自升式海洋平台升降装置齿轮齿条与销轮齿条传动分析

马振军，许 振，吴 韩

（广东精铟海洋工程股份有限公司，佛山 528000）

0 引言

目前的大和平时期，为世界各国的经济和科技发展提供了良好的成长环境；集中快速地发展也意味着背后大量的能源消耗，全球各地政府也正积极寻求能源持续获取途径[1]。经过大量的勘探分析，海洋中储备的油气资源远超陆地，再加上海上的风力资源极为丰富，充分利用风能符合当下积极发展绿色能源的时代理念。为此，大力开展海洋科技装备的研究已经成为了各国政府重点发展领域。海上自生式平台无论是在油气勘探与开采，还是海上风力发电场的安装维护，都有很强的适用能力；然而，目前自升式海洋平台的相关设计和制造技术尚不成熟，还有很大的发展空间[2]。

根据前人的实际统计，在海上平台中，自升式海洋平台的事故损失占所有平台事故损失数额的一半以上。数据分析证明，自升式海洋平台的事故有将近一半左右发生在平台起升和拖航的过程中；因此，对自升式海洋平台升降系统的设计分析是至关重要的[3]。其中，爬升齿轮与齿条啮合传动单元是决定海上自升式平台安全与否的重要装置，它们连接着平台和支撑桩腿，对于平台稳定和安全的影响非常大，因此平台升降单元合理、可靠地分析和设计尤为重要[4]。升降装置的分析需要依靠平台作业工况和环境载荷的实际情况；对海上平台的一般作业状态和整体受载分析国内外学者进行了大量的探索和研究[5-6]。在平台整体工况分析的基础上，需要对升降装置的传动载荷、接触弯曲极限、振动和变形、制造成本与可靠性进行一系列的分析和探讨。陈石[7]对升降单元中齿面接触疲劳和齿根弯曲疲劳强度进行分析，并针对齿轮齿条传动中压力角及齿根圆半径系数等主要参数结合可靠性分析理论进行了系统解析。陈宝庆等[8]对自升式海洋平台齿轮齿条升降系统齿条负载不均问题，建立了海洋平台齿轮齿条升降系统动力学模型，分析研究了在负载和啮合参数改变的情况下,爬升齿轮均载的变化趋势。Ahmed Khondaker Sakil等针对升降齿轮齿条开发了一系列有限元（FE）模型进行分析，研究了顶升系统的强度，刚度和疲劳寿命，并且分析了平台不同运行载荷下小齿轮的疲劳性能[9]。

国内外学者对齿轮齿条啮合传动升降驱动方式已有较多研究，但在长期的实践过程中，也发现了齿轮齿条啮合传动中较难避免的问题和实际限制条件，例如实际制造成本高，维修困难，使用寿命不足等。因此，在继续发展、应用海洋平台齿轮齿条啮合升降装置的同时，也有必要对其他可行的升降驱动方法进行研究和探索。吴林对圆周均布的圆柱滚动体参与啮合传动方式的传动耦合机理、廓面发生原理、运动仿真进行了推导分析并取得了一些研究成果[10]。张芸等[11]对次摆线销轮齿条传动的啮合力及接触应力进行了综合研究和推导并建立分析模型。张化波[12]以柱形齿滚销与次摆线齿条啮合传动形式为研究对象，对其传动原理、刚度计算与受力分析、齿形综合、滑动率、重合度、结构设计和传动性能分析等进行了较完整详细的研究。销齿传动具有独特的运行性能，适合应用于低速、重载等重工环境中，这正是海工装备所处的作业环境，对销轮齿条传动应用于升降平台进行研究和对比分析，对海洋平台升降系统的创新和发展具有非常重要的研究意义。本文在分析了齿轮齿条升降装置后，对销轮齿条传动升降装置进行了探讨和研究，可为海上平台升降系统的进一步发展提供参考思路。

1 齿轮齿条升降装置

自升式海洋平台中齿轮齿条式升降装置的主要由齿条、齿轮减速器、驱动电机、小齿轮，即爬升齿轮组成，如图1所示。

图1 某齿轮齿条升降装置结构Fig.1 Structure diagram of a rack and pinion lifting device

减速器由多级齿轮啮合传动构成，如图2所示，序号1、2、3、4分别为四级齿轮啮合副，序号5、6、7、8、9、10分别为二级行星轮减速传动，序号11为输出轴即爬升齿轮轴。齿轮箱对电机的输入进行减速并增加扭矩，提供平台升降所需要的巨大转矩；输出端为爬升齿轮，其与桩腿上的齿条啮合传动，实现海上平台平稳升降作业。当海上升降平台到达预定海面位置时，利用平台排水量的变化或改变承载桩腿的数量把桩腿插入海底淤泥，并进行桩腿预压载；预压载结束后，对海洋平台进行起升操作，当平台到达预定的作业高度时，将其和桩腿锁紧。

