自升式海洋平臺(tái)升降裝置齒輪齒條與銷(xiāo)輪齒條傳動(dòng)分析

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(shí)期，為世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展提供了良好的成長(zhǎng)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(guò)大量的勘探分析，海洋中儲(chǔ)備的油氣資源遠(yuǎn)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(shí)代理念。為此，大力開(kāi)展海洋科技裝備的研究已經(jīng)成為了各國(guó)政府重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。海上自生式平臺(tái)無(wú)論是在油氣勘探與開(kāi)采，還是海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的安裝維護(hù)，都有很強(qiáng)的適用能力；然而，目前自升式海洋平臺(tái)的相關(guān)設(shè)計(jì)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(shí)際統(tǒng)計(jì)，在海上平臺(tái)中，自升式海洋平臺(tái)的事故損失占所有平臺(tái)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(tái)的事故有將近一半左右發(fā)生在平臺(tái)起升和拖航的過(guò)程中；因此，對(duì)自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析是至關(guān)重要的[3]。其中，爬升齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)單元是決定海上自升式平臺(tái)安全與否的重要裝置，它們連接著平臺(tái)和支撐樁腿，對(duì)于平臺(tái)穩(wěn)定和安全的影響非常大，因此平臺(tái)升降單元合理、可靠地分析和設(shè)計(jì)尤為重要[4]。升降裝置的分析需要依靠平臺(tái)作業(yè)工況和環(huán)境載荷的實(shí)際情況；對(duì)海上平臺(tái)的一般作業(yè)狀態(tài)和整體受載分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索和研究[5-6]。在平臺(tái)整體工況分析的基礎(chǔ)上，需要對(duì)升降裝置的傳動(dòng)載荷、接觸彎曲極限、振動(dòng)和變形、制造成本與可靠性進(jìn)行一系列的分析和探討。陳石[7]對(duì)升降單元中齒面接觸疲勞和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析，并針對(duì)齒輪齒條傳動(dòng)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(jìn)行了系統(tǒng)解析。陳寶慶等[8]對(duì)自升式海洋平臺(tái)齒輪齒條升降系統(tǒng)齒條負(fù)載不均問(wèn)題，建立了海洋平臺(tái)齒輪齒條升降系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析研究了在負(fù)載和嚙合參數(shù)改變的情況下,爬升齒輪均載的變化趨勢(shì)。Ahmed Khondaker Sakil等針對(duì)升降齒輪齒條開(kāi)發(fā)了一系列有限元（FE）模型進(jìn)行分析，研究了頂升系統(tǒng)的強(qiáng)度，剛度和疲勞壽命，并且分析了平臺(tái)不同運(yùn)行載荷下小齒輪的疲勞性能[9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)齒輪齒條嚙合傳動(dòng)升降驅(qū)動(dòng)方式已有較多研究，但在長(zhǎng)期的實(shí)踐過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了齒輪齒條嚙合傳動(dòng)中較難避免的問(wèn)題和實(shí)際限制條件，例如實(shí)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(tái)齒輪齒條嚙合升降裝置的同時(shí)，也有必要對(duì)其他可行的升降驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行研究和探索。吳林對(duì)圓周均布的圓柱滾動(dòng)體參與嚙合傳動(dòng)方式的傳動(dòng)耦合機(jī)理、廓面發(fā)生原理、運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行了推導(dǎo)分析并取得了一些研究成果[10]。張蕓等[11]對(duì)次擺線銷(xiāo)輪齒條傳動(dòng)的嚙合力及接觸應(yīng)力進(jìn)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(xiāo)與次擺線齒條嚙合傳動(dòng)形式為研究對(duì)象，對(duì)其傳動(dòng)原理、剛度計(jì)算與受力分析、齒形綜合、滑動(dòng)率、重合度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)性能分析等進(jìn)行了較完整詳細(xì)的研究。銷(xiāo)齒傳動(dòng)具有獨(dú)特的運(yùn)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(duì)銷(xiāo)輪齒條傳動(dòng)應(yīng)用于升降平臺(tái)進(jìn)行研究和對(duì)比分析，對(duì)海洋平臺(tái)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(duì)銷(xiāo)輪齒條傳動(dòng)升降裝置進(jìn)行了探討和研究，可為海上平臺(tái)升降系統(tǒng)的進(jìn)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(tái)中齒輪齒條式升降裝置的主要由齒條、齒輪減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、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(jí)齒輪嚙合傳動(dòng)構(gòu)成，如圖2所示，序號(hào)1、2、3、4分別為四級(jí)齒輪嚙合副，序號(hào)5、6、7、8、9、10分別為二級(jí)行星輪減速傳動(dòng)，序號(hào)11為輸出軸即爬升齒輪軸。齒輪箱對(duì)電機(jī)的輸入進(jìn)行減速并增加扭矩，提供平臺(tái)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)平穩(wěn)升降作業(yè)。當(dāng)海上升降平臺(tái)到達(dá)預(yù)定海面位置時(shí)，利用平臺(tái)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(jìn)行樁腿預(yù)壓載；預(yù)壓載結(jié)束后，對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行起升操作，當(dāng)平臺(tái)到達(dá)預(yù)定的作業(yè)高度時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間支撐平臺(tái)整體，而且需要在升降作業(yè)時(shí)完成平臺(tái)甲板和樁腿的提升和下降，長(zhǎng)時(shí)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(dòng)載荷，自升式海洋平臺(tái)爬升齒輪與齒條嚙合機(jī)構(gòu)是甲板平臺(tái)和樁腿最重要的連接裝置，甲板平臺(tái)上的各種作業(yè)載荷通過(guò)爬升齒輪齒條嚙合機(jī)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(guò)齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)傳遞給甲板平臺(tái)。

