“津平1”桩腿齿轮齿条供油润滑系统设计与应用

宋来中，周相荣

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071）

“津平1”桩腿齿轮齿条供油润滑系统设计与应用

宋来中，周相荣

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071）

“津平1”是为港珠澳大桥岛隧工程沉管基床碎石整平施工而建造的专有工程船舶，抬升系统为齿轮齿条式。与其他类型的海上石油平台的桩腿抬升系统相比，最大特点在于插拔桩作业更为频繁，因此齿轮齿条磨损速率更为严重。传统润滑方式是在围阱顶部人工涂抹润滑油脂，存在很多弊端。为加强齿条特别是主动齿轮的润滑，设计一套针对桩腿齿轮齿条的供油润滑系统，以改善桩腿润滑状况，提高齿轮齿条寿命。经组装与调试，效果良好。

海上设施；齿轮齿条；人工涂抹；供油润滑系统

0 引言

“津平1”是目前国内首艘、世界最大的海外抛石整平作业平台，相比其他同类型的自升式海上钻井平台，最大特点是插拔桩作业更为频繁，自升式钻井平台的桩腿抬升系统设计要求每年插/拔桩的次数不得超过5次，而“津平1”的抬升系统作业期间每节管节施工中需插拔桩至少8次，每年插拔桩要超过80次。

2015年9月份振华检测公司对“津平1”桩腿的45～65 m段进行检测，发现齿条齿顶及齿面磨损严重，局部桩腿齿条磨损值已超过设计允许值[1]，原因在于运行过程中齿轮齿条缺少有效的润滑。传统的润滑方式是工作人员站在围阱顶部涂抹润滑油脂方式，这种方式只适用于插桩过程，拔桩过程无法进行有效润滑，另外没有有效的措施加强对主动齿轮润滑。因此，本文设计一套针对桩腿齿轮齿条供油润滑系统以降低人工、提高齿轮齿条润滑条件，从而降低桩腿齿轮齿条磨损，延长使用寿命。

1 “津平1”桩腿齿轮齿条供油润滑系统设计流程

“津平1”桩腿齿轮齿条润滑系统的设计基本流程：1）在市场调研基础上，结合抬升系统的运行特点选用合适的润滑方式。2）根据要达到的润滑效果制定设计基本方案，并拟定原理图。3）根据设计的原理图，参照机械设计手册的设计要求选取相应的设备、材料。4）现场进行设备的安装调试，及效果判定[2]。

1.1 桩腿抬升系统工况

额定载荷下，抬升平台的速度最大为0.46m/min，额定抬升载荷200 t；预压抬升载荷下，抬升平台的速度最大为0.26 m/min，额定抬升载荷300 t，可以判断“津平1”桩腿抬升系统长期处于低速重载的运行工况，为建立连续有效油膜，本船桩腿齿轮齿条供油润滑系统选用的润滑油脂为嘉实多Molub-Alloy OG 936 SF Heavy开式齿轮油脂，特点是流动性极差，布氏黏度达144 000 mPa·s。

1.2 桩腿齿轮齿条供油润滑方案选择

在现有的海上平台设施桩腿润滑设备的市场调研基础上，结合“津平1”抬升系统结构及其施工特点，对“津平1”的润滑方案可从以下三种方式中选择：滴油润滑、注油润滑、油气润滑。要求能够改善目前桩腿齿轮齿条的润滑状态并满足经济适用、工艺简单的特点[3]。

