自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究

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液压马达，可使升降系统针对不同的载荷采用不同 的速度，这样便节省了平台升降的时间；!采用大 扭矩、低转速的液压马达可减小减速箱的传动比， 从而减小其尺寸和造价。 （ ! ） 从操作方式及故障率来看，两种升降方 式均要设置集中控制台和桩边控制台，集中控制台 内设置 "#$ 进行控制作业，均可实现所有桩腿同 时控制和手动单桩控制及紧急制动。但液压驱动相 对电驱动故障率较高，故液压驱动必须设置专家诊 断系统。 （ % ） 液压驱动需设置液压站，而电驱动不需要。 综合液压驱动与电驱动两种方式各自的优缺 点，采取其中任何一种方式都可以。笔者在此将结 合胜利作业 % 号平台升降系统研究液压驱动的齿轮 齿条升降系统。
齿轮齿条升降系统构成
所谓齿轮齿条升降系统，就是在平台的每根桩 腿上设置几根齿条，对应于每根齿条上设置几个小
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孙永泰，高级工程师，生于 $678 年，$69: 年毕业于上海交通大学机械工程系，现从事海洋工程研究与设计工作。地址： （ &8:’$: ）
山东省东营市。电话： （ ’8#7 ） 9:9"7:" 。
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"* 678；最大压力 #% 678。 平台在正常举升时主泵所需最大电动机功率 ! "( $ )* /:，而辅油泵所 需 电 动 机 功 率 ! "# $ (% /:，考虑泵效和联轴器的效率，电动机总功率为 !!( /:，同步转速为 ! *%% 2 . 134。 胜利作业 " 号平台于 (%%( 年 + 月投产以来，平 台移位多次，系统运行状况良好。平台在实际升降 作业时，现场所显示的结果基本与上述计算相同。
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自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究
孙永泰
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（ 胜利石油管理局钻井工艺研究院）
! ! 摘要! 以胜利作业 " 号平台升降系统为研究对象，提出了齿轮齿条式升降系统的总体设计思 路；针对海洋平台升降系统的设计要点，对齿轮齿条式升降系统中的液压动力驱动系统分 # 种工 况进行了升降系统液压原理设计、分析、参数确定和计算，并提出了确保系统安全可靠性的多项 保护措施。其设计思想、设计中所采用的方法、参数确定方法及计算分析所得出的结论，对平台 的设计、制造和管理具有一定的指导意义，对类似系统的设计、分析计算具有一定的参考价值。 ! ! 关键词! 自升式平台! 齿轮齿条! 升降系统! 动力驱动系统! 液压系统 齿轮，齿条及其对应小齿轮数量根据平台所要求的
。升降系统作为自升式平台
中的关键部分，在平台的设计制造中历来受到高度 重视，其性能的优劣直接影响平台的安全和使用效 果。自升式平台的升降系统大致分为两大类：齿轮 齿条式和液压油缸顶升式。齿轮齿条式升降的优点 是：升降速度快；操作简单；易对井位。缺点是齿 轮齿条式价格贵，制造难度大。 由于海洋环境条件相对比较恶劣，平台升降所 需时间的长短对平台安全性也就显得比较重要，同 时可减少平台就位费用，因此新造的自升式平台多 采用齿轮齿条升降方式。
路系统、辅助油路系统和增压油路系统。 （ * ） 主油路系统8 该系统主要包括 * 个油箱、 % 台主泵、% 套带载 , 卸载模块、% 套主油路控制模 块和 *1 台液压马达等。 油箱上装有液位开关（ 控制低油位和最低油 位） 、油温调节器（ 调节油的低温、最低温、高温 和最高温度） 、呼气阀、加热器、液位测量尺和检 查用人孔盖。 % 台主泵分别对应于 % 根桩腿装在油箱上，以 减小所占的空间，平台和桩腿的升降速度将由伺服 阀控制泵来实现，输入至泵和伺服阀各处的压力， 由相应的压力开关检测，泵供油至带载 , 卸载模块 和液压马达。% 台泵并联，互为备用，保障即使在 * 台泵损坏的情况下，另 ! 台泵仍能提供平台以相 对小的速度进行普通升降所需的动力。所有的主泵 在无负载时以低压力运行。 % 套带载和卸载阀块装在液压站中，每 * 阀块 用于 * 根桩腿，阀块的作用是保护主泵不致过压。 % 套主油路控制模块分别用于控制 % 根桩腿， 每个模块分别用于控制特定桩腿上的 ) 台马达。 每个模块包括：* 个伺服比例换向阀用于控制 平台或桩腿的运动方向及动作速度；! 个平衡阀用 于锁定桩腿和平台的质量及稳定其动作速度；* 个
