0 引言

自升式钻井平台是海洋石油勘探开发中使用数量最多的平台，适合近海域石油、天然气的勘探与开发^[1]。经过几十年的发展，自升式钻井平台在工作水深、抗风暴能力、可变载荷和操作性能等方面取得了巨大的进步^[2-4]。升降传动系统是保证自升式平台安全使用的关键部件，它直接承载海洋平台升降的重力，其性能直接影响到平台的安全可靠性及使用效果。

自升式海洋平台升降系统齿轮箱基本依赖于国外进口，国内针对该系统的研究大多停留在理论设计阶段^[5-11]，能工业化生产的厂家几乎没有，对升降传动系统齿轮箱的现场试验研究很少。然而，在升降传动装置出厂前，其力学性能指标，如承载能力、扭矩、效率、振动、反应能力和可靠性等均需要进行试验验证，以确定能否满足实际使用要求，其中，额定载荷和风暴保持力等动载荷试验是检验升降系统设计是否成功的关键。笔者主要针对升降传动系统齿轮箱在1.1倍风暴保持力极限载荷工况下的试验情况进行了分析计算与探讨。

1 试验装置设计

升降系统性能试验装置为一个箱体结构，升降传动装置的2个齿轮箱分别安装在试验装置的2个对角分布的圆套基座上，每个齿轮箱都带有一个ABB变频电机，其中一个作为动力源，在试验中提供速度，另一个作为加载电机，试验中提供要求的负载扭矩。试验齿条和2个齿轮箱输出端的七齿小齿轮啮合，并靠4组焊接在试验装置侧板上的导板进行齿条运动导向限位，试验装置结构见图 1。

该试验装置满足齿轮箱的安装固定和齿条、齿轮传动、加载等要求，而且可以通过监测2个电机的输出扭矩随时监控2个齿轮箱所承受的载荷，扭矩加载比较直观，便于操作。

在升降传动装置的众多试验项目中，最恶劣工况为七齿齿轮在风暴保持力1.1倍时的试验。试验中要求单个七齿齿轮风暴保持力为4 540 kN，即最大试验载荷为4 994 kN，对应七齿齿轮输出扭矩为1 371 kN·m，并且在保持该载荷的情况下，七齿齿轮需进行1圈动态运转试验。

在风暴保持力1.1倍载荷下采用ANSYS软件对试验装置基座进行了有限元强度分析。有限元建模过程中，在轴承座孔处覆盖了一层表面效应单元surf154。该单元可以覆盖在实体单元表面，用于在该面上施加任意指定方向和大小的力载荷^[12]。根据齿轮齿条啮合受力方向，为试验装置基座的2个轴承座孔处分别加载了水平面力和竖直面力。面力的大小按照圆柱面曲率按余弦规律分布，即面法线方向与载荷方向垂直位置加载力为0，面法线方向与载荷方向一致位置加载力最大，底面全约束，有限元载荷模型见图 2。经计算分析，试验装置基座的等效应力分布情况见图 3。最大应力出现在轴承座孔处，为170 MPa，而试验装置箱体材料为Q345钢板，强度完全满足升降系统极限工况试验载荷要求。

2 现场试验情况

对升降传动装置进行了多项试验，其中，空载运转试验和额定载荷运转试验均顺利完成，试验装置基座和试验齿条强度完全满足要求。但是，随着载荷继续增大，当齿轮提升力达到4 000 kN以上直至4 994 kN时，出现了2个问题：①大载荷运转试验过程中，冲击现象较严重，并且当负载扭矩不变，动力端扭矩出现跳动现象，扭矩跳跃非常大；②在风暴保持力1.1倍载荷(4 994 kN提升力)试验过程中，齿条的上、下限位导板表面被拉毛、划伤，甚至开裂。

根据现场试验过程出现的问题，结合试验装置的结构对其原因进行了初步定性分析。试验齿条在运行过程中受到2个对角分布齿轮的啮合力作用，会承受一定转矩，该转矩是由相应位置的限位导板来平衡的，而限位导板和齿条齿顶的间隙较大，导致齿条有一定的转角。因此，齿条和限位导板的接触状态只有远端的两三个齿接触，可认为是单点接触，这种情况下齿条所受的转矩完全由这几个齿和限位导板间的接触力平衡，接触应力非常大，不仅会有很大的冲击，更容易把限位导板表面拉伤、拉裂。如果能减小其接触间隙，由于齿条并不是完全刚性的，在齿条转矩不变的情况下，限位导板和齿条能接触上的齿数就增多了，分摊在每个接触面上的接触应力就会减小，单点接触将变为多点接触，会在一定程度上减轻冲击现象。基于此，现场在齿条和下侧的限位导板之间塞入了一块6 mm厚的钢板，使齿条和限位板表面之间的单边间隙从原来的5 mm减小到了2 mm，再次进行试验。试验时，所加入的一块6 mm钢板产生了褶皱弯曲变形，并在齿条运动过程中，被带出了接触区域。