图2 某齿轮齿条升降装置原理Fig.2 Schematic diagram of a certain rack and pinion lifting device

1.1 齿轮齿条升降装置的失效

齿轮齿条是升降系统的重要承载部件，爬升齿轮齿条啮合单元不但要在常规工作情况下和风暴自存状态下长时间支撑平台整体，而且需要在升降作业时完成平台甲板和桩腿的提升和下降，长时间处于承受巨大载荷状态。其中升降装置的承载包函着各种动载荷，自升式海洋平台爬升齿轮与齿条啮合机构是甲板平台和桩腿最重要的连接装置，甲板平台上的各种作业载荷通过爬升齿轮齿条啮合机构传递给支撑桩腿，甲板下的支撑桩腿所承受到的海波、海流和风载荷大部分通过齿轮齿条啮合机构传递给甲板平台。

爬升齿轮与齿条啮合机构所处的工况十分恶劣，因此齿轮传动中轮齿的失效是很难避免的，失效的形式主要有齿面磨损，齿面胶合，齿面点蚀和轮齿折断4种。其中，疲劳损坏和断裂失效两种破坏形式是最容易产生的。与一般的齿轮啮合传动装置相比，自升式海洋平台升降系统中的齿轮与齿条啮合传动机构具有重载荷和低速度的特点，并且其属于开式啮合传动的类型，复杂工况和恶劣的海洋环境对于齿轮和齿条使用寿命会产生极大的影响[13]。海洋平台升降系统齿轮齿条的齿面和齿根是使用过程中最容易、最频繁发生失效的部位，齿根的弯曲强度疲劳与齿面的接触强度疲劳是爬升齿轮失效的主要因素。

1.2 齿轮齿条升降装置的设计极限

以某实际设计制造的齿轮齿条升降系统为分析对象，此升降单元爬升齿轮和桩腿齿条的材料及主要参数如表1所示。

表1 某升降装置齿轮齿条的几何和材料性能参数Tab.1 Geometry and material performance parameters of a certain lifting device rack and pinion

对升降装置作业过程中齿轮齿条的3个啮合位置部分应力进行监测和记录，各位置最大应力如表2所示。由记录数据可以看出，在齿条接触面上的应力始终为齿条应力最大值，而且齿条接触面上的应力都比齿轮接触面上的应力要大。同时可以发现，齿轮齿条啮合升降装置实际作业过程中，爬升齿轮上的最大应力在齿轮轮齿根部，齿条齿面的应力值要比齿轮的齿根最大应力值高。分析发现，由于齿条接触面上存在着最大应力，所以齿条表面与齿轮相接触部位即为需要关注的重点部位，该部位较容易在大应力作用下首先出现破坏。

表2 某升降装置齿轮齿条工作过程中各部分应力的最大值Tab.2 The maximum stress of each part of a lifting device during the working process of the rack and pinion

齿轮齿条啮合升降时，爬升齿轮齿根处会出现最大弯曲应力，尤其是当爬升齿轮与齿条处于啮合位置b和啮合位置c时，爬升齿轮上最大齿根应力的数值要比齿轮齿面接触部位应力的数值大，这是在设计制造时应该考虑到的情况。根据实践分析发现啮合危险部位，有针对性的提出提高齿条齿轮啮合机构安全性的措施，即在设计加工时应重点考虑确保齿条的接触强度，并合理降低啮合时齿条齿面的的最高接触应力。由于自升式海洋平台长时间处于海洋的恶劣环境中，齿轮齿条啮合机构容易发生疲劳失效，并且齿条齿轮的齿根发生疲劳破坏的情况远远比齿面出现疲劳磨损的情况危险，齿根破坏带来后果往往是难维修、高损失的，海洋平台齿条齿轮啮合升降机构的设计也不会允许发生因齿根疲劳破坏而断齿的情况，因此，在实际设计应用过程中应当采取齿根最大弯曲应力作为升降系统的强度设计极限。

海上自升式平台升降装置的齿条一般采取焊接的方法与平台支撑桩腿连接，并且桩腿齿条本身的加工制造成本较高，所以在作业过程中爬升齿轮损坏所造成的成本损失远远小于齿条。实际设计制造时为了优先考虑保证齿条不被提前破坏，在一般情况下，都以爬升齿轮的使用寿命作为升降系统的设计极限。

