专利名称：一种用于海上自升式平台锁紧装置的齿条及其设计方法
技术领域：
本发明涉及海上钻井平台技术领域，尤其是指一种用于海上自升式平台锁紧装 置的齿条及其设计方法。
背景技术：
目前在自升式钻井平台中，特别是作业水深较大、作业环境恶劣的平台，大都 使用了锁紧装置，用于在平台站立状态时或拖航时，将平台的重量从升降装置转移到锁 紧装置上。锁紧装置齿条和桩腿齿条齿形相同，因而二者之间的接触为面接触，大大减 小了二者的接触应力，有利于改善桩腿齿条的受力状态，提高其寿命。但这种锁紧装置齿条有以下不足1)平台在站立状态时桩腿一般不是处于理想 的垂直状态，而是有偏斜。有时锁紧装置齿条能够与桩腿齿条贴合紧密，但有时二者的 轴线出现偏差，致使桩腿齿条局部受力过大，引起过度损伤；2)虽然锁紧装置齿条和桩 腿齿条齿形相同，但由于桩腿和锁紧装置刚度不同，锁紧状态时锁紧装置齿条的每个齿 的变形量不同，锁紧装置齿条和桩腿齿条每个齿承受的载荷也不同，在恶劣环境条件时 有的齿的受力可能超过许可载荷，造成齿条损伤。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在锁紧状态时桩腿齿条的每 个齿所承受的载荷大小一致的用于自升式钻井平台的锁紧装置齿条及其设计方法。为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为一种用于海上自升式平台锁 紧装置的齿条，所述的锁紧装置齿条齿的节距从上往下递减，且每个齿的下齿面均为球 形。所述相邻齿节距递减比例为齿节距的0.1% — 1%。所述齿的下齿面、齿根及齿顶之间均为圆滑过渡。所述下齿面的球心位于齿顶与齿根连线中点的垂线上。所述下齿面球形半径为所述齿的齿高的2 - 20倍。所述齿为3至30个。完成上述所述锁紧装置齿条的设计方法包括以下步骤
1)、根据平台设计适用的环境条件、平台基本设计条件计算作用在锁紧装置齿条的 最大垂向力Fv及弯矩M;
2)、利用机械设计软件初步设计锁紧装置齿条下齿面球面几何参数，以齿条节线 与原齿面的交点为垂足作垂直于原齿面的直线，球心位于该直线上；初步设计球面半径 SR ；
3)、建立锁紧装置齿条单齿和桩腿齿条单齿接触状态的有限元模型，使二者的压力*Fv/n，其中，η为锁紧装置齿条齿数，并计算接触应力、第四当量应力及锁紧装置齿条 径向变形量；
4)、调节下齿面球面半径，并多次重复第2、3步的计算方法，使接触面第四当量 应力小于锁紧装置齿条单齿、桩腿齿条材料的许用应力，得到最优的球面半径SR;
5)、按实际齿数建立锁紧装置齿条和桩腿齿条接触状态的有限元模型，按其锁紧状 态约束锁紧装置，并在桩腿施齿条加上述最大垂向力和弯矩，方向与实际方向相反，计 算锁紧装置齿条每个齿承受的载荷和变形量；
6)、根据第5步计算的载荷和变形量调整锁紧装置齿条齿的节距，并多次重复第5 步的计算方法，使锁紧装置齿条每个齿承受的载荷均为Fv/n。本发明在采用了上述方案后，克服了锁紧状态时桩腿各齿条承载不一致及桩腿 出现偏斜情况下桩腿齿条齿面应力分布不均的问题，改善了桩腿齿条各齿的受力状态， 大大延长其使用寿命。
图1为本发明的整体结构示意图。图2为图1中的A处的放大示意图。图3为本发明的立体结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图1和附图3对本发明作进一步说明，本发明的较佳实施例为本实 施例所述自升式钻井平台的锁紧装置齿条上设有3至30个齿2分别为hi hi ； hi hi的节 距从上往下递减，相邻齿2节距递减比例为齿2节距的0.1% — 1%。且每个齿的下齿面 均为球形；下齿面3球形半径为所述齿2的齿高的2 - 20倍。且齿2的下齿面3、齿根 4及齿顶5之间均为圆滑过渡。完成上述所述锁紧装置齿条的设计方法包括以下步骤