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式刹车机构，一旦系统出现异常（ 如失电、超载、 超速等） ，将自动刹车。 ・增加升降能力储备，在单桩 ! 台马达损坏时 仍能进行平台升降。 根据升降系统的总体设计、配置、部件选型及 经验数据，参数确定如下
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孙永泰：自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究
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安全阀；! 个单向阀；" 个压力传感器和各种压力
开关用于检测压力。
图 #$ 齿轮齿条升降系统液压原理图
$ $ 在整套主油路系统中，% 个桩腿的相对速度由 比例换向阀来控制，每根桩腿上的 & 个马达油路并 联，由桩腿和平台围井区上的导向机构保持其刚性 同步。 （ " ） 辅助油路系统$ 辅助油路系统包括 % 台先 导泵、% 套刹车和速度选择模块及 % 个蓄能器等。 % 台先导泵并联，互为备用，每个先导泵配置 # 个溢流阀，用于调定泵的压力。 每 # 根桩腿都有相应的刹车控制和速度选择模 块，这些模块包括刹车用换向阀、马达速度选择用 方向控制阀、刹车时控制速度用的单向阀和测试刹 车释放压力的压力开关。% 套蓄能器在液压源出现 故障时仍可保证主油路工作。 （ % ） 增压油路系统$ 增压油路系统用于给主油 路、辅助油路提供一定压力的液压油，同时还可为 整套系统的液压油进行加热和冷却，它包括 " 台喂 油泵、滤油器、溢流阀、截止阀及压力测量开关等。 在控制系统中整套液压系统的 % 根桩腿的运动 速度，由 % 套主油路控制模块上的比例换向阀分别 控制，而 % 根桩腿上的 & 个液压马达为刚性同步， 即 & 个马达并联，靠桩腿或平台的质量即马达的负 荷实现同步。 万方数据
引! ! ! 言
在用于海洋石油开发的各种海洋平台及其他海 洋构筑物中，自升式平台比较适合于浅海区域，具 有用钢量少、造价低、水上完井、在各种海况下几 乎都能持续作业和效率高等优点，因此，在国内外 海洋勘探和开发中，特别是在近海海洋石油开发中 发挥了巨大的作用
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举升能力和平台总体要求加以确定。动力通过桩边 马达驱动齿轮减速箱，然后传递给与齿条啮合的小 齿轮，从而带动平台的升降。 齿轮齿条式升降系统由动力驱动系统、动力传 递系统（ 主要包括齿轮齿条及相应的减速机 构） 和平台升降控制系统等 " 大部分组成。 动力驱动系统为升降系统中最易发生故障的部 分，是平台升降设计的关键点和难点，设计上将涉 及各桩腿间同步、同一桩腿上的各个马达的同步、 回路设计、载荷设置、安全保护、启动与刹车及控 制、驱动能力和相关参数的设计选取等。齿轮齿条 式升降系统从动力驱动上有液压驱动和电驱动两种 方式。液压驱动就是通过液压站及相应阀件带动液 压马达，而液压马达通过驱动齿轮箱带动小齿轮， 从而使平台或桩腿完成升降动作；电驱动是直接通 过电马达驱动齿轮箱带动小齿轮，而使平台或桩腿 完成升降动作。两种方式相比较各有利弊。 （$ ） 就升降能力而言，两种升降方式在设计 上均能达到平台在各种工况下所要求的基本技术指 标，但液压驱动有如下特点：!液压系统本身具有 一定的弹性，再通过在系统中附加蓄能器，使系统 在启动和停止时具有一定的减震性能，而无须增加 其他的减震措施；"易于调节速度，通过设置双速
