jié)構(gòu)

圖4所示為普通銷齒的具體結(jié)構(gòu)，從該圖可以看到銷齒安裝于銷輪的兩夾板之間，結(jié)構(gòu)較為簡單；由于銷齒一般為圓柱體，加工和制造會變得十分方便，對生產(chǎn)設(shè)備的要求和技術(shù)要求并不高，造價不高。在傳動時，是銷齒中間部分與齒條嚙合受力，銷齒為簡支梁形式受載，受力穩(wěn)定不易折斷，使用壽命符合期望值。銷齒與銷輪不屬于同一個零件體，當(dāng)圓柱銷齒破壞后可以對個別銷齒進行更換，不需要對銷輪進行整體維修，維修方便，維修成本較低，具有較好的經(jīng)濟性。

圖4 普通銷齒的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of common pin tooth

當(dāng)銷齒輪和齒條作為傳動機構(gòu)時，銷齒輪為主動，輪齒的頂部首先進入嚙合，這時由于輪齒和齒條頂部的相對運動是滑動摩擦，其傳動效率會因此而降低；而且銷輪齒和齒條之間的磨損嚴(yán)重，致使銷輪和齒條的壽命降低。另外銷齒的是圓柱形無法像漸開線齒輪采用變位方式降低齒輪尺寸。

為了克服普通銷輪銷齒和齒條嚙合傳動機構(gòu)時，由于銷輪為主動件會降低其傳動效率及加速磨損的缺點，分析探討后采用帶銷套的銷齒結(jié)構(gòu)；如圖5所示，即在銷齒柱上設(shè)置銷套，銷套為圓筒型，套在銷齒上，銷齒為芯軸，銷套圍繞銷齒柱轉(zhuǎn)動，銷套與銷齒柱之間為動配合。

圖5 帶銷套銷齒的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of pin tooth with pin sleeve

當(dāng)帶銷套的銷齒轉(zhuǎn)動與齒條直接接觸，特別是經(jīng)過齒條齒頂部相對運動為滑動摩擦?xí)r；銷套就圍繞銷齒柱轉(zhuǎn)動，銷套與銷齒柱之間產(chǎn)生的近乎滾動摩擦代替了銷套和齒條齒間的滑動摩擦，因此銷齒磨損程度大大降低，從而提高了銷輪與齒條的使用壽命。

2.3 銷齒傳動幾何尺寸與強度設(shè)計計算

從需要的外部條件出發(fā)，按已知的傳動參數(shù)，參考設(shè)計手冊中普通銷齒結(jié)構(gòu)設(shè)計過程[15]，選定計算出齒條齒寬系數(shù)φ、齒條齒數(shù)、銷輪銷齒直徑dp、齒距p等主要基礎(chǔ)參數(shù)，然后根據(jù)已有條件和所求基礎(chǔ)參數(shù)進行強度計算和驗算，接觸強度的計算公式為:

接觸強度驗算公式為：

式中：dp為銷輪銷齒直徑，mm；F1為額定負載下圓周力，N；σHP為許用接觸應(yīng)力，MPa；φ為齒條齒寬系數(shù)；σH為計算接觸應(yīng)力，MPa。

銷輪銷齒彎曲強度驗算公式為：

式中：σF2為銷齒計算彎曲應(yīng)力，MPa；L為銷齒計算長度，mm；b為齒條齒寬，mm；σF2p為銷齒許用應(yīng)力，MPa。

銷輪上夾板擠壓強度驗算公式為：

式中：σpr為計算擠壓應(yīng)力，MPa；δ為銷輪夾板厚度，mm；σprp為許用擠壓應(yīng)力，對于鋼Q235，σprp=98～118 MPa。

值得注意的是，當(dāng)銷輪和齒條輪齒在節(jié)點處接觸為計算位置，此時銷齒和輪齒接觸處的曲率半徑分別為：p=1.5dp，p=0.5dp。當(dāng)銷輪和齒條輪齒材料不同時，應(yīng)取σHP的較小者計算。