爬升齒輪與齒條嚙合機(jī)構(gòu)所處的工況十分惡劣，因此齒輪傳動(dòng)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(diǎn)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(dòng)裝置相比，自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)中的齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有重載荷和低速度的特點(diǎn)，并且其屬于開(kāi)式嚙合傳動(dòng)的類(lèi)型，復(fù)雜工況和惡劣的海洋環(huán)境對(duì)于齒輪和齒條使用壽命會(huì)產(chǎn)生極大的影響[13]。海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)齒輪齒條的齒面和齒根是使用過(guò)程中最容易、最頻繁發(fā)生失效的部位，齒根的彎曲強(qiáng)度疲勞與齒面的接觸強(qiáng)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(jì)極限

以某實(shí)際設(shè)計(jì)制造的齒輪齒條升降系統(tǒng)為分析對(duì)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(duì)升降裝置作業(yè)過(guò)程中齒輪齒條的3個(gè)嚙合位置部分應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shí)可以發(fā)現(xiàn)，齒輪齒條嚙合升降裝置實(shí)際作業(yè)過(guò)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(diǎn)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(guò)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(shí)，爬升齒輪齒根處會(huì)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(shí)，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(jì)制造時(shí)應(yīng)該考慮到的情況。根據(jù)實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)嚙合危險(xiǎn)部位，有針對(duì)性的提出提高齒條齒輪嚙合機(jī)構(gòu)安全性的措施，即在設(shè)計(jì)加工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮確保齒條的接觸強(qiáng)度，并合理降低嚙合時(shí)齒條齒面的的最高接觸應(yīng)力。由于自升式海洋平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間處于海洋的惡劣環(huán)境中，齒輪齒條嚙合機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)比齒面出現(xiàn)疲勞磨損的情況危險(xiǎn)，齒根破壞帶來(lái)后果往往是難維修、高損失的，海洋平臺(tái)齒條齒輪嚙合升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也不會(huì)允許發(fā)生因齒根疲勞破壞而斷齒的情況，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)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(qiáng)度設(shè)計(jì)極限。

海上自升式平臺(tái)升降裝置的齒條一般采取焊接的方法與平臺(tái)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(guò)程中爬升齒輪損壞所造成的成本損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于齒條。實(shí)際設(shè)計(jì)制造時(shí)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(jì)極限。

2 銷(xiāo)輪齒條傳動(dòng)升降裝置

2.1 裝置應(yīng)用分析

漸開(kāi)線齒輪齒條嚙合傳動(dòng)運(yùn)用于海上自升式平臺(tái)升降系統(tǒng)已經(jīng)有較長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)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(lèi)型大模數(shù)少齒數(shù)爬升齒輪，在加工制造時(shí)技術(shù)要求較高，生產(chǎn)不便，加工設(shè)備十分龐大。目前國(guó)內(nèi)擁有生產(chǎn)此類(lèi)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(duì)齒輪進(jìn)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(dòng)裝置的腳步也是海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)新的需要[14]。

