自升式平臺齒輪齒條失效判別方法

邱世欣 趙勝濤 胡 楠 王 瑋

（中國船級社實(shí)業(yè)公司天津分公司 天津 300457）

0 引 言

隨著陸地石油資源的日益枯竭，開發(fā)海洋石油成為人類獲取能源的重要途徑，而海洋平臺作為開發(fā)海洋石油資源的最主要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足使用要求已經(jīng)成為相關(guān)各方最關(guān)注的問題之一。目前分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通常采用有限元軟件建立有限元模型，并進(jìn)行加載計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。對于齒輪齒條自升式移動平臺，存在損傷的齒輪齒條結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，直接關(guān)系到平臺結(jié)構(gòu)安全。本文主要針對齒輪齒條自升式平臺爬升齒輪齒條失效判別方法進(jìn)行研究。

1 研究的目的與依據(jù)

1.1 研究目的

在目前服役的齒輪齒條自升式移動平臺中，部分平臺爬升齒輪與齒條出現(xiàn)磨損、坑蝕等缺陷。由于這些齒輪齒條模數(shù)超出 《漸開線圓柱齒輪模數(shù)》（GB/T 1357-1987）的覆蓋范圍（該標(biāo)準(zhǔn)中齒輪最大模數(shù)為50 mm［1］，而爬升齒輪齒條基本都超過這個數(shù)），不宜根據(jù)《重載齒輪失效判據(jù)》JB/T 5664-2007來判斷平臺爬升齒輪與齒條是否失效［2］，所以需要對該齒輪齒條進(jìn)行強(qiáng)度分析來計(jì)算出齒輪齒條的極限磨蝕或腐蝕量，將此極限磨蝕或腐蝕量作為判斷目標(biāo)平臺齒輪齒條失效的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 齒輪模數(shù)

1.2 研究依據(jù)

在進(jìn)行研究工作時(shí)，一般都以船級社規(guī)范為依據(jù)，主要包括：

（1）《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》，中國船級社，2005；

（2）《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》，美國船級社，2008；

（3） 《船體測厚指南》，中國船級社，2006；

（4）其他船級社規(guī)范；

（5）平臺操作手冊；

（6）平臺圖紙資料等。

2 資料收集及數(shù)據(jù)采集

研究中需要收集的資料主要包括：總布置圖、橫縱艙壁結(jié)構(gòu)圖、主甲板結(jié)構(gòu)圖、機(jī)械甲板結(jié)構(gòu)圖、底板結(jié)構(gòu)圖、舷側(cè)結(jié)構(gòu)圖、艉封板結(jié)構(gòu)圖、操作手冊、大型設(shè)備重量及底座結(jié)構(gòu)圖、樁腿結(jié)構(gòu)圖、樁腿圍阱結(jié)構(gòu)圖、固樁區(qū)結(jié)構(gòu)圖、歷年改造結(jié)構(gòu)圖、最近一次傾斜試驗(yàn)報(bào)告、最近一次測厚和無損檢測報(bào)告、爬升齒輪和緩沖墊剛度（制造商提供）等；需采集的數(shù)據(jù)包括：導(dǎo)板間隙和當(dāng)?shù)睾Ｓ蛲寥绤?shù)。

3 建立平臺有限元模型

平臺整體有限元模擬包括三部分：樁腿有限元模型，船體有限元模型和樁腿船體連接有限元模型。其中樁腿和船體有限元模型可按照圖紙和測厚報(bào)告建立，這里就不贅述。由于計(jì)算的目的是為了求解各爬升齒輪受力，所以是否能正確模擬樁腿與船體連接，對于準(zhǔn)確計(jì)算各爬升齒輪受力是非常重要的。然而，平臺整體模型中，模擬爬升齒輪齒條嚙合比較困難。接下來主要討論下樁腿船體連接的有限元模擬。

