专利名称：一种提高自升式平台齿轮齿条升降装置承载能力的方法及措施的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种提高自升式海洋平台齿轮齿条升降装置承载能力的方法及措施，属于海洋工程领域。
背景技术：
自升式平台，指用于海上油气开发或者服务海上油气开发的装备，其具有定位能力强、移动作业稳定性好、造价低等优点，已成为大陆架石油勘探开发的主力军。主船体与桩腿之间存在上升或下降的相对运动是其最大特点。目前，自升式平台升降方式主要有两种一，液压油缸顶升方式，通过主、辅液压缸的相互配合，实现平台升降。然而由于无法实现连续升降，存在升降加速度波动较大，升降平稳性较差，升降速度慢，效率低等缺点；二，齿轮齿条啮合式，通过几组主齿轮与桩腿上的齿条啮合，实现平台的升降，具有升降速度快，操作简单，易于井位等优点。桩腿及升降装置是自升式平台的关键部件，其性能优劣直接影响平台的安全和使用效果。据统计，自升式平台的事故有一半以上发生在拖航和升降作业的情况下。齿轮齿条传动机构作为升降系统的重要组成部分，其重要性不言而喻。传统齿轮齿条升降机构中不同主动小齿轮之间相位角相同，在不同啮合状态下，主动小齿轮与齿条接触表面应力及小齿轮弯曲应力变化较大，在交变应力的作用下，容易导致齿轮齿条产生疲劳破坏；且为防止齿轮齿条啮合时滑脱，一般要求齿轮的齿宽大于齿条的齿宽，齿条不宜通过加宽的方式减小接触表面应力大小，同时最大接触应力发生在齿条接触部位的两端，容易产生应力集中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高自升式平台齿轮齿条升降装置承载能力的方法及措施。本发明是通过以下采取以下防范及措施实现的1、齿条相同一侧相邻主动小齿轮之间的存在相位差，但齿条两侧之间的主动小齿轮相位相同；2、主动小齿轮的数目可以是3个或者4个或者更多，具体数目需根据平台所要求的举升能力和平台总体要求确定；3、齿条相同一侧小齿轮数目确定后，齿条相同一侧的相邻主动小齿轮之间相位差与小齿轮数目n有关。主动小齿轮数目n是奇数时,相邻主动小齿轮之间相位差是360/7n ；主动小齿轮数目n是偶数时，相邻主动小齿轮之间相位差是360/7n或是25. 71。。4、主动小齿轮模数在80 100之间，压力角在25° 30°之间，变位系数在0.4 0.5之间；5、在升降桩腿的齿条边缘采取有倒角的形式，倒角可以是直倒角或是圆倒角，在一个较佳实施例中，直倒角2mmX2mm布置，圆倒角半径推荐值为2mm 4mm之间。
本发明积极有益效果本发明通过合理布置齿条同一侧相邻主动小齿轮之间相位差异，使得同一侧所有主动小齿轮在不同啮合状态下其总啮合端面的重合度变化差异最小，从而确保齿轮与齿条在任何啮合时刻平均接触面积几乎保持不变，且平均接触面积大于均是单齿啮合情况，小于均是双齿啮合时情况。上述做法可以确保齿轮齿条在正常上升或下降的过程中，其最大接触应力明显降低。同时本发明中桩腿两侧与齿条啮合的主动小齿轮相位角保持相同，从而抵消主动小齿轮产生水平径向力。在一较佳实施例中，在单桩腿采用4套主动小齿轮组的情况下，通过合理布置相邻主动小齿轮的相位角差为25. 71。的情况下，使得齿轮齿条最大接触应力明显下降，且不同啮合时刻，其最大接触应力值变化幅度明显降低。同时导致齿轮齿根弯曲交变应力变化幅度明显减小。在齿条两侧边缘采取适当倒角措施，降低了齿条两侧边缘应力集中现象，明显降低齿轮齿条最大接触应力。在一较佳实施例中，平均单个小齿轮承受载荷为200吨的情况下，通过在齿条两侧边缘采取倒圆角半径为2_的措施，可使其最大接触应力下降程度达17%。
