自升式鉆井平臺懸臂梁齒輪齒條驅動系統設計

□ 王龍庭 □ 徐興平 □ 徐長航 □ 劉廣斗 □ 張 辛

中國石油大學（華東）機電工程學院 山東青島 266580

懸臂梁自升式鉆井平臺是目前海洋石油勘探開發的主要裝備［1-3］，它可通過鉆井模塊的縱橫向移動實現打叢式井的目的。根據懸臂梁的移動方式可以把懸臂梁分為三種：傳統型、X-Y 型和旋轉型［4-5］。 其中，傳統型懸臂梁（即懸臂梁沿平臺基座縱向滑移，鉆臺及井架模塊沿懸臂梁上的橫向軌道橫向滑移）由于技術成熟和造價相對低廉而受到平臺設計制造公司的青睞。

傳統懸臂梁的移動目前一般采用液壓驅動方式，即“液壓油缸+棘爪”推移方式，技術上相對成熟可靠，可以實現懸臂梁步進式的滑移。由于依靠液壓油缸的往復運動間斷地推動懸臂梁移動，移動速度緩慢，而且需要人為扳動壓重塊，工作效率較低，液壓油缸容易漏油，液壓系統維護較困難，結構復雜，用鋼量大，移動系統制造和安裝精度要求高，因此生產制造困難。而齒輪齒條滑移方式能實現連續平穩滑移，并且可根據需要調整滑移速度。研究開發移動迅速、便捷，以及制作方便的齒輪齒條式懸臂梁系統，可以提高海洋鉆井、修井平臺的工作效率［6-7］。

1 懸臂梁結構

本文研究的懸臂梁底座為傳統型結構，懸臂梁所在的平臺平面形狀呈三角形，該平臺可對水深5～40 m的油井進行鉆井作業。懸臂梁是支撐井架并可在平臺內外自由伸縮的鋼結構，由兩個完全相同的箱形梁組成。箱形梁上部通過兩根橫梁連接，井架隨鉆臺在橫梁上可左右移動。這種類型的懸臂梁平臺可以進行勘探作業，也可以進行鉆井作業，還能進行修井。懸臂梁的使用擴大了井架的活動空間，每次平臺就位后，平臺所鉆叢式井數量增多，工作效率顯著提高。

懸臂梁系統為平臺鉆、修井系統的縱向移動機構，它主要由懸臂梁、驅動系統、懸臂梁基座、懸臂梁鎖緊機構等組成。

懸臂梁系統的主要設計參數：鉆臺最大組合載荷為5 400 kN，最大縱向移動距離為12 m，鉆臺橫向移動最大移動距離為±3.6 m，井架支座間距為9.144 m×9.144 m。

設計的懸臂梁截面為箱形結構，即“Ⅱ”形結構，梁長度為30 m，高4.7 m。梁上下翼板寬度均為950 mm，上下翼板厚度為50 mm。腹板有4種厚度：26 mm、28 mm、32 mm和36 mm。梁的腹板高度很高，因此必須在兩端設有扶強材，防止腹板失穩，扶強材截面為T形結構。懸臂梁底座中心寬為15 m。懸臂梁上設有橫移軌道，橫移軌道中心距離船艉5.3 m。

2 齒輪齒條結構設計

2.1 懸臂梁最大驅動推力

在懸臂梁移動過程中，船艉基座和船艏鎖緊裝置的支撐力在不斷變化，因此懸臂梁外移過程中其所需的推力也是不斷變化的，顯然，在懸臂梁縱向移動到最遠端，以及鉆臺橫向移動最大距離時，支撐力最大，此時所需的推力也最大［8］。當懸臂梁縱向移動最遠位置和鉆臺橫向移動最左端時，懸臂梁及鉆臺的質心見表1。各載荷作用示意如圖1所示，設原點位于懸臂梁底座艉端中心。