3.1 樁腿與船體連接部位載荷分布及有限元模擬［3］

在建立齒輪齒條自升式移動平臺有限元模型的過程中，充分了解不同樁腿與船體連接類型的載荷分布特點(diǎn)，對準(zhǔn)確模擬樁腿與船體的連接非常重要。

（1）具有鎖緊裝置的樁腿與船體連接載荷分布特點(diǎn)及有限元模擬

樁腿彎矩由上下導(dǎo)向裝置、升降裝置、鎖緊系統(tǒng)共同承擔(dān)。一般來說，樁腿彎矩和由環(huán)境載荷導(dǎo)致的樁腿軸向力主要由鎖緊系統(tǒng)承擔(dān)，這是因?yàn)殒i緊系統(tǒng)具有相對較高的剛性。

·上下導(dǎo)向裝置的有限元模擬

將導(dǎo)向裝置模擬成能在其與樁腿弦桿接觸方向約束樁腿弦桿水平位移的結(jié)構(gòu)。模擬上下導(dǎo)向裝置時(shí)，將其剛度考慮成相對于鄰近結(jié)構(gòu)剛性，通過計(jì)算樁腿入泥、氣隙、水深來確定下導(dǎo)向裝置與樁腿相對位置。在有限元模型中，由于要考慮導(dǎo)向裝置與樁腿弦桿間的間隙，導(dǎo)向裝置的模擬是通過數(shù)個非線性彈簧單元來實(shí)現(xiàn)的，非線性彈簧單元只承受與導(dǎo)向裝置受力方向一致的載荷。

·鎖緊裝置的有限元模擬

鎖緊裝置模擬成能承受豎直和水平載荷的彈簧，其剛度相對于鄰近結(jié)構(gòu)為剛性。

·升降裝置及其支撐結(jié)構(gòu)的有限元模擬

因?yàn)樯笛b置及其支撐結(jié)構(gòu)直接影響到上導(dǎo)向裝置承擔(dān)的水平載荷，所以按照實(shí)際剛度進(jìn)行有限元模擬。

（2）沒有鎖緊裝置的樁腿與船體連接載荷分布特點(diǎn)

樁腿彎矩由上下導(dǎo)向裝置和升降裝置共同承擔(dān)。對于固定式升降裝置，樁腿彎矩在升降裝置與導(dǎo)向裝置間的分布取決于爬升齒輪剛度；對于浮動式升降裝置，樁腿彎矩在升降裝置與導(dǎo)向裝置間的分布取決于爬升齒輪與緩沖墊的聯(lián)合剛度。

上下導(dǎo)向裝置的有限元模擬與具有鎖緊裝置的平臺相同。

·爬升齒輪及齒條的有限元模擬

運(yùn)用線性彈簧模擬各個爬升齒輪，其剛度由制造商提供，位置為齒輪齒條嚙合點(diǎn)位置。

·緩沖墊的有限元模擬

浮動式升降裝置每個齒輪箱有兩組緩沖墊。一組位于齒輪箱頂部，另一組位于齒輪箱底部，緩沖墊對于所有齒輪都有緩沖作用，齒輪箱可以在上下緩沖墊直接自由移動。平臺站立時(shí)，齒輪箱與上緩沖墊接觸，平臺拖航時(shí)，齒輪箱與下緩沖墊接觸。緩沖墊的剛度來源于制造商，模型中將緩沖墊模擬成彈簧單元，只承受垂向載荷。

升降裝置及其支撐結(jié)構(gòu)的有限元模擬與具有鎖緊裝置的平臺相同。

3.2 有限元模型實(shí)例

采用上述方法對目標(biāo)自升式平臺自存工況進(jìn)行模擬。表1為平臺參數(shù)表。

表1 平臺參數(shù)表

目標(biāo)平臺樁腿和船體有限元模型可按照圖紙和測厚報(bào)告建立，目標(biāo)平臺是無鎖緊裝置的固定式升降裝置，上下導(dǎo)向裝置采用非線性彈簧模擬，具體模型如圖2、圖3所示。

4 載荷施加及爬升齒輪受力分析

自升式平臺所受載荷主要包括固定載荷、可變載荷、環(huán)境載荷、慣性載荷以及約束條件，其中平臺固定載荷和可變載荷按平臺實(shí)際狀況施加，并按平臺實(shí)際重量重心位置調(diào)整模型。下面主要介紹一下環(huán)境載荷、慣性載荷以及約束條件的施加。