图1为升降机构由三套主动小齿轮组组成时的一实施例示意图。图2为升降机构由四套主动小齿轮组组成时的一实施例示意图。图3为升降机构由四套主动小齿轮组组成时的又一实施例示意图。图4为升降机构的齿条边缘倒角的一实施例示意图。图5为升降系统主动小齿轮相位差为0度时齿轮齿条接触总力曲线图。图6为图1所示升降系统齿轮配置方案时1、2、3号小齿轮与齿条接触总力曲线图。图7为图2所示升降系统齿轮配置方案时la、2a、3a及4a号小齿轮与齿条接触总力曲线图。图8为图3所示升降系统齿轮配置方案时Ib及2b号小齿轮与齿条接触总力曲线图。图中，三套主动小齿轮组情况下1、1号小齿轮；2、2号小齿轮；3、3号小齿轮；4、4号小齿轮；5、5号小齿轮；6、6号小齿轮。四套主动小齿轮情况下la、l号小齿轮；lb、l号小齿轮；2a、2号小齿轮；2b、2号小齿轮；3a、3号小齿轮；3b、3号小齿轮；4a、4号小齿轮；4b、4号小齿轮；5a、5号小齿轮；5b、5号小齿轮；6a、6号小齿轮；6b、6号小齿轮；7a、7号小齿轮；7b,7号小齿轮；8a、8号小齿轮；8b、8号小齿轮；9、齿条；10、倒角。
具体实施例方式以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。参照图1为升降机构由三套主动小齿轮组组成的一实施例示意图。因升降机构齿条单侧主动小齿轮数目为奇数，相邻主动小齿轮之间相差相位差为360/(7X3)=17. 14°，即主动小齿轮I与主动小齿轮2之间、主动小齿轮2与主动小齿轮3之间、主动小齿轮4与主动小齿轮5之间、主动小齿轮5与主动小齿轮6之间均相差相位角约17. 14°。而齿条异侧相同位置的主动小齿轮之间保持相位角相同，从而使两个主动小齿轮产生的两个大小相等、方向相反的水平径向力相互抵消。I与2，2与3之间存在相等的相位差，使得3套主动小齿轮每旋转约51. 43° (即360/7° )时，其单个主动小齿轮接触总力变化一个周期。同一侧三个主动小齿轮在不同啮合状态下其总啮合端面的重合度变化差异最小，使得齿轮与齿条在任何啮合时刻平均接触面积几乎保持不变，其平均接触面积大于均是单齿啮合时的接触面积，小于均是双齿啮合时的接触面积，最终实现齿轮齿条在正常上升或下降的过程中，其最大接触应力在幅值上明显降低，且接触应力变化幅度明显减小。为更加详细说明实施例图1中所述情况，结合参照图5与参照图6予以详细说明。图5所示为传统齿轮齿条升降配置方案时小齿轮齿条接触总力变化曲线。在升降过程中，小齿轮与齿条接触总力始终保持在2000KN左右，即小齿轮与齿条单齿啮合时，齿轮齿条接触总力为2000KN。参照图6所示为实施例图1时，小齿轮与齿条接触总力变化曲线。由图6可知，其接触总力是周期交替变化的即在单齿啮合区，小齿轮与齿条接触总力下降到1500KN左右，明显降低小齿轮与齿条此时接触载荷；双齿啮合区其接触总力为2500KN左右,但此刻载荷共有两对齿分别承担，因此小齿轮承载能力具有较大提高。参照图2为升降机构由四套主动小齿轮组组成时的一实施例示意图。参照图3所示为升降机构同样为四套主动小齿轮组组成时的又一较佳例实施示意图。因齿条同侧主动小齿轮齿数为偶数，故相邻主动小齿轮之间相位差有两种布置形式，即相位差分别为是360/7n°或是25. 71°。其中参照图7与参照图8所示分别为参照图2与参照图3齿轮齿条升降系统配置方案时，小齿轮与齿条接触总力变化曲线。