李 鵬 牟新明 何進前 徐小鵬

（1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心 寶雞721000）

引 言

三滾筒錨機主要適用于500～1 200 m作業(yè)水深的半潛式鉆井平臺，采用懸鏈線系泊方式對平臺進行定位［1］，布置在平臺的4個角，通過調(diào)節(jié)鋼絲繩的負載來達到平臺定位的目的，是半潛式鉆井平臺在海上定位作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。目前，全世界半潛式鉆井平臺配套的錨機基本由國外少數(shù)公司所壟斷。隨著我國半潛式鉆井平臺數(shù)量的日益增多，加大研究和開發(fā)平臺配套用錨機就顯得尤為必要，三滾筒錨機可提供更大的拉力和更多的容繩量，適應(yīng)更深的作業(yè)水域。該項目的研究對我國今后半潛式平臺的配套工作及形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品具有非常重要的意義。

1 技術(shù)分析

1.1 總體方案及工作原理

該錨機采用雙配置結(jié)構(gòu)，即1套動力裝置和傳動裝置，驅(qū)動2套滾筒執(zhí)行機構(gòu)工作進行錨泊定位，達到一機兩用的效果。相比2臺錨機來說，該錨機安裝空間小，經(jīng)濟性能更加優(yōu)越。如圖1所示，1套執(zhí)行機構(gòu)主要由3個滾筒構(gòu)成，錨纜在前2個摩擦滾筒上纏繞，滾筒和錨纜之間的摩擦力可以吸收掉大部分錨纜張力，錨纜纏繞到第3個滾筒上進行儲存，其上的張力值保持在穩(wěn)定的范圍。

圖1 三滾筒錨機總體結(jié)構(gòu)

2個摩擦滾筒負責(zé)錨纜的拉力張緊控制，從而使整臺錨機可在容繩量最大的情況下，使錨機拉力盡可能大。

整臺錨機主要分為兩大部分：雙滾筒摩擦絞車和儲存絞車。

1.1.1 雙滾筒摩擦絞車工作原理

雙滾筒摩擦絞車的工作原理圖如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)采用“單電機+單減速箱+雙離合器+雙齒輪副+雙滾筒”傳動形式。變頻電機將動力通過鼓形齒聯(lián)軸器傳至減速箱輸入端，經(jīng)減速箱減速增扭后輸出，經(jīng)牙嵌離合器掛合（左、右兩端牙嵌離合器互鎖控制，左邊掛合時，右邊脫開或右邊掛合時，左邊脫開）后輸送給開式齒輪副帶動前、后滾筒實現(xiàn)鋼絲繩和錨的收、放作業(yè)。

圖2 三滾筒錨機原理圖

1.1.2 儲存絞車工作原理

變頻電機經(jīng)過CR斜齒減速箱減速增扭后，通過鏈條將動力傳遞到滾筒上，滾筒前端安裝有強制排繩裝置，儲存絞車與前面的雙滾筒摩擦絞車相配合，用于存儲錨纜。

1.2 主要技術(shù)指標

本文以巴西ENSCO 6000半潛式鉆井平臺配套的錨機為例，主要技術(shù)參數(shù)如下：

高速檔：

鋼絲繩拉力810 kN，鋼絲繩速度30 m/min；

低速檔：

鋼絲繩拉力1 700 kN，鋼絲繩速度15 m/min，剎車力2×2 750 kN。

滾筒容量：3 500 m；

拉力（第一層）：25 kN；

剎車力：100 kN。

1.3 技術(shù)特點

摩擦絞車采用雙滾筒結(jié)構(gòu)，鋼絲繩前出繩與錨相連，產(chǎn)生很大的拉力，鋼絲繩經(jīng)過在兩滾筒之間進行纏繞，鋼絲繩的拉力迅速下降后，傳遞到后面的儲存絞車上，進行存儲。這種機構(gòu)設(shè)計很好地避開了普通滾筒式錨機既要儲存大量鋼絲繩又要產(chǎn)生很大拉力的弊端，后面儲存絞車只起到存儲鋼絲繩的作用，不承受很大的載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單。

2 主參數(shù)及關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 主參數(shù)計算

錨機功率計算

（1）錨機有效功率Pe

（2）傳動效率

根據(jù)傳動原理圖和設(shè)計手冊及相關(guān)產(chǎn)品樣本計算總效率：η總= 0.75。

（3）錨機配備功率P

考慮到留有一定余量，配備電機功率為630 kW，最終選取ABB交流變頻電機M3BP-450LA，電機額定轉(zhuǎn)速n電=994 r/min，額定轉(zhuǎn)矩T電=6 052 N·m。

（4）確定傳動比

總傳動比i總

高速檔鋼絲繩線速度30 m/min，轉(zhuǎn)換為滾筒速度n滾筒高=5.55 r/min，低速檔鋼絲繩線速度15 m/min，轉(zhuǎn)換為滾筒速度n滾筒低=2.77 r/min。

（5）根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸初定齒數(shù)z1（17）、z2（80），確定齒輪傳動比

