半潜式钻井平台锚缆机变速箱的检测和修理

顾志超

(中海油田服务股份有限公司，天津 300452)

半潜式钻井平台作业水深远超自升式钻井平台，深海半潜式钻井平台锚缆机的作业海况比较恶劣。锚缆机是保障海上安全作业的重要设备，变速箱是锚缆机的重要部件，通过对变速箱的结构分析和检测，找出故障与技术参数之间的关系，并根据相关的技术标准对变速箱进行修理，从而保障深海半潜式钻井平台的安全作业。

1 变速箱的结构和工作原理

变速箱结构形式分为:整体式外壳与刨分式外壳，本变速箱属于刨分式外壳结构，变速箱沿中心线刨分为2部分。变速箱结构如图1所示。变速箱尺寸1.0 m×1.4 m×1.6 m。

图1 变速箱结构

变速箱工作原理：变速箱的输入轴由电动机输入动力，在电动机的拖动下，输入轴以一定的转速旋转。

输入轴的齿轮1和轴为一体，也称齿轮轴，当输入轴旋转时，轴上的齿轮1与齿轮2啮合，带动过渡轴旋转，过渡轴上的齿轮3和齿轮4一同旋转。齿轮3与输出轴上的齿轮5啮合，齿轮4与输出轴上的齿轮6啮合。当输出轴上的离合器拨至高速档位H时,齿轮5通过离合器带动输出轴以高速旋转；当离合器拨至中间档位空挡时，输出轴无动力输出；当离合器拨至低速档位L时，齿轮6通过离合器带动输出轴以低速旋转。

2 变速箱的检测和修理

2.1 变速箱轴承座的测量

为了保证测量的精度要求，使用内径百分表测量变速箱轴承座孔内径。

测量输入轴A、B两端的轴承座孔内径，过渡轴C、D两端的轴承座孔内径，输出轴E、F两端的轴承座孔内径，在每个轴承座测量3个方向的内径，称为1#、2#和3#，轴承座孔内径测量数据见表1。

表1 轴承座孔内径测量数据 mm

我们根据轴承座与轴承的公差与配合[1]，结合轴承座的磨损状况，进行变速箱轴承座技术参数分析。

表1的测量数据显示，输入轴A端和B端,过渡轴C端和D端,输出轴E端和F端轴承座孔内径偏大，轴承与轴承座的配合间隙偏大，轴承跑外圈，导致轴承座磨损，磨损的轴承座见图2。

图2 磨损的轴承座

测量输入轴与过渡轴之间的中心距为397.30 mm，过渡轴与输出轴之间的中心距为520.70 mm。

2.2 变速箱轴承座的修理

通过测量和分析，轴承与轴承座的配合间隙偏大，轴承跑外圈，导致轴承座磨损，运行时发生异常振动。针对上述故障，我们决定更换轴承。

每根轴的轴承座孔同心度小于0.03 mm，保证轴的中心距尺寸，各轴的中心线平行度小于0.05 mm。修理后的轴承座见图3。

图3 修理后的轴承座

2.3 变速箱轴的测量

为了保证测量的精度要求，使用外径千分尺测量轴的外径。

分别测量输入轴与A、B两端，过渡轴与C、D两端，输出轴与E、F两端的轴承内圈配合处的轴颈外径。在每个轴承内圈与轴颈的配合区域，测量3个方向的轴颈外径:4#、5#和6#，轴颈外径测量数据见表2。

表2 轴颈外径测量数据 mm

表2的测量数据显示，输入轴A端、过渡轴D端和输出轴F端轴颈外径偏小，轴颈磨损，跑内圈。输入轴B端、过渡轴C端和输出轴E端轴颈状态良好。

2.4 变速箱轴的修理

轴的直线度小于0.03 mm/m ，轴的径向跳动小于0.03 mm，表面粗糙度Ra≤1.6 μm。

2.5 齿轮点蚀的检测和修理

测量齿轮齿面的点蚀面积，计算点蚀面积与轮齿工作齿面面积的比率，并与JB/T 5664-2007《重载齿轮 失效判据》[3]的第Ⅲ类设备，高安全要求设备的标准点蚀比率α比较，齿轮点蚀比率检测表见表3。

表3 齿轮点蚀比率检测表

表3显示，齿轮1、齿轮2、齿轮3、齿轮5和齿轮6的点蚀比率符合不应超过50%的标准要求，检测结果合格。齿轮4的点蚀比率超过标准数据，根据标准要求，还应检测20%以上点蚀的坑最大尺寸与模数的比值β、最大深度与模数的比值γ。

S/m=β，

(1)