其原理与参照图6中所述原理相同。在相位差确定的情况下，主动小齿轮可以变换上下排列顺序与结果无影响。尤其在参照图3所示情况下，2b与4b两套主动小齿轮可以变换顺序，对应力分布情况无任何影响。参照图4为升降机构的齿条两侧边缘倒角的一实施例示意图。在齿条9两侧边缘采取倒直角或倒圆角10的措施，可以明显降低齿条两侧边缘的应力集中现象。倒圆角半径不宜采取过大倒圆角，避免减少齿条与小齿轮的接触面积，在一较佳实施例中，半径宜取为2mm 4mm之间。通常主动小齿轮与齿条啮合接触的过程中，其最大接触应力发生在小齿轮与齿条单齿啮合节圆附近，且齿条与小齿轮接触区域的两端存在应力集中现象，容易导致齿条接触应力过大，从而产生点蚀或疲劳破坏。通过调节主动小齿轮与齿条接触的相位差，使得齿条同侧不同主动小齿轮发生单齿啮合时刻不同，双齿啮合的小齿轮与齿条承担更多的载荷，从而降低单齿啮合的小齿轮与齿条的接触载荷，从而实现齿轮齿条接触应力明显减小。同时采取倒圆角措施，较大程度地减轻齿条两侧的应力集中现象，明显降低齿条最大接触应力，可提高齿轮与齿条的承载能力，延长齿轮与齿条的工作寿命及可靠性。以上所述之实施例只为发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施例范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种提高自升式平台齿轮齿条升降装置承载能力的方法及措施，其特征在于所述齿轮齿条升降系统中在齿条相同一侧相邻主动小齿轮之间的存在相位角度差，齿条两侧之间的主动小齿轮相位是相同的，其中主动小齿轮的数目可以是3个或者4个或者更多，需根据平台所要求的举升能力和平台总体要求确定。
2.一种提高自升式平台齿轮齿条升·降装置承载能力的方法及措施，如权利要求1所述，齿条相同一侧的相邻主动小齿轮之间相位差与齿轮数目n有关。主动小齿轮数目n是奇数时，相邻主动小齿轮之间相位差是360/7n°主动小齿轮数目n是偶数时，相邻主动小齿轮之间相位差是360/7n°或是25. 71°。
3.一种提高自升式平台齿轮齿条升降装置承载能力的方法及措施，如权利要求1所述，主动小齿轮模数在80 100之间，压力角在25° 30°之间，变位系数在0.4 0.5之间。
4.一种提高自升式平台齿轮齿条升降装置承载能力的方法及措施，在升降桩腿的齿条边缘有倒角，倒角形式可以是直倒角或是圆倒角。
5.一种提高自升式平台齿轮齿条升降装置承载能力的方法及措施，如权利要求4所述，所述圆倒角其倒角半径在2mm 4mm之间。
全文摘要
本发明是一种提高海上自升式海洋平台齿轮齿条升降装置承载能力的方法及措施。其主要方法及措施如下根据升降装置齿条单侧主动小齿轮数目n，合理布置相邻主动小齿轮与齿条啮合相位差为360/7n(n是奇数或偶数时)或25.71°(即360/14，仅n是偶数时)，同时在齿条接触边缘进行倒直角或倒圆角。其中升降装置中主动小齿轮采用大模数、高变位的齿形。通过采取本发明所述方法及措施，可以在较大程度上降低齿轮齿条单齿啮合时最大应力，消除齿条接触表面应力集中问题，从而改善升降装置齿轮齿条的受力状态，大大延长其使用寿命。
文档编号E02B17/08GK102996735SQ201110279889
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者杨宪, 陈国明, 王运安, 尹树孟, 徐长航, 吕涛, 苑思敏, 李洪涛 申请人:山东科瑞石油装备有限公司