某350 ft 自升式海洋平臺升降系統應急升舉過程的強度分析

張大朋，嚴 謹，趙博文，王少鵬，朱克強

（1.廣東海洋大學，湛江 524088；2. 浙江大學 海洋學院，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 海運學院，寧波 315211）

1 前言

自升式海洋平臺作為一種常見的海上移動式油氣鉆探裝備，在海上油氣勘探作業中得到廣泛應用。支撐式升降機系統，是自升式平臺的非常重要的傳動構件，其性能的好壞對平臺運行的安全使用有著重要的影響。在工作時，升降設施將平臺的主體抬高至海面以上，使之不受海浪的襲擊；完成任務后，平臺主體下降到海平面，將平臺水下的樁腿拔起并升至水面拖航位置，即可將該平臺拖航到下一個井位進行再次工程作業。因此，研究自升式海洋平臺升降系統的強度，對保證平臺系統的安全運行具有極其重要的意義。

目前對自升式海洋平臺升降系統的有限元分析，國內外學者已做了大量的研究。孫永泰對自升式平臺的齒輪齒條系統進行了詳細而全面的介紹與論述[1]；王泉對 “勝利作業三號”齒輪齒條機構建立了有限元三維仿真模型，并研究了不同工況下大模數齒輪和齒條的齒面等效應力和齒根部位應力，分析了該系統的概率可靠性[2]；徐長航、苑思敏等人通過對正常和應急升降工況下大模數齒輪齒條機構的動力學仿真，發現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良好的同步性[3]；尹樹孟等人對齒輪齒條傳動裝置進行了較為精細地強度分析[4]； X. M.Tan 等對升降作業狀態下自升式平臺結構動力學響應進行了數值分析[5-6]；陳寶慶等人通過平臺升降系統齒輪的均載系數與模數之間的關系，發現齒輪的均載系數隨著模數的增大先增大后減小[7]；宋寶杰等人結合某一自升式海洋平臺的具體參數，詳細闡述了自升式平臺升降系統的工作原理，并針對該過程提出了優化改進方向[8]；巍卓研究了考慮海底地基作用下自升式海洋平臺升降系統在位運行過程中的力學特性，并設計了控制系統的總體方案[9]；孟淼利結合三維建模通用軟件Pro/E 對平臺升降系統進行了三維建模，并對該系統中的回轉齒輪進行了動力學分析[10]。

縱觀國內外研究現狀，大部分研究僅考慮齒條齒輪嚙合處的強度要求，對升降裝置中的其他組件所需要的強度要求沒有進行充分考慮。為彌補以上不足，本文基于大型通用非線性有限元結構分析軟件ABAQUS 的強大功能，建立升降裝置有限元分析模型，并對該裝置在正常、應急兩種工況下的升舉過程進行模擬仿真，得到兩種工況下升降裝置整體及其各組件的接觸應力和彎曲應力分布情況；并結合應急工況下各部件的強度要求進行靜強度的安全性校核，結合計算結果給出了一些指導性建議，對于工程實踐具有一定的借鑒和參照價值。

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 海洋平臺的自升式海洋平臺齒輪齒條式升降裝置作為研究對象。該裝置傳動機構為星減速器，每個樁腿的兩側均布齒條，每個齒條與3 組7 齒的小齒輪通過嚙合傳動，每2 個沿樁腿兩側對稱布置的小齒輪由同一個電機驅動。該裝置主體材料主要參數為：楊氏模量2 000 MPa，泊松比0.27，密度大小7 800 kg/m3。

按照設計要求，該裝置需要同時滿足正常工作、最大應急工作兩種狀態下的升降作業。與兩種狀態相對應，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。為了保證傳動過程中擁有較好的收斂性和動力學真實性，采用殼單元與實體單元相互接觸的形式來模擬齒輪齒條的嚙合傳動過程。

2.2 升降裝置仿真研究

首先以正常工作、應急最大載荷工作兩種工況下的升舉平臺主體過程為研究對象，研究6 個小齒輪均正常嚙合齒條工況下齒輪齒條式升降裝置的強度結果。根據2 種工況下升降裝置的設計升降載荷（15 240 kN, 37 800 kN）確定模型的外加載荷，最終實現兩種工況下升舉平臺工作過程的仿真強度對比分析。