1.2.1 滴油润滑

滴油润滑原理是依靠油的自重通过装在润滑点上的油杯中的针阀或油绳滴油进行润滑，这种润滑方式在“津平1”上应用，存在以下缺点。

1）滴油润滑系统对采用流动性差的油脂要管路简短，只能每个注油点为安装对应1套系统，4个装腿抬升系统需安装32套系统，数量庞大。

2）使用的巡视操纵的人工数量多，至少需要4人频繁加注油脂。

3）“津平1”桩腿齿轮齿条在低速重载运行情况下采用润滑油脂进行润滑，由于润滑油脂存在流动性极差特点，通过自重的方式难以保证准确定量滴入到齿轮副表面。

因此，不建议选用该种润滑方式。

1.2.2 注油润滑

注油润滑的原理是采用传统的单相流体润滑技术，即通过液压泵将油泵送注入到齿轮齿条接触面的一种方式，这种方式存在以下特点。

1）以液压泵为动力使润滑油脂均匀布与齿轮齿面，能够保证润滑油脂的滴油速率。

2）通过变频器控制变频电机驱动齿轮泵形式，设备的安装结构紧凑，注油量的操纵可以直接通过调整变频电机调整转速的形式实现，使用起来方便。

3）可以实现管路并联，一套设备供应2个桩腿润滑油脂，由于操纵简单，人工数量也相应降低，2人即可完成操纵。

4）采用这种方式的费用为1.5万/套，与进口油气润滑方式（20万/套）比较，节省成本。

因此，建议采取该种润滑方式。

1.2.3 油气润滑

油气润滑的原理是润滑剂在压缩空气的作用下沿着管壁波浪形地向前移动，并以与压缩空气分离的连续精细油滴流喷射到润滑点，这种润滑方式的设备存在以下特点。

1）虽能满足桩腿齿轮齿条的润滑，但系统较为复杂，除了液压件，动力源等还有气源及相应控制组件，运行过程中也存在较大噪音，不便于运行管理。

2）单套费用为20万，总价超80万，成本较高。

3）满足4个桩腿的润滑情况下，需要4套装置，4人完成操纵，使用的人工相比较注油润滑多出2人。

因此，虽能满足需求，但考虑人工、成本及可维护性，不选用该种润滑方式。

1.3 桩腿齿轮齿条供油润滑系统设计原理

“津平1”桩腿齿轮齿条润滑系统的基本结构组成：储油桶、变频电机、齿轮泵、供油分配器、球阀、变频器及液压管件等组成。工作原理是通过变频器控制变频电机驱动齿轮泵从油桶泵油至2个串联的供油分配器，供油分配器分别将润滑油脂注入2个桩腿的爬升齿轮齿面进行润滑，过量的润滑油脂经过溢流回油管返回油箱，设计原理图如图1。

图1 桩腿齿轮齿条供油润滑系统原理图Fig.1Schematic diagram of oil lubrication system of leg gear rack

采用变频器控制变频电机驱动齿轮泵的方式，能够通过调整变频器的转速，方便快捷地观察并调整注油孔位置的油嘴注油量大小，有效地实现桩腿齿轮齿条的润滑[4]。

1.4 设备选型及材料选择

1.4.1 注油点的选择及注油量的确定

1）注油点的选择

常规的齿轮传动机构一般选取主动轮作为润滑点，“津平1”传统手段是人工站立围阱顶部，在齿条齿面涂抹润滑油脂方式，润滑效果较差。本套齿轮齿条供油润滑系统拟在8套主动轮位置的围阱结构上开孔，选择主动齿轮的啮合面作为润滑点，通过齿轮泵泵足够量油到主动齿轮啮合面上，这样既能够保证对齿条的润滑又能够最大程度上减少主动齿轮的磨损。

2）注油量的确定

齿轮齿条的参数：爬升齿轮齿数Z1=7，模数m=80，齿间距d=0.25 m，齿宽b=25 cm；润滑油脂密度选1 000 kg/m3；预压载荷抬升速度0.26 m/min。

根据厂家提供资料，润滑油脂形成油膜厚度的理论用脂量2 g/cm/h（0.5~2 g/cm/h，取大者），参考齿宽计算单齿形成油膜用脂量（设计本套系统的用润滑脂量）要大于0.05 L/h。根据传统的人工涂抹润滑油脂经验，粗略估计用润滑脂量单齿为2 L/h（每个桩腿8 L/h）满足要求。

