平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船抬升系統(tǒng)齒輪齒條失效分析及修復(fù)

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(tái)式碎石鋪設(shè)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(shè)的大型專用施工船舶，采用自升式、回字形平臺(tái)結(jié)構(gòu)，船舶主要參數(shù)見表1。

津平1于2012年10月建造完工抵達(dá)港珠澳大橋島隧工程施工現(xiàn)場(chǎng)，2017年4月完成33節(jié)大型沉管碎石基床的鋪設(shè)施工任務(wù)，施工周期長(zhǎng)達(dá)1 423 d，插拔樁288次，使用壽命超過(guò)15個(gè)海上石油平臺(tái)工作壽命內(nèi)抬升次數(shù)的總和，4根樁腿插樁總深度達(dá)1.8 km。當(dāng)工程進(jìn)行到E25管節(jié)時(shí)，抬升齒輪齒條不同程度地發(fā)生了磨損、塑性變形和應(yīng)力裂紋。

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

1 抬升機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

該船具有4根樁腿，分別位于平臺(tái)的四角，單根樁腿的重量為450 t，每根樁腿都有8套對(duì)稱安裝的升降裝置，其鎖緊工作由帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)器完成，每根樁腿處設(shè)置1套鎖緊機(jī)構(gòu)，用于鎖止樁腿齒條。

抬升機(jī)構(gòu)的爬升齒輪模數(shù)為80 mm，齒寬200 mm，壓力角30°，齒數(shù)為7；齒條模數(shù)為80 mm，齒寬140 mm，齒高154 mm，壓力角30°，節(jié)距251.33 mm，齒輪齒條裝配中心距310 mm，齒條母材的材質(zhì)為 ASTM A514Q，屈服強(qiáng)度690 MPa；單套抬升機(jī)構(gòu)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(fēng)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(yè)及抬升系統(tǒng)見圖1。

圖1 施工作業(yè)及抬升系統(tǒng)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(shè)備，Ⅱ類為重要設(shè)備，Ⅲ類為高安全要求設(shè)備，相關(guān)參數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)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(jù)分析

根據(jù)JB/T 5664—2007《重載齒輪失效判據(jù)》對(duì)重載齒輪失效判據(jù)有兩種：

1）任何一種磨損或多種磨損同時(shí)存在，當(dāng)齒根兩側(cè)耗損量之和ΔS（mm）與齒輪法向模數(shù)mn（mm）的百分比M（M=ΔS/mn）達(dá)到規(guī)定指標(biāo)時(shí)，該齒輪應(yīng)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(jì)算》中齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算方法及實(shí)測(cè)磨損后齒輪的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算磨損后的彎曲強(qiáng)度，若磨損后輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)小于許用值，該輪齒應(yīng)被判定為失效。圖2為齒條在454 t載荷工況下的計(jì)算彎曲應(yīng)力云，圖3為齒輪齒形發(fā)生改變、嚙合點(diǎn)不變時(shí)，齒輪計(jì)算彎曲應(yīng)力云。

圖2 齒條磨損狀態(tài)下的彎曲應(yīng)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(yīng)力云圖Fig.3 Bending stress cloud diagram of worn gear

MN

綜合分析，整平船抬升系統(tǒng)齒輪齒條按表2中Ⅲ類齒輪計(jì)算，其失效判據(jù)如下：

根據(jù)1），爬升齒輪和齒條磨損總量達(dá)到12 mm，判定為失效。

根據(jù)2），爬升齒輪磨損總量達(dá)到8 mm，齒條達(dá)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(jì)算只從強(qiáng)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(qū)域?qū)嶋H影響深度還要增加2～5 mm。

4 抬升系統(tǒng)齒輪齒條磨損后強(qiáng)度校核計(jì)算

齒輪齒條的校核計(jì)算采用AGMA和CCS規(guī)范，計(jì)算時(shí)分別取齒輪、齒條雙面磨損總量為6 mm，單套裝置額定動(dòng)載為200 t、預(yù)壓動(dòng)載為260 t，彎曲疲勞強(qiáng)度滿足使用要求[2]，齒輪齒條磨損后強(qiáng)度校核計(jì)算見表3。

表3 齒輪齒條磨損后強(qiáng)度校核計(jì)算Table 3 Strength check calculation of the gear and rack after wear and tear

5 齒頂磨損對(duì)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(dòng)的連續(xù)性和平穩(wěn)性，如果重合度小于1，會(huì)導(dǎo)致該齒輪不能連續(xù)受力，而其他裝置受力增大，并可能發(fā)生超載現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)齒輪會(huì)有一定的沖擊。通過(guò)對(duì)齒輪齒條的重合度進(jìn)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(yīng)對(duì)齒條齒頂磨損量超過(guò)5 mm的齒進(jìn)行齒形修復(fù)，達(dá)到設(shè)計(jì)齒形。

6 齒條導(dǎo)向間隙分析

齒條導(dǎo)向主要是用來(lái)保證齒輪齒條中心距，使齒輪齒條正常嚙合。導(dǎo)向間隙大小也會(huì)影響樁腿8個(gè)爬升齒輪與齒條的重合度大小，若間隙過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致某幾個(gè)齒輪的重合度小于1。

上導(dǎo)向原設(shè)計(jì)理論間隙為6 mm，對(duì)應(yīng)的齒側(cè)間隙為7.7 mm；當(dāng)上導(dǎo)向間隙為0時(shí)，理論的齒側(cè)間隙為1.7 mm。此時(shí)，該齒輪對(duì)稱布置的另一側(cè)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(shè)計(jì)齒頂至齒頂理論距離為3 600 mm、上導(dǎo)向塊內(nèi)開檔尺寸為3 612 mm、中部導(dǎo)向塊內(nèi)開檔尺寸為3 616 mm，為降低齒頂?shù)男迯?fù)標(biāo)準(zhǔn)，減少修復(fù)工作量，通過(guò)更換耐磨板背面的墊板厚（磨板本身無(wú)需更換）對(duì)導(dǎo)向間隙進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的上導(dǎo)向塊（耐磨板）內(nèi)開檔尺寸為3 606±1 mm、中部導(dǎo)向塊（耐磨板）內(nèi)開檔尺寸為3 608±1 mm、下導(dǎo)向塊（耐磨板）內(nèi)開檔尺寸無(wú)需修改。

7 齒輪齒條修復(fù)要求

對(duì)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(jìn)行更換。

2）齒條雙面磨損總量≥6 mm，修復(fù)尺寸到原齒面，模板測(cè)量，齒面允許公差為-1～0 mm。模板應(yīng)在齒面多次測(cè)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(fù)齒頂，修復(fù)到全齒高為（152±1）mm（原齒高 154 mm）。

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

5）對(duì)上部和中部導(dǎo)向塊（耐磨板）內(nèi)開檔尺寸進(jìn)行修改，修改后尺寸見圖5。上部導(dǎo)向到中線距離改為1 803 mm±1 mm，中部導(dǎo)向到中線距離改為1 804 mm±1 mm。

圖5 導(dǎo)向塊內(nèi)開檔尺寸圖Fig.5 Size chart of opening in guide block

6）齒條有裂紋并經(jīng)過(guò)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(jìn)行修復(fù)。其余打磨裂紋產(chǎn)生的凹坑應(yīng)該打磨光滑，保證齒面平整。

7）修復(fù)后齒面和齒頂需要進(jìn)行100%外觀檢驗(yàn)和100%MT檢驗(yàn)，不允許出現(xiàn)裂紋。

8 結(jié)語(yǔ)

自升平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船抬升系統(tǒng)經(jīng)修復(fù)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(shè)整平施工任務(wù)。