圖1、圖2 為兩種工況下，齒輪齒條嚙合部的應力云圖。

圖1 正常工作時齒輪齒條嚙合處應力云圖

圖2 最大應急工作時齒輪齒條嚙合處應力云圖

對比圖1 和圖2，可以發現：

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

（2）在最大應急狀態下，輪齒條嚙合部的應力急劇變大。產生這種現象的原因為：載荷大幅度增加導致沖擊載荷發生，使得齒輪齒條在嚙合過程中發生更加劇烈的深度接觸與碰撞，短時間內齒輪齒條之間的擠壓程度增大，因而輪齒條嚙合部的應力急劇增大，也就是說應急狀態會急劇增大齒輪齒條嚙合部應力。因此，當因實際工程需要或是躲避海上較大風浪而需要縮短平臺升降時間時，要選擇合適的齒輪轉速，以達到時間與工程安全的均衡，既能在規定的時間內完成平臺的升降，也要給齒輪和齒條留足應力安全裕度。

圖3、圖4 為兩種工況下齒輪應力云圖。

圖3 正常工作時齒輪應力云圖

圖4 最大應急工作時齒輪應力云圖

對比圖3 和圖4，可以發現：

（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力大小呈階梯狀分布，在帶狀區域的中間出現最大應力，帶狀區域的兩端應力較小。

在齒輪嚙合轉動的過程中，可以分為兩個階段，即兩個齒先相互接近后相互遠離：在相互接觸發生的瞬間，齒輪中間區域將先與齒條發生相互接觸擠壓，因此應力在中間區域會較大；而在相互分離階段，齒輪根部將與齒條發生相互擠壓的程度較為微弱，因此齒根部分的應力也會比較小；

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

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

（4）固定齒輪的中心軸部承受了較大的接觸應力。產生這種現象的原因：一是固定齒輪的軸部承受齒輪系統的總重；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，使齒輪軸部發生復雜而急劇的彎扭和擠壓，因而軸部的接觸應力較大。

圖5、圖6 為兩種工況下齒條應力云圖。

圖5 正常工作時齒條應力云圖

圖6 最大應急工作時齒條應力云圖

對比圖5 和圖6，可以發現：

（1）在平臺升降齒條嚙合過程中，齒條應力在接觸面上呈帶狀分布，帶狀區域的中部出現最大應力，帶狀區域的兩端應力相對較小。產生這種現象的原因為：齒條嚙合過程中發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，因此應力相對較?。?/p>

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

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

3 升降裝置各部件仿真研究

為了比較升降裝置各個部件的應力強度，取最大應急工況下的計算結果進行比較分析，得到以下結論：

（1）齒面和齒根容易發生失效，升降系統中齒面的接觸應力與齒根彎曲應力比較高，因此在升降系統的設計中應采取措施降低相應的應力或提高材料的強度；

（2）升降裝置各部件的設計，基本符合規范對各自結構的強度要求；

（3）在升降系統的各部件中，齒輪最容易發生失效，其次為齒條；

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

4 結論

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

（2）正常及應急極限工況下，升降系統整體及其各部分組件強度皆符合強度要求；

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

（4）齒面和齒根容易發生失效，升降系統中齒面的接觸應力與齒根彎曲應力比較高，因此在升降系統的設計中應采取措施降低相應的應力（如：在重合度得到保證的前提下，適當提高齒輪齒條的壓力角）或提高材料的強度；

（5）在組成升降系統的各部件中，齒輪最容易失效，在升降系統的強度設計中，最應該關注齒輪、齒條的強度要求，并對其采取有效的措施進行強度加強或者應力緩解；

（6）當齒輪旋轉過快時，齒輪表面摩擦加劇，長久的摩擦對于工程安全是非常不利的。因此要合理控制齒輪的旋轉速度，根據實際需要來設定平臺升降所需的時間，不要過度追求時間的縮短。