（6）確定減速箱的減速比

（7）校核拉力扭矩

高速檔：

式中：D筒為摩擦滾筒直徑。

低速檔：

經(jīng)計算，拉力滿足使用要求。

2.2 減速機構(gòu)設(shè)計

減速機構(gòu)是整臺錨機中重要環(huán)節(jié)，根據(jù)錨機低速重載、及需要兩種不同的檔位的特點，設(shè)計減速箱為兩檔減速箱，并與大小齒輪配合構(gòu)成整個減速機構(gòu)，具體傳動原理圖如圖2所示。

2.3 摩擦滾筒設(shè)計

雙滾筒摩擦錨機中，兩摩擦滾筒在整臺錨機工作中承受巨大載荷，因此摩擦滾筒設(shè)計是關(guān)鍵。鋼絲繩纏繩方式如圖3所示，在兩個滾筒之間進行纏繞后，鋼絲繩拉力迅速衰減，兩端張力F1（繞入端），F(xiàn)2（繞出端）可按歐拉公式進行計算［2-3］：

圖3 摩擦絞車纏繩方式

滾筒體是一個鑄鋼件，在工作中由出繩拉力對滾筒壁造成的載荷主要有彎矩、扭矩和纏緊鋼絲繩對筒壁的外壓力。而前兩種載荷對滾筒所產(chǎn)生的應(yīng)力非常小（不及后者的10%），因此在計算時可忽略不計［4］，滾筒在鋼絲繩所受支持負載5 500 kN時，受力最大，由歐拉公式計算此時鋼絲繩拉力為：

B滾筒的第一個繩槽分別受F1和F2兩個作用力，考慮設(shè)計安全性，鋼絲繩按高拉力對滾筒進行壓力計算：

依此類推，分別計算出A滾筒和B滾筒各繩槽所受應(yīng)力，見表1。

表1 摩擦滾筒各繩槽所受應(yīng)力MPa

將各繩槽所受壓力施加到滾筒后，經(jīng)有限元分析計算得摩擦滾筒的應(yīng)力分布圖［5-6］（如圖4所示），其中的最大應(yīng)力為155 MPa，再考慮到實際制造中添加的加強筋，故摩擦滾筒強度滿足要求。

圖4 B摩擦滾筒應(yīng)力分布

2.4 帶式剎車設(shè)計

帶式制動器采用16 mm厚Q690鋼板經(jīng)過滾壓機卷壓制成，其主要設(shè)計參數(shù)為：

剎車帶材料 ：Q690（σs：690 MPa）

帶厚δ：16 mm

剎車轂直徑D轂：1 950 mm

剎帶包角α：1.667 π

剎帶寬度b：250 mm

剎車塊摩擦系數(shù)μ：0.35

e：自然對數(shù)的底數(shù)

制動扭矩：

圓周力：

剎帶死端拉力由歐拉公式計算：

剎車帶拉應(yīng)力校核：

由于δ＜690×0.95，即420.5 MPa＜655.5 MPa（0.95為計算系數(shù)），所以，剎車帶強度校核通過。

2.5 儲存絞車設(shè)計

儲存絞車的主要工作是存儲從摩擦絞車出來的大量鋼絲繩，相對于摩擦絞車，儲存絞車拉力較小而滾筒結(jié)構(gòu)尺寸非常大，因此，摩擦絞車的滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計是其關(guān)鍵。

已知參數(shù)：

鋼絲繩直徑d82.6 mm

滾筒容繩量 3 500 m

每層排繩圈數(shù)n33圈

滾筒底徑：

式 中：16為鋼絲繩彎曲系數(shù)。

將式（6）中的D0值圓整（即取D0=1 325 mm），再對各層繩索按相互正疊考慮，滾筒纏繩各層直徑按公式（7）進行計算：

第1層D1=D0+d=1 325+82.6 =1 407.6 mm

第2層D2=D0+3d=1 325+3×82.6 =1 572.8 mm

第3層D3=D0+5d=1 325+5×82.6 =1 738 mm

第4層D4=D0+7d=1 325+7×82.6 =1 903.2 mm

第5層D5=D0+9d=1 325+9×82.6 =2 068.4 mm

第6層D6=D0+11d=1 325+11×82.6 =2 233.6 mm

第7層D7=D0+13d=1 325+13×82.6 =2 398.8 mm

第8層D8=D0+15d=1 325+15×82.6 =2 564 mm

第9層D9=D0+17d=1 325+17×82.6 =2 729.2 mm

第10層D10=D0+19d=1 325+19×82.6 =2 894.4 mm

第11層D11=D0+21d=1 325+21×82.6 =3 059.6 mm

第12層D12=D0+23d=1 325+23×82.6 =3 224.8 mm

第13層D13=D0+25d=1 325+25×82.6 =3 390 mm

第14層D14=D0+27d=1 325+27×82.6 =3 555.2 mm

容繩量：

可見，滾筒纏繩14層即可滿足容繩量要求。

繩槽節(jié)距：

滾筒開檔：

3 結(jié) 論

（1）雙滾筒摩擦絞車和儲存絞車配合使用，最大額定拉力1 700 kN，容繩量3 500 m，通過關(guān)鍵傳動系統(tǒng)的計算和關(guān)鍵件的有限元分析計算，證明整個錨機設(shè)計合理。

（2）半潛式鉆井平臺上配套的錨機基本由國外少數(shù)公司所壟斷，三滾筒錨機的研制打破了國外公司的壟斷，對我國今后半潛式平臺的配套工作及形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品具有非常重要的意義。

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