1.4.2 齿轮泵选型

1）确定最大工作压力

根据机械设计手册压力计算公式：

式中：P1为液压出油口的压力；∑Δp为从齿轮泵出口到出油口总的管路损失。

为保证出口出油，P1≥0，∑Δp=0.8 MPa；（根据经验值选取范围0.5~1.5区域中的0.8较为适宜）；因此Pmax≥0.8 MPa。

2）确定齿轮泵的流量

根据机械设计手册流量计算公式：

式中：qvp为齿轮泵流量；K为系统泄露系数，一般取1.3；∑qvmax为同时动作的出口最大总流量。

桩腿齿轮根据现场实际情况，单注油点位建议取流量大于0.3 L/min（或5 ml/s）。

计算得qvp≥0.35 L/min。

选用齿轮泵型号：KOZB-0.1/1.1（0.06 m3/h，1 MPa 750 W）。

1.4.3 齿轮泵电机驱动功率选择

根据所选取的液压泵的参数选取变频电机功率1.1 kW即可。

变频电机可选型号：Y90L-6（1.1 kW 960 r/min，380 V，3.2 A）。

1.4.4 变频器的选配要求

变频器的确定依据公式如下：

式中：PM为电动机的输出功率；η为电动机的效率，取值0.85；cos φ为功率因数，取值0.75；UM为电压；K为电流波形修正系数，1.05~1.1；IM为电流；PCN为变频器的额定流量；ICN为变频器的额定电流。

计算：变频器的ICN≥3.5 A，PCN≥2.3 kW。

选用变频电机规格型号：4T 4R0GB。

1.4.5 确定油箱的容积

根据机械设计手册油箱计算公式：

式中：V为油箱的有效容积；a为经验系数；qv为液压泵的流量。

根据机械设计手册及所选取齿轮泵的参数，系统压力≤2.5 MPa，归属于低压系统，经验系数取4计算得：V=0.24 m3。

因此，选用油箱有效容积240 L。

1.5 系统的组装与调试

1.5.1 系统的组装

1）4个桩腿围阱两侧开孔

目的1：通常润滑油脂建议加注在齿轮副的主动轮啮合面上，除了能够强化齿条润滑效果，还能最大程度上降低主动齿轮的磨损，因此，在围阱主动轮位置开孔改变了原有的在围阱顶部齿条位置涂抹润滑油脂方式，选用在爬升齿轮位置加油润滑油脂；

目的2：方便日常运行检查、加油效果观察。

2）主要设备的安装

泵、电机、油箱油脂分配器及变频器等安装接线调试，敷设管路，并进行管路、阀件的连接。

1.5.2 系统的运行与调试

系统组装完成并对各部位检查无误后，进行空载运行检查，检查电机从低频到额定频率，不同频率下的转速变化情况及电机的发热情况，空载运行正常后进行加油负载运行，同样从低转速到高转速进行过程控制及观察，根据频率与转速的关系将电机转速输出定位在40 r/min、60 r/min、80 r/min等不同转速下对供油效果观察及电机电流变化与发热检测，各注油点位供油量由少到多，能够形成连续的油脂流，经系统运行效果观察，供油效果良好，达到了设计目的。

2 “津平1”桩腿齿轮齿条供油润滑系统效果评定

磨损量测评结果从两个方面进行比对：一是加油系统满足供油量调整的要求，二是磨损速率有效降低。

2.1 系统满足供油量调整的要求

本套齿轮齿条供油润滑系统的基本原理是变频电机驱动齿轮泵泵油至2个串联的供油分配器，供油分配器分别将润滑油脂注入2个桩腿的爬升齿轮齿面进行润滑。可以看做系统管路的滑油连续流动并将滑油视为不可压缩的流动，不考虑重力影响，不考虑泄露（齿轮泵的内泄及系统管路的泄露）。

因此，可以判定齿轮泵的流量与转速成正比例关系，则流量与转速的关系式为：

变频电机的电机消耗功率与转速的立方成正比，变频电机的输出功率与转速的关系为P=T× n/9 500，其中转矩T视为一个基本恒定值，根据齿轮泵、电机的参数：齿轮泵型号：KOZB-0.1/ 1.1（0.06 m3/h，1 MPa 750 W），变频电机可选型号：Y90L-6（1.1 kW 960 r/min，380 V，3.2 A），将相关数据带入得出在额定齿轮泵额定功率下的转速为655 r/min，带入式（7）中计算得出齿轮泵的流量与转速关系式为：

