自升式平台齿轮齿条参数优化研究.pdfVIP

·现代设计与先进制造技术· 樊敦秋 张 卿 薛世峰 等 自升式平台齿轮齿条参数优⋯⋯ 19 自升式平台齿轮齿条参数优化研究 樊敦秋 ，张 卿 ，薛世峰 ，仝兴华 (1．胜利石油管理局 钻井工艺研究院，山东 东营 257017) (2．中国石油大学 储运与建筑工程学院，山东 东营 257061) 摘要：基于有限元软件ANSYS对某自升式平台齿轮齿条的强度进行了分析。从齿条齿宽和齿轮 齿条齿根圆角半径2个方面研究探讨 了提高齿轮强度的方法，并对齿条齿宽和齿轮齿条的齿根 圆角半径进行了优化。研究结果表明，适当增大齿条齿宽可以减小齿轮齿条的接触应力，增大齿 轮齿条的齿根圆角半径可以提高齿轮齿条的齿根弯曲强度。 关键词：齿轮齿条；有限元；应力分析；参数优化 中图分类号：TE952 文献标识码：A 文章编号：1672—1616(2010)05—0019一O5 自1954年世界上第一座自升式钻井平台“德 隆一号”问世以后，自升式海洋平台已经逐步在海 洋石油钻探与开发以及其他海洋工程领域中得到 了广泛的应用。自升式平台主要由平台结构、桩 腿、升降机构、作业装置(包括动力设备和起重设 备)以及生活楼(包括直升飞机平台)等组成。平台 在工作时用升降机构将平台举升到海面以上，免受 海浪冲击，依靠桩腿的支撑站立在海底进行钻井作 业。完成任务后，降下平台到海面，拔起桩腿并将 其升至拖航位置，即可拖航到下一个井位作业。自 升式钻井平台的升降系统承担着几乎整个平台的 质量和工作载荷，其安全性能对平台的正常工作起 着决定性作用。齿轮齿条机构作为升降系统的重 要组成部分，其结构安全的重要性不言而喻。 1 齿轮齿条的强度分析 本文所研究的平台共有 3根桩腿，桩腿上设置 有齿条，齿条与升降室的齿轮啮合升降或支撑平台 主体，该平台共有 36个升降齿轮与齿条啮合。齿 轮齿条的基本参数：齿轮齿数 =7、模数 = 100mm、分度圆压力角 a=27。、齿轮齿宽200mm、 齿条齿宽 127mm、齿条齿距314．159mm；齿轮材料 为 SAE4340，齿条材料为 ASTM A514 Gr．Q，齿轮 齿廓曲线为渐开线，齿条为直线。 1．1 齿轮齿条的有限元模型 根据以上参数用有限元软件 ANSYS建立模 型 。齿轮齿条的有限元计算模型如图1所示 。齿 轮齿条的实际尺寸较大，为了减小计算量并保证足 够的计算精度，本文采用一对齿啮合接触的模型， 并加以适当的约束来模拟齿轮齿条啮合接触的实 际情况。模型采用 Solid95单元划分网格，在接触 部位和齿根部位对网格进行加密，接触面上分别采 用 Targe170和 Conta174设置接触对。 图 1 齿轮齿条有限元模型 1．2 齿轮齿条的约束和载荷设置 本文选取预压状态下的载荷对齿轮齿条的受 力状态进行分析。平台预压时升降系统所承受的 载荷为 10 651t，此时单个升降齿轮所承受的载荷 为 295．86t。平台的载荷是通过齿轮与齿条啮合 传递的，计算时采用约束齿轮，在齿条上端面施加 载荷的方法。如图 2所示，将齿轮安装孔表面设置 为固定约束，考虑轮齿的旋转对称性，在 1，2面(被 s符号围起来的2个面)上分别施加对称约束；齿 收稿 日期：2009—10—19 作者简介：樊敦秋(1968一)，男，山东 日照人，胜利石油管理局钻井工艺研究院高级工程师，主要从事海洋工程的设计与研究工作。 2010年3月 中国制造业信息化 第39卷 第5期 条右端面(A17)约束 ，z方向的位移，齿条上端面 (A18)施加如箭头方向的均布压力。 图2 施加于齿轮齿条上的载荷与约束 1．3 齿轮齿条有限元计算结果 采用有限元软件 ANSYS，对预压状态下的齿 轮齿条进行静态啮合分析。齿轮齿条的应力分布 如 图3和图4所示。 图 3 齿条上的应 力分布 图3为齿条上的应力分布，从图上可以看出， 齿条上的最大应力发生在与齿轮相接触的位置，接 触面上的最大应力为 1 440MPa，位于接触区域的 两端。齿条齿根应力也较大，图3中齿条上端齿根 主要受压应力影响，最大弯曲应力为460MPa，齿 条下端齿根主要受拉应力影响，最大弯曲应力为 300MPa，因此齿条承受压应力一侧的齿根弯曲应 力较大。 齿轮上的应力分布如图4所示，齿轮上的最大 应力也发生在与齿条相接触的位置。最大接触应 力为 691MPa，也位于接触区域的两端。齿根部位 也是齿轮上应力较大的部位，齿轮齿根弯曲应力的 分布规律也和齿条一致，受拉侧齿根(图4(a)中上 端齿根)弯曲应力较小，为 603MPa，受压侧齿根 (图 4(b)中上端齿根)弯曲应力较大，为737MPa。 ⋯ ⋯⋯ ⋯ ～ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯⋯ ⋯⋯～⋯一 一再jfijI⋯ 一 _ ■一 w 一■_ 葛 雨