表1 懸臂梁底座質量和質心位置

▲圖1 懸臂梁載荷受力示意圖

圖1 中，G鉆為鉆臺質量，G橫為橫移軌道質量，G懸為懸臂梁的質量，G堆為鉆桿堆場的質量。當懸臂梁橫移到最左端時，左端懸臂梁受力最大，因此研究左端懸臂梁支座的受力即可，其中懸臂梁和鉆桿堆場質量的一半載荷均勻分布于左端懸臂梁對應位置（圖中H點和K點），橫移軌道質量均勻作用于軌道與懸臂梁支座A、B、C、D 4點上，鉆臺質量通過鉆臺與軌道支點均勻作用在M、N、P、Q上，橫移軌道梁簡化為簡支梁，則鉆臺質量和橫移軌道質量等效作用在A、B點的支反力為：

QD 、ND 、BD 、PC 、MC 和AC 分別表示QD點、ND點、BD點、PC點、MC點和AC點之間的長度。因此得到左端懸臂梁的受力簡圖如圖2所示。

由圖2懸臂梁受力簡圖得到船艉基座E點和船艏鎖緊支座G點的支反力為：

NE=930.43 t

▲圖2 左端懸臂梁受力示意圖

NG=380.43 t

懸臂梁下面板與鎖緊機構和基座之間是剛性摩擦，摩擦因數μ為0.12（有潤滑）。因此得到懸臂梁系統的最小推力為：

Ft=μN=μ（NE+NG）=157.3 t

2.2 齒輪齒條設計計算

齒輪折斷、點蝕、磨損、塑性變形等為齒輪主要的失效形式［9］。針對齒輪失效，齒輪設計主要按齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞兩個準則進行［10］。

齒輪齒條設計的一般步驟為：確定齒輪齒條材料，確定齒輪傳動載荷系數，初選齒數、壓力角、齒寬系數等參數，初步計算齒輪直徑或模數，最后按齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞校核齒輪齒條的強度。

設計的齒輪齒條已知條件有：懸臂梁齒條移動速度v為0.03 m/s，齒輪齒條所需推力Ft為157.6 t，齒輪傳動要求傳動機和動力機平穩工作。首先按照齒根彎曲疲勞設計齒輪幾何參數，然后根據相關參數按上述兩準則校核齒輪強度。

2.2.1 材料選擇

在選擇齒輪齒條的材料時，應該參考以下幾點要素作為選取原則。

（1）材料必須滿足工作要求，且須考慮齒輪大小、齒輪制造成型工藝。

（2）正火碳鋼材料齒輪不能承受重度沖擊載荷，只能工作在輕度沖擊條件下，調質碳鋼齒輪可承受中等沖擊載荷，而合金鋼可承受高速、重載和沖擊載荷。

懸臂梁齒輪傳動承受重載，因此選用合金鋼硬齒面齒輪，本例中齒輪齒條材料均選用20CrMnTi滲碳鋼，滲碳、淬火、回火、氮化處理，其主要性能參數見表2。

表2 齒輪齒條性能參數

2.2.2 齒輪齒條參數設計

載荷輸出平穩，硬齒面開式齒輪重載傳動，齒數在17～24之間，宜選小值，因此選擇齒輪齒數zt=17。由于是齒輪齒條傳動，齒輪齒數選擇17時為傳動根切的邊緣，因此，必須對齒輪進行變位。采用變位齒輪，一是避免根切，二是可以提高齒根彎曲強度和齒面接觸強度，還可以提高齒面的耐磨性。按齒數和變位系數選取［10］原則，取變位系數x1=0.32。載荷變化不大，齒輪齒條硬度＞350 HBW，齒寬系數φd=0.4～0.55,初選 φd=0.45。

按齒根彎曲強度計算齒輪模數：

式（1）中各符號及數值見表 3，將表3數據代入式（1）得到m=28.3，根據模數選取原則，取m=32 mm，得到齒輪齒條的幾何尺寸見表4。

2.2.3 齒輪齒條疲勞強度校核

分別按齒輪齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度校核齒輪齒條的疲勞強度。齒輪許用接觸應力σHP、許用彎曲應力 σFP、齒輪實際計算接觸應力 σH、齒輪計算彎曲應力σF分別如下：