qx=0.091 6nx

人工加油的流量代入得出22 r/min远低于额定转速，因此满足供油量调整需求。

2.2 齿轮齿条磨损速率降低

2016年1月份，整平船桩腿运抵中山中机建维修基地进行全面的检测和修复（445次插拔桩），测量相关数据如表1。

表1 测量数据表Table 1Measurement data table mm

根据表1，计算最大平均磨损量为4.9 mm，修复后平均数值为3.167 mm。

2016年11月用测量工具齿条模板和间隙尺对桩腿同一位置齿条齿面进行磨损量测量（从1月份检修到11月份重新测量，共计插拔桩次数80次），测量结果见表1所示。

根据表中计算最大平均磨损量3.725 mm，与2016年2月修复后的测量结果两者之差值为0.56 mm。

由对比可见，平均磨损速率换算为445次插拔桩的磨损速率预测3.1 mm，相比之前的4.9 mm有了较大的改善。目前，该套系统已在“津平1”上成功使用，能满足降低人工数量和劳动强度、延长桩腿使用寿命和降低成本的使用要求[5]。

3 “津平1”桩腿齿轮齿条供油润滑系统效益评估

港珠澳大桥岛隧工程碎石基床整平船上成功地应用桩腿齿轮齿条注油润滑系统，克服了传统的人工涂抹润滑油脂所产生的消耗人工、涂抹不均、桩腿齿轮副磨损大等一系列缺陷，能够有效降低齿轮齿条磨损。

以加装前的磨损速率、维修费用、插拔桩次数以及维修周期（3 a）为基准进行计算。加装后磨损速率由4.9 mm/（3 a）降低至3.1 mm/（3 a），可以预测每15 a（5个维修周期）加装前维修5次；加装后维修3次，可以节省2次维修费用，本次桩腿维修费用1 600万左右，即可以推算15 a（5个维修周期）节省3 200万维修成本，平均每年节省533万维修成本。且在港珠澳大桥的碎石基床整平作业的施工中提高工作效率，推进沉管安装的顺利实施，具有较大的间接社会效益[6]。

4 结语

本文通过研究平台式整平船“津平1”桩腿齿轮齿条供油润滑系统，设计开发了一套专门作用于爬升齿轮齿面的注油润滑系统，通过对该系统的设计，组装及调试，效果良好，能够满足对桩腿爬升齿轮齿面以及桩腿齿条齿面润滑的全覆盖，能够形成润滑油膜并有效地降低齿轮齿条的磨损，延长桩腿的使用寿命，同样也改善运动副的运行条件，也能够起到提高施工效率及节能降耗的作用，本套系统的设计与应用，不仅能够有效降低大型装备的维修成本，同时也提高了设备的使用寿命，为工程施工的可持续性提供了可靠的保障，该系统也能够有效降低维修成本，为解决同类型海上平台设施的同种齿轮齿条润滑提供了良好的借鉴。

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Design and application of oil lubrication system for gears and racks of the pile legs of"Jinping 1"

SONG Lai-zhong,ZHOU Xiang-rong
（No.2 Engineering Co.Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

"Jinping 1"is one of the proprietary engineering ship which was built for gravel bed leveling construction of immersed tube bed of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridgeterminal&tunnel project,the lifting system of it belongs to the gear and rack type.The biggest characteristic is the frequency of plugging and pulling the piles comparing to other types of pile legs lifting system of offshore oil platform,and the wear rate of gear and rack is more serious.The traditional way of lubrication is artificial daubing lubricating grease on top of the trunk and having many drawbacks.To enhance the lubrication of the rack, especially the driving gear,we designed a set of oil lubrication system for rack and pinion racks to improve the lubrication of the legs and improve the gear rack life.After assembly and debugging,the effect is good.

offshore facility;the gear and rack type;artificial daubing;oil lubrication system

TH117.2

A

2095-7874（2017）07-0080-05

10.7640/zggwjs201707019

2017-04-08

宋来中（1967—），男，山东聊城人，高级工程师，主要从事港口与航道工程、铁路工程、工民建工程等大中型项目的施工组织设计及管理工作。E-mail：hehuofeng@sohu.com