一種自升式平臺樁腿與固樁圍阱間的減摩裝置

徐正榮

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300450）

0 引言

自升式平臺圓柱形樁腿外壁與固樁圍阱防摩板在升降平臺過程中接觸導(dǎo)致滑動摩擦，直接危害有：

1）樁腿的外表防腐涂層大面積破壞；

2）樁腿外表層結(jié)構(gòu)切削破壞；

3）引起劇烈的船體晃動，不僅會影響升降系統(tǒng)的使用安全，還會直接影響電氣設(shè)備的工作穩(wěn)定性；

4）加劇樁腿結(jié)構(gòu)與固樁區(qū)結(jié)構(gòu)的疲勞損害。

基于此問題，有針對性地研制一套減摩裝置，將圓柱形樁腿與固樁圍阱之間的滑動摩擦副轉(zhuǎn)化成滾動摩擦副，屬于國內(nèi)首例，國際市場上也沒有同類型的成熟產(chǎn)品。

1 概述

研究平臺的樁腿外徑3 200 mm，總長73 000 mm，固樁圍阱防磨板處內(nèi)徑3 238 mm，環(huán)空平均間隙19 mm。根據(jù)海上作業(yè)任務(wù)，自升式平臺需要頻繁升降操作，進(jìn)行拖航移位，過程中導(dǎo)致樁腿外表與固樁圍阱防磨板擠壓摩擦[1]的主要因素如下：

1）升降過程中，各樁之間同步差異；

2）各樁入泥過程中，受風(fēng)浪流等綜合因素影響，樁腿橫向偏移，與固樁圍阱結(jié)構(gòu)圓心出現(xiàn)偏心；

3）各樁入泥過程中，受就位區(qū)域地層特性影響[2]，某單樁入泥垂度偏差；

4）固樁區(qū)結(jié)構(gòu)服役時間長久，結(jié)構(gòu)變形。

2 優(yōu)化研究

2.1 樁腿與固樁圍阱的當(dāng)前狀態(tài)

平臺樁腿為圓柱形雙列齒條結(jié)構(gòu)，固樁圍阱為楔面圓環(huán)形結(jié)構(gòu)[3]，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 自升式平臺樁腿與固樁圍阱示意圖

2.2 減摩裝置結(jié)構(gòu)型式研究

研究采用一種特制的楔形滾動結(jié)構(gòu)作為減摩裝置，符合樁腿與導(dǎo)向臺之間的空間要求。滾動結(jié)構(gòu)工作面設(shè)計(jì)有2組高強(qiáng)度滾輪組，來實(shí)現(xiàn)樁腿與固樁圍阱之間接觸型式由滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，降低摩擦損害。在滾動結(jié)構(gòu)與固樁圍阱接觸面之間設(shè)計(jì)彈性接觸面，增加橫向擠壓緩沖裕量。楔形結(jié)構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)見圖2。

2.3 結(jié)構(gòu)承壓設(shè)計(jì)

楔形滾動結(jié)構(gòu)主體選擇與樁腿和固樁圍阱相同的材質(zhì)，結(jié)構(gòu)整體需要重點(diǎn)核算滾輪軸承承壓。為滿足軸向壓力的要求，采用抗軸向壓力能力較強(qiáng)的3列滾針軸承作為1個滾動機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)樣品使用的單列滾針軸承可承受的最大軸向壓力為10 t，組成的單個滾動軸由3列滾針軸承組成，側(cè)向抗壓能力為30 t，采用上下2個軸承為1組構(gòu)成1個防磨單元，最大可承受的軸向壓力為

圖2 楔形結(jié)構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

式中：P為軸承可承受的最大軸向壓力，kg；n為滾針軸承組中的單列滾針軸承數(shù)量，副；R為單列滾針軸承可承受的最大軸向壓力，kg；α為安全系數(shù)，建議小于0.8。

因此，裝置最大可承受的軸向壓力48 t。通過升降系統(tǒng)實(shí)操監(jiān)測，樁腿對固樁圍阱單側(cè)產(chǎn)生力N（軸向壓力）通常不大于100 t，可選擇安裝3套減摩裝置，安裝夾角0°、+15°、?15°?，F(xiàn)場應(yīng)用布置可參考圖3。

圖3 楔形滾動結(jié)構(gòu)裝置安裝計(jì)算示意圖

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

假設(shè)樁腿材料各向同性，作用應(yīng)力均勻，減摩裝置與固樁圍阱間接觸不分離，減摩裝置結(jié)構(gòu)材質(zhì)與樁腿一致，忽略減摩裝置的軸承摩擦[4]，結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用0.05低摩擦系數(shù)的滾子軸承替代原0.5摩擦系數(shù)的滑動摩擦，忽略摩擦中熱對應(yīng)力的影響。但不難看出滾動摩擦副與樁腿間的接觸面積減小，導(dǎo)致局部的接觸應(yīng)力[5]變大，因此，對減摩裝置的滾子結(jié)構(gòu)與樁腿接觸應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)分析是很有意義的。減摩裝置的滾子機(jī)構(gòu)對樁腿應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 減摩裝置的滾子機(jī)構(gòu)對樁腿應(yīng)力云圖

3.2 搭建模擬圓柱形樁腿與固樁圍阱的實(shí)驗(yàn)裝置

搭建模擬圓柱形樁腿與固樁圍阱的實(shí)驗(yàn)裝置，選用TST3822靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測試。分為圓柱形樁腿與固樁圍阱之間滑動摩擦副和滾動摩擦副2種工況，對裝置施加0 t～5 t的側(cè)向載荷，記錄軸向拉力數(shù)據(jù)。結(jié)果如表1所示。軸向提升拉力數(shù)據(jù)對表分析見圖5。

從圖5可以看出，采用滾子減摩裝置可以明顯降低上提阻力，施加5 t側(cè)向載荷，樁腿的上提力增加295.29 kg，未安裝滾子防磨裝置的上提力增大1 784.96 kg，5 t側(cè)向載荷下，降低上提力83.46%。

表1 軸向提升拉力數(shù)據(jù)

圖5 軸向提升拉力數(shù)據(jù)對表分析

由多組3 mm應(yīng)變片通過電橋設(shè)計(jì)采集的滾子軸承對樁腿的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 樁腿強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)表

樁腿強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)分析見圖6。從圖6可以看出，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，#1、#2、#3傳感器工作正常，施加5 t側(cè)向力作用下，樁腿接觸區(qū)域應(yīng)力最大值小于1.8×103kg，2個應(yīng)力波峰是滾子與傳感器接觸的應(yīng)變信號，波峰過后應(yīng)力恢復(fù)正常，因此，樁腿附近區(qū)域處于彈性應(yīng)變區(qū)域，未發(fā)生塑性變形和應(yīng)力損壞。

4 結(jié)論

1）新型減摩裝置充分利用平臺現(xiàn)有的樁腿及固樁圍阱結(jié)構(gòu)，不需要過多改造，現(xiàn)場安裝使用方便。

2）從實(shí)驗(yàn)情況看，滾子減摩裝置的設(shè)計(jì)原理可行，可以有效減小樁腿與導(dǎo)向臺之間的摩擦損害。

3）現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際樁腿徑向載荷變化情況，合理配置該新型減摩裝置的數(shù)量，均勻應(yīng)力分布，同時，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

圖6 樁腿強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)分析