圖2 整體有限元模型

圖3 上導(dǎo)向裝置及導(dǎo)板間隙模擬

4.1 環(huán)境載荷

自升式平臺所受的環(huán)境載荷一般由風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷組成，本文主要對這三種環(huán)境載荷進(jìn)行討論。

（1） 風(fēng)載荷

具體載荷計(jì)算方法可參考中國船級社2005年發(fā)布的《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》。對于載荷的施加［4］，不同有限元計(jì)算軟件的施加方法不同，可自動施加也有手工施加。

（2） 波流載荷

對于波流載荷，有限元計(jì)算軟件一般都提供自動施加，其中的難點(diǎn)就是拖曳力系數(shù)Cd和慣性力系數(shù)Cm的確定。對于圓柱樁腿，這兩個系數(shù)可直接參考規(guī)范建議值，對于桁架樁腿，需考慮樁腿弦桿上齒條板的影響和各個撐桿的遮蔽效應(yīng)。通常的做法是通過增大弦桿的Cd、Cm，將所有橫撐、斜撐、水平撐所受的波流力等效到弦桿上［3-5］。

4.2 慣性載荷

慣性力公式為：（最大基礎(chǔ)剪力－最小基礎(chǔ)剪力）/2×（動力放大系數(shù)-1），大小為 1 182 758.06 N，施加在船體重心位置，方向與風(fēng)向一致。

4.3 約束條件

自升式平臺整體有限元計(jì)算中，約束條件一般是取鉸支，這種約束條件假定土壤豎直和水平方向?yàn)閯傂?，并不限制樁腿彎曲，比較保守，這會導(dǎo)致載荷過于集中在某個爬升齒輪上，使計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確，正確模擬土壤對平臺樁腿的作用對于準(zhǔn)確計(jì)算各爬升齒輪受力是非常重要的。

約束條件采用彈性約束，豎直方向剛度為384 516 923.08 N/m，水平方向剛度263 223 736.71 N/m，扭轉(zhuǎn)剛度為278 476 190.48 N·m/rad。

4.4 P-Δ效應(yīng)

計(jì)算需考慮P-Δ效應(yīng)，可通過有限元軟件自動施加或者通過施加補(bǔ)償彎矩進(jìn)行模擬。

4.5 計(jì)算結(jié)果

結(jié)果提取模擬各爬升齒輪的彈簧受力就可作為爬升齒輪所受載荷。齒輪最大載荷為467.4 t。各齒輪受力計(jì)算結(jié)果參見表2～4。

表2 艏樁腿齒輪受力計(jì)算結(jié)果 單位：t

表4 右樁腿齒輪受力計(jì)算結(jié)果 單位：t

5 齒輪齒條強(qiáng)度分析

將上述計(jì)算出的最大齒輪載荷施加在齒輪齒條模型上，逐步增大齒輪齒條磨蝕或腐蝕量，得到齒輪齒條強(qiáng)度滿足規(guī)范要求下能允許的最大磨蝕或腐蝕量。

6 結(jié) 論

通過上述分析得出：對于目標(biāo)平臺爬升齒輪上下兩側(cè)磨蝕、腐蝕量之和超過14.5 mm，判為失效，齒條上下兩側(cè)磨蝕、腐蝕量之和超過23 mm，判為失效；對于存在裂紋的齒輪或齒條，將裂紋打磨掉后，再進(jìn)行判別。目標(biāo)平臺齒輪齒條磨蝕和腐蝕量沒有達(dá)到此數(shù)值，則無需維修或更換。

［1］國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 1357-1987，漸開線圓柱齒輪模數(shù)［S］.1987.

［2］機(jī)械工業(yè)冶金設(shè)備標(biāo)委會.JB/T 5664-2007，重載齒輪失效判據(jù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］BENNETT W T，HOYLE M J R，JONES D E，et al.Technical&research bulletin 5-5A.Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units［M］.Rev 2.New Jersey：The Society of Naval Architects and Marine Engineers，2002：27-110.

［4］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2005：1-49.

［5］ABS.Rules for building and classing mobile offshore drilling-Unit part 3 hull construction and equipment［S］.Houston：ABS，2008.59-81.