式中，S为20%以上点蚀的坑最大尺寸， mm；m为齿轮的模数，m=10 mm；对于第Ⅲ类设备，β=20%。

由式(1)得：S=βm=20%×10 mm=2.0 mm。

L/m=γ，

(2)

式中，L为20%以上点蚀的坑最大深度， mm；对于第Ⅲ类设备(运行速度<10 m/s),γ=15%。

由式(2)得：L=γm=15%×10 mm=1.5 mm。

经检测，齿轮4的齿面20%以上点蚀坑的最大尺寸≥2.0 mm；且20%以上点蚀坑的最大深度≥1.5 mm；因此，该齿轮被判为失效。齿轮4点蚀状况见图4。

根据检测结果，更换齿轮4备件，解决了齿轮点蚀超标问题。

图4 齿轮4点蚀状况

2.6 齿轮副齿侧间隙的新安装标准值计算

根据CB/T 3688-1995《船用起锚机和起锚绞盘修理技术要求》[4](以下简称“技术要求”)，齿轮副齿侧间隙的新安装标准值由下式计算：

(3)

式中，C为齿轮副齿侧间隙，μm；A为齿轮副中心距， mm。

齿轮1和齿轮2的中心距为397.30 mm，齿侧间隙约0.24 mm。齿轮3和齿轮5、齿轮4和齿轮6的中心距为520.70 mm，齿侧间隙约0.27 mm。

上述齿轮副齿侧间隙的新安装标准值是指齿轮箱满足以下技术要求时的齿侧间隙：新齿轮副、新轴承、轴承座和轴承为标准公差配合，轴和轴承为标准公差配合，全部零件的形位公差符合标准公差的要求。

2.7 需修理的齿轮副齿侧间隙标准值计算

根据“技术要求”，齿轮副齿侧间隙超过最大安装间隙的2倍时，应予修理。

齿轮1和齿轮2的齿侧安装间隙为0.24 mm，2倍安装间隙为0.48 mm。

齿轮3和齿轮5、齿轮4和齿轮6的齿侧安装间隙为0.27 mm，2倍安装间隙为0.54 mm。

2.8 齿轮副齿侧间隙的检测和修理

对变速箱内的齿轮副采用压铅法测量齿侧间隙，分别为齿轮1和齿轮2、齿轮3和齿轮5、齿轮4和齿轮6的齿侧间隙，齿侧间隙的检测数据见表4。

表4 齿侧间隙检测数据

为了使齿轮副的齿侧间隙符合标准，需对变速箱进行修理。影响齿轮副的齿侧间隙的因素较多，其中主要包括齿轮的磨损和点蚀，齿轮副的中心距，轴承和轴承座的配合公差，轴的形位公差，轴和轴承的配合公差等。

关于齿轮的磨损和点蚀，根据“技术要求”，在齿轮节圆上检测齿厚，最大允许磨损为原齿厚的10%，经对齿轮节圆上齿厚的检测，未发现齿厚的磨损超过标准数值。关于齿轮的点蚀，齿轮4的点蚀超过标准数据，更换齿轮4备件，不仅解决了齿轮点蚀超标问题，还可改善齿轮副齿侧间隙。

关于齿轮副的中心距、轴承和轴承座的配合公差，通过对轴承座的修理，保障轴承和轴承座的配合公差，控制齿轮副的中心距，从而控制齿轮副的齿侧间隙。

关于轴的形位公差、轴和轴承的配合公差，通过对变速箱轴的修理，保障了轴的形位公差、轴和轴承的配合公差，并且保障了齿轮副的齿侧间隙的稳定和可靠性。

经过对齿轮副齿侧间隙的检测和修理，使齿侧间隙符合标准要求，检修结果合格。

3 变速箱的装配和试运行

根据相关的技术标准验收修理的零件，保障零件的技术参数符合规范要求。齿轮涂丹油检测啮合状况见图5，若丹油在齿面分布均匀，则齿轮啮合状况良好。

由图5知，齿轮啮合状况良好。将两半变速箱恢复装配，螺栓紧固转矩880 N·m，变速箱内注润滑油。变速箱安装至原位，电动机安装找正。经空载运行、功能测试和负荷运行，设备运行正常，解决了变速箱运行时发生异常振动的故障，满足了平台安全作业要求。

图5 齿轮涂丹油检测啮合状况

4 结束语

通过对半潜式钻井平台锚缆机变速箱的检测，根据相关的技术标准，完成了变速箱的修理，解决了变速箱的故障问题，攻克了进口设备的技术壁垒，实现了进口设备的自主修理。在设备修理标准化的进程中，迈出了关键的一步，为深海半潜式钻井平台锚缆机变速箱的检测和修理创建了一个成功范例。