表3 齒輪齒條計算參數

表4 齒輪齒條傳動的幾何尺寸

▲圖3 齒輪齒條系統連接結構

上式中各符號數值及意義見表5。

將表 5 數值代入式（2）～式（5），計算得到：σHP=2 181.8 MPa； σEP=1 033.6 MPa； σH=1 675.5 MPa；σF=803.7 MPa。 因此，σH＜σHP，σF＜σFP，強度符合要求。 齒輪齒條傳動參數設計為：齒輪齒條材料20CrMnTi，精度等級6級，模數 32 mm，齒輪齒數17，齒輪變位系數0.32。齒輪寬250 mm，齒條寬240 mm。

2.3 齒輪齒條連接結構設計

考慮到海上工作的復雜性，齒條與懸臂梁的連接采用焊接方式，可使結構簡單、牢靠。每側懸臂梁對應選取10塊長度為2 010 mm的齒條，組成總長度為20 100 mm的驅動齒條,具體結構連接圖如圖3所示。

3 驅動控制系統設計

3.1 減速器及電機的選擇

齒輪齒條傳動所需扭矩為：

T=Ft（d1/2）=419.3 kN·m齒輪齒條傳動系統所需的功率為：

表5 齒輪齒條疲勞強度計算參數

齒輪轉速：

因此，選擇YB280M-6HWF隔爆型、船舶、戶外、防腐用三相異步電動機，額定功率Pi=55 kW，6級，電機輸出轉速ni=980 r/min，電機效率ηd=92%。

減速器傳動比為：

根據傳動功率和傳動減速比要求，選擇RG167型齒輪減速機，減速機傳動效率ηc為94%。由此得到電機通過減速機傳遞輸出的扭矩為：

Ti>T，電動機和減速機的選擇符合要求。

3.2 驅動控制系統的控制原理

根據對懸臂梁移動控制的要求，即兩懸臂梁之間的相對位移量不超過5 mm和梁的定位誤差不超過5 cm，綜合各種控制方法，選擇閉環交流變頻控制，其控制原理如下。

（1）相對位移量控制。丹弗斯 公 司 為 FC300［11］變 頻 器 配 備的可編程運動控制器，內置獨立的高速PID調節器，控制精度高，專門用于速度和位置的同步控制。可編程運動控制器通過編碼器（裝在減速機輸出軸，可旋轉圈數：4 096；每圈脈沖數：8 192）的反饋信號隨時監測兩根梁的速度及位置，并以此為依據對從動梁進行控制，使從動梁與主動梁的相對位移量保持在規定范圍內。

（2）停止位置控制。由可編程運動控制器在到達指定停止位置之前的某一位置向主變頻器發出停止命令，主變頻器減速并在指定位置制動停止。發出停止命令的位置與指定停止位置的距離由現場調試確定。

（3）操作功能。采用觸摸屏控制，包括：設定前進距離，顯示兩根懸臂梁的運動情況，前進按鈕，后退按鈕，運動中止按鈕，兩根梁的相對位移超限報警等。

懸臂梁移動控制系統示意圖如圖4所示。控制系統安裝在室內，有專門用于控制系統的供電電源，電源電壓為AC380V±10%，頻率50/60 Hz，完成控制裝置需要的儀器設備見表6。

4 結束語

▲圖4 懸臂梁控制系統示意圖

表6 懸臂梁控制系統設備儀表

（1）齒輪齒條滑移系統相對油缸滑移系統有獨特的優勢，本文結合某自升式鉆井平臺懸臂梁結構，給出縱向齒輪齒條滑移系統設計的一般步驟和方法。

（2）齒輪齒條驅動系統通過實時檢測懸臂梁兩側移動系統的移動位置，可實現懸臂梁的同步移位和速度同步控制。

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