2 销轮齿条传动升降装置

2.1 装置应用分析

渐开线齿轮齿条啮合传动运用于海上自升式平台升降系统已经有较长时间应用实践，实际应用中也发现了许多不足之处和使用发展的局限性。升降系统所使用齿轮齿条，模数很大，有的模数将近100；这种类型大模数少齿数爬升齿轮，在加工制造时技术要求较高，生产不便，加工设备十分庞大。目前国内拥有生产此类大模数齿轮的大型设备的企业较少，即使有设备加工，由于其体积与重量大，加工成本也相当高。在维修上，爬升齿轮一但失效破坏，便要拆卸升降单元对齿轮进行整体更换，维修成本较高。寻求一种新的并且具有可行性的传动装置的脚步也是海洋平台升降系统进一步发展创新的需要[14]。

销齿传动的结构特点一般于适用于粉尘多、润滑条件差等恶劣环境中的重载、低速机械传动。其圆周速度为0.05～0.5 m/s；传动比可以达到5～30；传动效率在无润滑时可以达到0.90～0.93，有润滑时为0.93～0.95。现在，销齿传动主要应用于冶金、化工、矿山和起重运输等部门重载低速的机械装备中。也正因为销齿传动的独特优势，符合海洋工况的工作环境，其在海洋工程领域的运用也正不断增加。

2.1.1 装置原理

销齿齿条传动是齿轮齿条传动的一种特殊形式，该机构结构稳健、加工较方便，且易于维修，适用于海上升降平台的作业工况。将销齿齿轮当作爬升齿轮与桩腿齿条啮合构成自升式海洋平台升降系统的传动装置，其传动机理与上述渐开线爬升齿轮齿条啮合传动过程有相似之处，图3所示为销轮齿条传动原理。驱动单元将转矩输入到减速箱后，由销齿齿轮输出低速大转矩，通过销轮上的销齿和齿条齿形啮合并带动齿条升降运动，从而带动海洋平台的桩腿上下运动达到压桩和起升船的作业务。

图3 销轮齿条传动原理Fig.3 Schematic diagram of pin wheel rack transmission

2.1.2 齿轮齿条与销轮齿条升降装置对比

销轮作为爬升齿轮与桩腿齿条啮合传动构成自升式海洋平台升降系统新的驱动方式，是一种必要的探索和尝试，表3中分析整理了齿轮齿条与销轮齿条两种传动方式的升降装置的对比结果。

表3 齿轮齿条和销轮齿条升降装置的对比Tab.3 Comparison table of gear rack and pin wheel rack lifting devices

销齿齿条传动方式运用与海洋自升式平台升降装置相结合，在海洋平台上是一种新的探索，也是一种必要的尝试。对原有升降系统的传动方式进行了改造，与齿轮齿条升降相比可以有效降低生产加工和维修的成本，对于船东与设备生产厂家而言都是极为有益的；可以为海上升降装置的发展和应用带来极大利好，并且可以为海工行业创造很好的经济效益，具有一定的研究应用价值。

2.2 销齿结构

图4所示为普通销齿的具体结构，从该图可以看到销齿安装于销轮的两夹板之间，结构较为简单；由于销齿一般为圆柱体，加工和制造会变得十分方便，对生产设备的要求和技术要求并不高，造价不高。在传动时，是销齿中间部分与齿条啮合受力，销齿为简支梁形式受载，受力稳定不易折断，使用寿命符合期望值。销齿与销轮不属于同一个零件体，当圆柱销齿破坏后可以对个别销齿进行更换，不需要对销轮进行整体维修，维修方便，维修成本较低，具有较好的经济性。

图4 普通销齿的结构Fig.4 Structure diagram of common pin tooth

当销齿轮和齿条作为传动机构时，销齿轮为主动，轮齿的顶部首先进入啮合，这时由于轮齿和齿条顶部的相对运动是滑动摩擦，其传动效率会因此而降低；而且销轮齿和齿条之间的磨损严重，致使销轮和齿条的寿命降低。另外销齿的是圆柱形无法像渐开线齿轮采用变位方式降低齿轮尺寸。

为了克服普通销轮销齿和齿条啮合传动机构时，由于销轮为主动件会降低其传动效率及加速磨损的缺点，分析探讨后采用带销套的销齿结构；如图5所示，即在销齿柱上设置销套，销套为圆筒型，套在销齿上，销齿为芯轴，销套围绕销齿柱转动，销套与销齿柱之间为动配合。

图5 带销套销齿的结构Fig.5 Structure diagram of pin tooth with pin sleeve

当带销套的销齿转动与齿条直接接触，特别是经过齿条齿顶部相对运动为滑动摩擦时；销套就围绕销齿柱转动，销套与销齿柱之间产生的近乎滚动摩擦代替了销套和齿条齿间的滑动摩擦，因此销齿磨损程度大大降低，从而提高了销轮与齿条的使用寿命。