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桩腿导向效率 !! $ %& ’ ；齿条与齿轮啮合效率 !( $ %& ’( ；齿轮轴承效率 !" $ %& ’) ；行星减速器 效率 !# $ %& ’# ；液 压 马 达 运 行 时 机 械 效 率 !* $ %& ’# ；液压马达启动机械效率 !+ $ %& ,* ；液压马 达容积效率 !, $ %& ’, 。 液压驱动系统分 # 种工况的计算结果（ 均为 马达启动工况） 见表 ! 。
为确保平台升降安全、可靠，设计中采用了多 种安全保护措施： ・% 台主泵并联互为备用，在 # 台甚至 " 台损 坏的情况下，仍能保证以相对慢的速度升降。辅助 油路中 % 台并联的先导泵，亦互为备用，确保了为 主油路、刹车及速度转换提供动力，增强了平台脱 离危险状况的能力。 ・在控制上设置 # 个集控台和 % 个桩边控制 台，在集控台上设自动控制与手动控制，一旦集控 台失灵则可在桩边控制台上操作平台升降。同时设 置了 & 种操作模式：为液压油加热，使整个系统的 油温达到系统安全运行的水平；升降桩腿，有手动 和自动两种程序操作，用于自海底升起桩腿或放桩 腿至海底；提升平台脱离水面和下放平台到水面； 释放因长时间刹车而引起的应力；确保平台升降时 在正常的载荷范围内；在升降前均提示诸如压载舱 是否排空等方面的信息。 ・通过液压系统中的平衡阀块实现刹车的一级 保护，比例阀块实现二级保护，这两级保护可实现 在液压源失效时平台或桩腿安全停留在原位置，作 用顺序为首先平衡阀块起作用，若失效则比例阀块 起作用。系统中设置了由液压控制、弹簧刹车的盘
［ !］ 力，图 * 为升降系统液压原理图 。设计分为主油
动力驱动系统研究
胜利作业 % 号平台属于齿轮齿条升降的 % 腿自 升式修井作业平台，钢质非自航。由平台主体、桩 腿（ 带桩靴） 和升降系统 % 部分组成。平台主体 平面接近三角形，% 根圆柱形桩腿布置在艏、艉。 平台的主要任务是对水深 & ’ !& ( 范围内的油井进 行修井作业。平台每根桩腿上设置 ! 根齿条，对应 每根齿条上配备 % 个小齿轮；这样每根桩腿上共有 ) 个小齿轮，) 个小齿轮同步动作带动平台或桩腿工 作；每个小齿轮由 * 个液压马达通过对应的行星减 速箱来带动；平台通过固桩架传力于齿轮箱上的小 齿轮，小齿轮通过与桩腿上的齿条啮合传力于桩腿； 平台上设 * 个液压站、* 个集中控制台和 % 个桩边控 制台以及马达控制中心、液压动力控制单元等。 *+ 升降系统主要技术参数 平台正常举升力 , 腿：- ... /0； 平台应急举升力 , 腿：*. 1.. /0； 平台预压载荷 , 腿：*% !.. /0； 平台最 大 提 升 速 度 （ 在 正 常 载 荷 条 件 下 ） ： .+ % ( , (23； 平台应急提升速度：.+ * ( , (23； 最大放桩速度（ 正常载荷下） ：.+ ) ( , (23； 升降频率：每个星期升降 * 次，升和降的距离 均为 *1 (； 小齿轮参数：齿数 4，模数 4& ((，压力角 !45。 !+ 参数确定原则 该平台最大提升速度（ 在正常的载荷条件下） 定为 .+ % 万方数据 ( , (23 基于以下因素：由于平台升降系统
在工况恶劣的海上作业，平台升降及移位必须在风 速小于 *! ( , 6、波高小于 .+ & (、海流流速小于 *+ !1& ( , 6 等条件下进行，这种好天气通常持续时 间较短。在多数情况下，平台自 * 个井位完成降平 台、升起桩腿、拖航至下一井位、并完成平台放 桩、定位、升平台，通常应在 *! 7 内完成，这样 就要求升降速度越快越好；但该系统属于大型重载 系统，要有高的安全可靠性。随着升降速度的提 高，平台围井区结构强度、桩腿结构强度、动力传 递系统强度及驱动能力等将成倍增长，造价亦会提 高，因此，平台升降速度应根据其作业环境及使用 要求进行确定。 平台应急提升速度为 .+ * ( , (23，应包括两种 情况：一是在平台某一桩腿上的 * 套齿轮传递系统 或马达损坏而又必须进行平台升降；二是平台未卸 载而进行平台升降，此时升降能力要求大，因此应 计算而定。 最大放桩速度为 .+ )( , (23，既充分利用系统 的潜能，同时又考虑了平台就位时的工况需求。 %+ 升降系统液压原理 液压系统的主要功能是为整套升降系统提供动