平臺式碎石鋪設整平船抬升系統齒輪齒條失效分析及修復

李家林，劉建峰，陳耀金

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

平臺式碎石鋪設整平船“津平1”是港珠澳大橋島隧工程沉管隧道碎石墊層鋪設的大型專用施工船舶，采用自升式、回字形平臺結構，船舶主要參數見表1。

津平1于2012年10月建造完工抵達港珠澳大橋島隧工程施工現場，2017年4月完成33節大型沉管碎石基床的鋪設施工任務，施工周期長達1 423 d，插拔樁288次，使用壽命超過15個海上石油平臺工作壽命內抬升次數的總和，4根樁腿插樁總深度達1.8 km。當工程進行到E25管節時，抬升齒輪齒條不同程度地發生了磨損、塑性變形和應力裂紋。

表1 船舶主要參數Table 1 Main parameters of ships

1 抬升機構主要參數

該船具有4根樁腿，分別位于平臺的四角，單根樁腿的重量為450 t，每根樁腿都有8套對稱安裝的升降裝置，其鎖緊工作由帶驅動電機的制動器完成，每根樁腿處設置1套鎖緊機構，用于鎖止樁腿齒條。

抬升機構的爬升齒輪模數為80 mm，齒寬200 mm，壓力角30°，齒數為7；齒條模數為80 mm，齒寬140 mm，齒高154 mm，壓力角30°，節距251.33 mm，齒輪齒條裝配中心距310 mm，齒條母材的材質為 ASTM A514Q，屈服強度690 MPa；單套抬升機構額定抬升載荷200 t，最大抬升載荷300 t，最大靜載荷320 t，最大風暴載荷454 t，在最大抬升載荷下的最大抬升速度為0.23 m/min。津平1施工作業及抬升系統見圖1。

圖1 施工作業及抬升系統Fig.1 Construction works and lifting system

2 重載齒輪分類

重載齒輪分為3類，其中Ⅰ類為一般設備，Ⅱ類為重要設備，Ⅲ類為高安全要求設備，相關參數分類標準及失效后果見表2。

表2 重載齒輪分類表Table 2 Heavy duty gear list

3 齒輪齒條失效判據分析

根據JB/T 5664—2007《重載齒輪失效判據》對重載齒輪失效判據有兩種：

1）任何一種磨損或多種磨損同時存在，當齒根兩側耗損量之和ΔS（mm）與齒輪法向模數mn（mm）的百分比M（M=ΔS/mn）達到規定指標時，該齒輪應被判為失效[1]。

2）按照GB/T 3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算》中齒輪彎曲強度計算方法及實測磨損后齒輪的各項參數，計算磨損后的彎曲強度，若磨損后輪齒彎曲強度計算安全系數小于許用值，該輪齒應被判定為失效。圖2為齒條在454 t載荷工況下的計算彎曲應力云，圖3為齒輪齒形發生改變、嚙合點不變時，齒輪計算彎曲應力云。

圖2 齒條磨損狀態下的彎曲應力云圖Fig.2 Bent stress cloud diagram under wear condition of rack

圖3 磨損后齒輪的彎曲應力云圖Fig.3 Bending stress cloud diagram of worn gear

MN

綜合分析，整平船抬升系統齒輪齒條按表2中Ⅲ類齒輪計算，其失效判據如下：

根據1），爬升齒輪和齒條磨損總量達到12 mm，判定為失效。

根據2），爬升齒輪磨損總量達到8 mm，齒條達到12 mm，判定失效；爬升齒輪齒根或齒面存在深層裂紋，可以判定失效。

上述計算只從強度方面考慮，沒有考慮到齒輪、齒條塑性變形及齒輪齒條嚙合情況，齒面上塑性變形區域實際影響深度還要增加2～5 mm。

4 抬升系統齒輪齒條磨損后強度校核計算

齒輪齒條的校核計算采用AGMA和CCS規范，計算時分別取齒輪、齒條雙面磨損總量為6 mm，單套裝置額定動載為200 t、預壓動載為260 t，彎曲疲勞強度滿足使用要求[2]，齒輪齒條磨損后強度校核計算見表3。

表3 齒輪齒條磨損后強度校核計算Table 3 Strength check calculation of the gear and rack after wear and tear

5 齒頂磨損對重合影響分析

齒條的齒頂磨損直接影響齒輪重合度。齒輪齒條的重合度主要影響齒輪傳動的連續性和平穩性，如果重合度小于1，會導致該齒輪不能連續受力，而其他裝置受力增大，并可能發生超載現象，同時對齒輪會有一定的沖擊。通過對齒輪齒條的重合度進行分析，為了盡量保證齒輪齒條重合度大于1，并考慮同一條樁腿8套抬升裝置的承載能力和使用壽命，應對齒條齒頂磨損量超過5 mm的齒進行齒形修復，達到設計齒形。

6 齒條導向間隙分析

齒條導向主要是用來保證齒輪齒條中心距，使齒輪齒條正常嚙合。導向間隙大小也會影響樁腿8個爬升齒輪與齒條的重合度大小，若間隙過大，可能會導致某幾個齒輪的重合度小于1。

上導向原設計理論間隙為6 mm，對應的齒側間隙為7.7 mm；當上導向間隙為0時，理論的齒側間隙為1.7 mm。此時，該齒輪對稱布置的另一側齒輪，其重合度為1.02，抬升齒輪齒條嚙合見圖4。

圖4 抬升齒輪齒條嚙合圖Fig.4 Mesh figure of lifting gear and rack

原設計齒頂至齒頂理論距離為3 600 mm、上導向塊內開檔尺寸為3 612 mm、中部導向塊內開檔尺寸為3 616 mm，為降低齒頂的修復標準，減少修復工作量，通過更換耐磨板背面的墊板厚（磨板本身無需更換）對導向間隙進行調整，調整后的上導向塊（耐磨板）內開檔尺寸為3 606±1 mm、中部導向塊（耐磨板）內開檔尺寸為3 608±1 mm、下導向塊（耐磨板）內開檔尺寸無需修改。

7 齒輪齒條修復要求

對于爬升齒輪和齒條，齒根和齒面不允許有未去除的深層裂紋[3-6]。

1）齒輪雙面磨損總量≥6 mm，進行更換。

2）齒條雙面磨損總量≥6 mm，修復尺寸到原齒面，模板測量，齒面允許公差為-1～0 mm。模板應在齒面多次測量，以保證同一齒面壓力角相同。

3）齒條齒頂磨損＞5 mm，需要修復齒頂，修復到全齒高為（152±1）mm（原齒高 154 mm）。

4）修復打磨后齒面粗糙度＜0.1 mm。修復完成后齒面和齒頂要保證平整度±0.3 mm。

5）對上部和中部導向塊（耐磨板）內開檔尺寸進行修改，修改后尺寸見圖5。上部導向到中線距離改為1 803 mm±1 mm，中部導向到中線距離改為1 804 mm±1 mm。

圖5 導向塊內開檔尺寸圖Fig.5 Size chart of opening in guide block

6）齒條有裂紋并經過打磨去除的，打磨深度和原齒面磨損量之和≥6 mm，按照第2）條進行修復。其余打磨裂紋產生的凹坑應該打磨光滑，保證齒面平整。

7）修復后齒面和齒頂需要進行100%外觀檢驗和100%MT檢驗，不允許出現裂紋。

8 結語

自升平臺式碎石鋪設整平船抬升系統經修復后，齒輪齒條滿足了安全使用要求，已順利完成了港珠澳大橋島隧工程剩余沉管碎石基床的全部鋪設整平施工任務。