1)、在自升式水上平台的设计初期，船东对平台将来的作业能力、作业可能的环境 条件等提出要求，可在此基础上进行平台基本设计，并计算出在最恶劣条件下作用在锁 紧装置齿条的最大垂向力Fv和弯矩M ；然后根据平台结构尺寸等设计锁紧装置齿条的齿 数。2)、利用机械设计软件初步设计锁紧装置齿条下齿面球面几何参数，以齿条节 线3a与原齿面4a的交点为垂足作垂直于原齿面4a的直线5a，球心位于该直线5a上；初 步设计球面半径SR，保证球面与齿顶la、齿根2a的圆滑过渡并保证齿根2a不被减薄。3)、建立锁紧装置齿条单齿和桩腿齿条单齿接触状态的有限元模型，使二者的 压力为Fv/n，其中，η为锁紧装置齿条齿数，并计算接触应力、第四当量应力及锁紧装置 齿条径向变形量。4)、调节下齿面球面半径，并多次重复第2、3步的计算方法，使接触面第四 当量应力小于锁紧装置齿条单齿、桩腿齿条材料的许用应力，得到最优的球面半径SR。5)、按实际齿数建立锁紧装置齿条和桩腿齿条接触状态的有限元模型，按其 锁紧状态约束锁紧装置，并在桩腿施齿条加上述最大垂向力和弯矩，方向与实际方向相反，计算锁紧装置齿条每个齿承受的载荷和变形量。6)、根据第5步计算的载荷和变形量调整锁紧装置齿条齿的节距，并多次重复 第5步的计算方法，使锁紧装置齿条每个齿承受的载荷均为Fv/n。采用上述设计方法制造出的锁紧装置齿条克服了锁紧状态时桩腿各齿条承载不 一致及桩腿出现偏斜情况下桩腿齿条齿面应力分布不均的问题，改善了桩腿齿条各齿的 受力状态，大大延长其使用寿命。以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范 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内。
权利要求
1.一种用于海上自升式平台锁紧装置的齿条，其特征在于所述的锁紧装置齿条齿 的节距从上往下递减，且每个齿的下齿面均为球形。
2.如权利要求1所述的一种用于海上自升式平台锁紧装置的齿条，其特征在于相 邻齿(2)节距递减比例为齿(2)节距的0.1% — 1%。
3.如权利要求1所述的一种用于海上自升式平台锁紧装置的齿条，其特征在于所 述齿(2)的下齿面(3)、齿根(4)及齿顶(5)之间均为圆滑过渡。
4.如权利要求2所述的一种用于海上自升式平台锁紧装置的齿条，其特征在于所 述下齿面(3)的球心位于齿顶(5)与齿根(4)连线中点的垂线上。
5.如权利要求3所述的一种用于海上自升式平台锁紧装置的齿条，其特征在于所 述下齿面(3)球形半径为所述齿(2)的齿高的2 — 20倍。
6.如权利要求1所述的一种用于海上自升式平台锁紧装置的齿条，其特征在于所 述齿(2)为3至30个。
7.—种用于权利要求1所述的锁紧装置齿条的设计方法，其特征在于该锁紧装置 齿条的设计方法包括以下步骤1)、根据平台设计适用的环境条件、平台基本设计条件计算作用在锁紧装置齿条的 最大垂向力Fv及弯矩M;2)、利用机械设计软件初步设计锁紧装置齿条下齿面球面几何参数，以齿条节线 与原齿面的交点为垂足作垂直于原齿面的直线，球心位于该直线上；初步设计球面半径 SR ；3)、建立锁紧装置齿条单齿和桩腿齿条单齿接触状态的有限元模型，使二者的压力 SFv/n，其中，η为锁紧装置齿条齿数，并计算接触应力、第四当量应力及锁紧装置齿条 径向变形量；4)、调节下齿面球面半径，并多次重复第2、3步的计算方法，使接触面第四当量 应力小于锁紧装置齿条单齿、桩腿齿条材料的许用应力，得到最优的球面半径SR;5)、按实际齿数建立锁紧装置齿条和桩腿齿条接触状态的有限元模型，按其锁紧状 态约束锁紧装置，并在桩腿施齿条加上述最大垂向力和弯矩，方向与实际方向相反，计 算锁紧装置齿条每个齿承受的载荷和变形量；6)、根据第5步计算的载荷和变形量调整锁紧装置齿条齿的节距，并多次重复第5 步的计算方法，使锁紧装置齿条每个齿承受的载荷均为Fv/n。
全文摘要
本发明是一种用于海上自升式平台锁紧装置的齿条及其设计方法。本发明提供一种用于海上自升式平台锁紧装置的齿条，所述的锁紧装置齿条齿的节距从上往下递减，且每个齿的下齿面均为球形。本发明在采用了上述方案后，克服了锁紧状态时桩腿各齿条承载不一致及桩腿出现偏斜情况下桩腿齿条齿面应力分布不均的问题，改善了桩腿齿条各齿的受力状态，大大延长其使用寿命。
文档编号F16H55/10GK102022518SQ20101060801
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者吴平平, 宋林松, 崔锋, 李光远, 王建军, 郭宁, 陆军, 黎剑波 申请人:中海油田服务股份有限公司, 佛山市精铟机械有限公司