由此可见，大载载运转试验时，齿条和限位导板之间的接触应力非常大。当下边齿轮箱为主动，下边齿轮箱给定横向载荷为最大试验载荷4 994 kN时，假设2个限位导板处各有1个齿接触，且接触面应力分布均匀，齿条向右运动时最大比压可达1 200 MPa，5个齿全接触时，比压也达到了240 MPa；齿条向左运动，3个齿接触时，最大比压约为72 MPa，5个齿接触时约为40 MPa。钢-钢低速滑动摩擦时的许用压力可参考滑动螺旋传动的许用压力，为7.5~13.0 MPa^[13]，实际比压远远大于此许用值，要减轻限位导板的拉伤、开裂状况，必须最大幅度降低接触面的比压值。

3 试验装置改进

笔者对上节升降传动装置试验过程中出现的问题进行了分析和探索，对该试验装置的结构进行了改进，改进后的结构见图 4。改制后的试验装置主要在上、下限位导板和试验齿条之间增加了2块如图 5所示的齿块总成，改变了齿条和限位导板间的摩擦接触方式，把原来的逐个齿条齿顶和限位导板平面之间的摩擦改成了平面对平面的接触摩擦，增大了接触面积，减小了接触比压，增加的齿块总成摩擦面采用MGE工程塑料作为摩擦材料，其耐磨性能强，屈服强度可达23 MPa，与钢的摩擦因数为0.05，使接触滑动摩擦过程更加平稳。

4 试验装置改制后的工况分析及试验效果 4.1 最大试验载荷下试验齿条的受力分析

风暴保持力1.1倍时的运转试验为升降传动装置最恶劣载荷条件，此时，最大提升载荷为4 994 kN，因此，只要试验装置的强度满足该载荷条件即可。在进行试验齿条受力分析及计算时以该载荷作为外载进行计算，即七齿齿轮提升力F₁=4 994 kN，齿条抗弯截面系数W= 4 877 288.696 mm³，齿块和限位导板滑动摩擦因数取μ=0.05。此时，根据试验过程分8种工况对试验齿条进行受力分析及计算，工况类型见表 1。

8种试验工况中，主动齿轮用于提供动力，给定齿条的运动速度，载荷齿轮用于给定试验要求的载荷扭矩。

根据齿条所受力和力矩的平衡关系、试验装置结构尺寸、试验齿条截面尺寸、齿轮齿条啮合角度及载荷边界条件可计算得出8种工况下，试验齿条承载的最大弯曲应力和限位导板处的支撑力等，计算结果统计见表 2。

由表 2可知，在工况1、4、7、8中，试验齿条的最大弯曲应力均大于700 MPa，超过了齿条材料的最小屈服强度690 MPa，根据齿块与限位导板的接触面积，其最大、最小接触比压p_max和p_min分别为34.970和31.040

导板处接触比压远大于钢-钢接触比压的许用值上限13 MPa，同时也超过了摩擦材料的屈服强度23 MPa。由此可见，在工况1、4、7、8下，不论是试验齿条的强度，还是摩擦材料，都不能满足强度要求。

在工况2、3、5、6中，试验齿条的最大弯曲应力均小于其材料的屈服强度，安全系数介于1.48~1.99之间，用于产品的型式试验，可满足强度要求。同时，在这4种工况下，其最小接触比压为5.277 MPa，最大比压为5.957 MPa，低于许用比压值下限7 MPa，同时大大低于摩擦材料的屈服强度23 MPa。

由此可见，改制后的试验装置已经大大减小了限位导板处的接触比压，达到了减轻接触面磨损和拉伤的目的。然而，当试验在工况1、4、7、8下进行时，不论是试验齿条的强度，还是摩擦材料，都不能满足强度要求。

4.2 试验效果

按照改制后的试验装置，在工况2、3、5、6下分别进行了风暴保持力1.1倍载荷下的运转试验，在摩擦接触位置涂抹了润滑剂二硫化钼。试验过程中齿轮齿条运行平稳，试验装置上、下导向板接触面再没出现拉伤或开裂的情况。图 6为齿轮齿条的啮合照片。

5 结论

(1) 在齿条和限位导板间为单点近似线接触形式下进行风暴保持力1.1倍载荷试验时，接触面比压远远大于材料许用比压，导板拉伤或开裂不可避免。

(2) 在齿条和限位导板间增加齿块，将摩擦形式转化为平面摩擦后，大大减小了接触比压，但在工况1、4、7、8下，接触比压仍然大于材料许用比压，在工况2、3、5、6下，接触比压在6 MPa以内，完全满足要求，并在这4种工况下进行了现场试验，结果显示导板表面再未出现拉伤和开裂现象。

(3) 升降传动装置是保证自升式平台安全的关键部件，即便是在出现概率较低的极限海况下，也必须保证其强度足够，然而在极限工况下进行试验，对试验设备要求较高，不易实现。笔者设计的试验装置根据现场试验效果进行改进，改进后完全满足升降传动装置在风暴保持力1.1倍载荷工况下的运行试验要求，可为升降传动装置的研发试验提供参考。