銷(xiāo)齒傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般于適用于粉塵多、潤(rùn)滑條件差等惡劣環(huán)境中的重載、低速機(jī)械傳動(dòng)。其圓周速度為0.05～0.5 m/s；傳動(dòng)比可以達(dá)到5～30；傳動(dòng)效率在無(wú)潤(rùn)滑時(shí)可以達(dá)到0.90～0.93，有潤(rùn)滑時(shí)為0.93～0.95。現(xiàn)在，銷(xiāo)齒傳動(dòng)主要應(yīng)用于冶金、化工、礦山和起重運(yùn)輸?shù)炔块T(mén)重載低速的機(jī)械裝備中。也正因?yàn)殇N(xiāo)齒傳動(dòng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，符合海洋工況的工作環(huán)境，其在海洋工程領(lǐng)域的運(yùn)用也正不斷增加。

2.1.1 裝置原理

銷(xiāo)齒齒條傳動(dòng)是齒輪齒條傳動(dòng)的一種特殊形式，該機(jī)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(tái)的作業(yè)工況。將銷(xiāo)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(tái)升降系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置，其傳動(dòng)機(jī)理與上述漸開(kāi)線爬升齒輪齒條嚙合傳動(dòng)過(guò)程有相似之處，圖3所示為銷(xiāo)輪齒條傳動(dòng)原理。驅(qū)動(dòng)單元將轉(zhuǎn)矩輸入到減速箱后，由銷(xiāo)齒齒輪輸出低速大轉(zhuǎn)矩，通過(guò)銷(xiāo)輪上的銷(xiāo)齒和齒條齒形嚙合并帶動(dòng)齒條升降運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)海洋平臺(tái)的樁腿上下運(yùn)動(dòng)達(dá)到壓樁和起升船的作業(yè)務(wù)。

圖3 銷(xiāo)輪齒條傳動(dòng)原理Fig.3 Schematic diagram of pin wheel rack transmission

2.1.2 齒輪齒條與銷(xiāo)輪齒條升降裝置對(duì)比

銷(xiāo)輪作為爬升齒輪與樁腿齒條嚙合傳動(dòng)構(gòu)成自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)新的驅(qū)動(dòng)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(xiāo)輪齒條兩種傳動(dòng)方式的升降裝置的對(duì)比結(jié)果。

表3 齒輪齒條和銷(xiāo)輪齒條升降裝置的對(duì)比Tab.3 Comparison table of gear rack and pin wheel rack lifting devices

銷(xiāo)齒齒條傳動(dòng)方式運(yùn)用與海洋自升式平臺(tái)升降裝置相結(jié)合，在海洋平臺(tái)上是一種新的探索，也是一種必要的嘗試。對(duì)原有升降系統(tǒng)的傳動(dòng)方式進(jìn)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(duì)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(lái)極大利好，并且可以為海工行業(yè)創(chuàng)造很好的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的研究應(yīng)用價(jià)值。

2.2 銷(xiāo)齒結(jié)構(gòu)

圖4所示為普通銷(xiāo)齒的具體結(jié)構(gòu)，從該圖可以看到銷(xiāo)齒安裝于銷(xiāo)輪的兩夾板之間，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單；由于銷(xiāo)齒一般為圓柱體，加工和制造會(huì)變得十分方便，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求和技術(shù)要求并不高，造價(jià)不高。在傳動(dòng)時(shí)，是銷(xiāo)齒中間部分與齒條嚙合受力，銷(xiāo)齒為簡(jiǎn)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(xiāo)齒與銷(xiāo)輪不屬于同一個(gè)零件體，當(dāng)圓柱銷(xiāo)齒破壞后可以對(duì)個(gè)別銷(xiāo)齒進(jìn)行更換，不需要對(duì)銷(xiāo)輪進(jìn)行整體維修，維修方便，維修成本較低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

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

當(dāng)銷(xiāo)齒輪和齒條作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，銷(xiāo)齒輪為主動(dòng)，輪齒的頂部首先進(jìn)入嚙合，這時(shí)由于輪齒和齒條頂部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是滑動(dòng)摩擦，其傳動(dòng)效率會(huì)因此而降低；而且銷(xiāo)輪齒和齒條之間的磨損嚴(yán)重，致使銷(xiāo)輪和齒條的壽命降低。另外銷(xiāo)齒的是圓柱形無(wú)法像漸開(kāi)線齒輪采用變位方式降低齒輪尺寸。

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

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

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

2.3 銷(xiāo)齒傳動(dòng)幾何尺寸與強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

從需要的外部條件出發(fā)，按已知的傳動(dòng)參數(shù)，參考設(shè)計(jì)手冊(cè)中普通銷(xiāo)齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程[15]，選定計(jì)算出齒條齒寬系數(shù)φ、齒條齒數(shù)、銷(xiāo)輪銷(xiāo)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(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和驗(yàn)算，接觸強(qiáng)度的計(jì)算公式為:

接觸強(qiáng)度驗(yàn)算公式為：

式中：dp為銷(xiāo)輪銷(xiāo)齒直徑，mm；F1為額定負(fù)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(jì)算接觸應(yīng)力，MPa。

銷(xiāo)輪銷(xiāo)齒彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算公式為：

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

銷(xiāo)輪上夾板擠壓強(qiáng)度驗(yàn)算公式為：

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

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

2.4 銷(xiāo)輪齒條傳動(dòng)齒條齒型選擇

海上自升式平臺(tái)在升降作業(yè)過(guò)程中同樣需要確保一定的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，從銷(xiāo)齒齒條嚙合傳動(dòng)原理可知，為了盡量滿(mǎn)足穩(wěn)定性的使用要求，便要保證銷(xiāo)輪中心速度為近似恒定值，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以通過(guò)分析比較，選擇合適的齒條齒型與銷(xiāo)齒嚙合傳動(dòng)。在目前實(shí)際運(yùn)用的銷(xiāo)齒齒條傳動(dòng)的機(jī)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(duì)不同齒型曲線的齒條與銷(xiāo)輪相嚙合時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。

2.4.1 銷(xiāo)輪和直線齒型的齒條嚙合傳動(dòng)

在銷(xiāo)齒齒條嚙合傳動(dòng)中，因?yàn)辇X條的齒形曲線為直線，在兩圓柱銷(xiāo)齒交替嚙合嚙出的瞬間，銷(xiāo)輪中心速度有一減小的突變。

2.4.2 銷(xiāo)輪和圓弧齒型的齒條嚙合傳動(dòng)

當(dāng)齒條的齒形設(shè)計(jì)成圓弧狀時(shí)，在銷(xiāo)輪與齒條嚙合過(guò)程中齒條齒形的嚙合壓力角會(huì)不斷改變，但是可以達(dá)到銷(xiāo)輪中心的運(yùn)動(dòng)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(duì)這兩種齒形嚙合進(jìn)行時(shí)的分析比較。

（1）凸圓弧齒形

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

（2）凹圓弧齒形

當(dāng)凹圓弧齒形的齒條與銷(xiāo)齒嚙合時(shí)，其傳動(dòng)過(guò)程中銷(xiāo)輪中心速度始終是波動(dòng)的。但其波動(dòng)幅度會(huì)比凸圓弧齒形和直線齒形的齒條嚙合時(shí)要小，所以，此時(shí)銷(xiāo)輪齒條嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的在運(yùn)動(dòng)時(shí)相比較而言要平穩(wěn)一些。如銷(xiāo)輪的銷(xiāo)輪齒數(shù)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的限制不易增加時(shí)，或者需要降低銷(xiāo)輪齒條嚙合傳動(dòng)系統(tǒng)的重量和體積，使用凹圓弧齒形的齒條嚙合傳動(dòng)比較合適。

（3）銷(xiāo)輪和擺線齒型的齒條嚙合傳動(dòng)

銷(xiāo)齒與齒條嚙合傳動(dòng)時(shí)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(shí)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(guò)渡處存在載荷突變，波動(dòng)幅度不平穩(wěn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

首先，對(duì)目前海上自升式平臺(tái)升降裝置應(yīng)用的齒輪齒條傳動(dòng)方式進(jìn)行了實(shí)踐分析；確定了齒輪齒條最大載荷的分布情況和設(shè)計(jì)極限。接著，在分析了齒輪齒條升降裝置長(zhǎng)期實(shí)踐應(yīng)用中顯露出的不足和局限性基礎(chǔ)上，對(duì)自升式平臺(tái)升降裝置傳動(dòng)方式進(jìn)行了必要研討和嘗試，提出運(yùn)用銷(xiāo)輪齒條傳動(dòng)方式代替齒輪齒條升降的設(shè)計(jì)思路。并結(jié)合銷(xiāo)輪齒條開(kāi)放、低速、重載，加工維修成本低等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與齒輪齒條驅(qū)動(dòng)升降進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比，分析了該傳動(dòng)形式應(yīng)用于海上升降系統(tǒng)的可行性。最后，推導(dǎo)了銷(xiāo)齒傳動(dòng)幾何尺寸和強(qiáng)度設(shè)計(jì)與驗(yàn)算的基本過(guò)程；并且探討了銷(xiāo)輪銷(xiāo)齒與3類(lèi)不同齒型齒條嚙合傳動(dòng)時(shí)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和嚙合特性，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)條件和需求進(jìn)行合理選擇；本文可為海洋平臺(tái)升降裝置傳動(dòng)形式的創(chuàng)新探索提供一定的借鑒。