2.3 销齿传动几何尺寸与强度设计计算

从需要的外部条件出发，按已知的传动参数，参考设计手册中普通销齿结构设计过程[15]，选定计算出齿条齿宽系数φ、齿条齿数、销轮销齿直径dp、齿距p等主要基础参数，然后根据已有条件和所求基础参数进行强度计算和验算，接触强度的计算公式为:

接触强度验算公式为：

式中：dp为销轮销齿直径，mm；F1为额定负载下圆周力，N；σHP为许用接触应力，MPa；φ为齿条齿宽系数；σH为计算接触应力，MPa。

销轮销齿弯曲强度验算公式为：

式中：σF2为销齿计算弯曲应力，MPa；L为销齿计算长度，mm；b为齿条齿宽，mm；σF2p为销齿许用应力，MPa。

销轮上夹板挤压强度验算公式为：

式中：σpr为计算挤压应力，MPa；δ为销轮夹板厚度，mm；σprp为许用挤压应力，对于钢Q235，σprp=98～118 MPa。

值得注意的是，当销轮和齿条轮齿在节点处接触为计算位置，此时销齿和轮齿接触处的曲率半径分别为：p=1.5dp，p=0.5dp。当销轮和齿条轮齿材料不同时，应取σHP的较小者计算。

2.4 销轮齿条传动齿条齿型选择

海上自升式平台在升降作业过程中同样需要确保一定的运动平稳性，从销齿齿条啮合传动原理可知，为了尽量满足稳定性的使用要求，便要保证销轮中心速度为近似恒定值，要实现这一目标，可以通过分析比较，选择合适的齿条齿型与销齿啮合传动。在目前实际运用的销齿齿条传动的机构中齿条的齿型有3种型式：直线齿型、圆弧齿型和摆线齿型。下面分别对不同齿型曲线的齿条与销轮相啮合时的运动特性进行分析。

2.4.1 销轮和直线齿型的齿条啮合传动

在销齿齿条啮合传动中，因为齿条的齿形曲线为直线，在两圆柱销齿交替啮合啮出的瞬间，销轮中心速度有一减小的突变。

2.4.2 销轮和圆弧齿型的齿条啮合传动

当齿条的齿形设计成圆弧状时，在销轮与齿条啮合过程中齿条齿形的啮合压力角会不断改变，但是可以达到销轮中心的运动速度变化幅度变小目的；圆弧齿型齿条的齿形又可分为凸圆弧齿形和凹圆弧齿形两种。下面是对这两种齿形啮合进行时的分析比较。

（1）凸圆弧齿形

当凸圆弧齿形的齿条与销齿啮合传动时，销轮的中心速度在两圆柱销齿交替啮合的瞬时仍然会有一突变，但中心速度的变化幅度会比直线齿型齿条啮合时有较明显的降低。如果适当增加销齿的数量，这时候在前面一个销齿完全脱离齿条啮合之前，后一个销齿就已经和齿条相接触，这样销轮和齿条啮合传动时可使销轮中心速度的波动幅度减少。

（2）凹圆弧齿形

当凹圆弧齿形的齿条与销齿啮合时，其传动过程中销轮中心速度始终是波动的。但其波动幅度会比凸圆弧齿形和直线齿形的齿条啮合时要小，所以，此时销轮齿条啮合传动机构的在运动时相比较而言要平稳一些。如销轮的销轮齿数因为结构的限制不易增加时，或者需要降低销轮齿条啮合传动系统的重量和体积，使用凹圆弧齿形的齿条啮合传动比较合适。

（3）销轮和摆线齿型的齿条啮合传动

销齿与齿条啮合传动时啮合力有明显的单齿啮合区和、双齿啮合区之分，在双齿啮合区时齿条齿面载荷趋向于均载，单齿啮合区与两齿啮合区的过渡处存在载荷突变，波动幅度不平稳。

3 结束语

首先，对目前海上自升式平台升降装置应用的齿轮齿条传动方式进行了实践分析；确定了齿轮齿条最大载荷的分布情况和设计极限。接着，在分析了齿轮齿条升降装置长期实践应用中显露出的不足和局限性基础上，对自升式平台升降装置传动方式进行了必要研讨和尝试，提出运用销轮齿条传动方式代替齿轮齿条升降的设计思路。并结合销轮齿条开放、低速、重载，加工维修成本低等独特优势，与齿轮齿条驱动升降进行了系统对比，分析了该传动形式应用于海上升降系统的可行性。最后，推导了销齿传动几何尺寸和强度设计与验算的基本过程；并且探讨了销轮销齿与3类不同齿型齿条啮合传动时的不同运动状态和啮合特性，应根据不同的设计条件和需求进行合理选择；本文可为海洋平台升降装置传动形式的创新探索提供一定的借鉴。