2.4 銷輪齒條傳動齒條齒型選擇

海上自升式平臺在升降作業(yè)過程中同樣需要確保一定的運動平穩(wěn)性，從銷齒齒條嚙合傳動原理可知，為了盡量滿足穩(wěn)定性的使用要求，便要保證銷輪中心速度為近似恒定值，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，可以通過分析比較，選擇合適的齒條齒型與銷齒嚙合傳動。在目前實際運用的銷齒齒條傳動的機構(gòu)中齒條的齒型有3種型式：直線齒型、圓弧齒型和擺線齒型。下面分別對不同齒型曲線的齒條與銷輪相嚙合時的運動特性進行分析。

2.4.1 銷輪和直線齒型的齒條嚙合傳動

在銷齒齒條嚙合傳動中，因為齒條的齒形曲線為直線，在兩圓柱銷齒交替嚙合嚙出的瞬間，銷輪中心速度有一減小的突變。

2.4.2 銷輪和圓弧齒型的齒條嚙合傳動

當(dāng)齒條的齒形設(shè)計成圓弧狀時，在銷輪與齒條嚙合過程中齒條齒形的嚙合壓力角會不斷改變，但是可以達到銷輪中心的運動速度變化幅度變小目的；圓弧齒型齒條的齒形又可分為凸圓弧齒形和凹圓弧齒形兩種。下面是對這兩種齒形嚙合進行時的分析比較。

（1）凸圓弧齒形

當(dāng)凸圓弧齒形的齒條與銷齒嚙合傳動時，銷輪的中心速度在兩圓柱銷齒交替嚙合的瞬時仍然會有一突變，但中心速度的變化幅度會比直線齒型齒條嚙合時有較明顯的降低。如果適當(dāng)增加銷齒的數(shù)量，這時候在前面一個銷齒完全脫離齒條嚙合之前，后一個銷齒就已經(jīng)和齒條相接觸，這樣銷輪和齒條嚙合傳動時可使銷輪中心速度的波動幅度減少。

（2）凹圓弧齒形

當(dāng)凹圓弧齒形的齒條與銷齒嚙合時，其傳動過程中銷輪中心速度始終是波動的。但其波動幅度會比凸圓弧齒形和直線齒形的齒條嚙合時要小，所以，此時銷輪齒條嚙合傳動機構(gòu)的在運動時相比較而言要平穩(wěn)一些。如銷輪的銷輪齒數(shù)因為結(jié)構(gòu)的限制不易增加時，或者需要降低銷輪齒條嚙合傳動系統(tǒng)的重量和體積，使用凹圓弧齒形的齒條嚙合傳動比較合適。

（3）銷輪和擺線齒型的齒條嚙合傳動

銷齒與齒條嚙合傳動時嚙合力有明顯的單齒嚙合區(qū)和、雙齒嚙合區(qū)之分，在雙齒嚙合區(qū)時齒條齒面載荷趨向于均載，單齒嚙合區(qū)與兩齒嚙合區(qū)的過渡處存在載荷突變，波動幅度不平穩(wěn)。

3 結(jié)束語

首先，對目前海上自升式平臺升降裝置應(yīng)用的齒輪齒條傳動方式進行了實踐分析；確定了齒輪齒條最大載荷的分布情況和設(shè)計極限。接著，在分析了齒輪齒條升降裝置長期實踐應(yīng)用中顯露出的不足和局限性基礎(chǔ)上，對自升式平臺升降裝置傳動方式進行了必要研討和嘗試，提出運用銷輪齒條傳動方式代替齒輪齒條升降的設(shè)計思路。并結(jié)合銷輪齒條開放、低速、重載，加工維修成本低等獨特優(yōu)勢，與齒輪齒條驅(qū)動升降進行了系統(tǒng)對比，分析了該傳動形式應(yīng)用于海上升降系統(tǒng)的可行性。最后，推導(dǎo)了銷齒傳動幾何尺寸和強度設(shè)計與驗算的基本過程；并且探討了銷輪銷齒與3類不同齒型齒條嚙合傳動時的不同運動狀態(tài)和嚙合特性，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計條件和需求進行合理選擇；本文可為海洋平臺升降裝置傳動形式的創(chuàng)新探索提供一定的借鑒。