(中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司,天津 300450)

海洋石油113 FPSO上布置有三臺(tái)國(guó)產(chǎn)吊機(jī)，該類型的吊機(jī)是專門為海洋石油行業(yè)設(shè)計(jì)制造的特殊海洋起重機(jī)。為了滿足FPSO日常吊裝工作，該類型吊機(jī)的副鉤作業(yè)半徑達(dá)到51.3 m，吊臂長(zhǎng)達(dá)55 m，回轉(zhuǎn)減速箱采用了當(dāng)時(shí)國(guó)際主流的液壓回轉(zhuǎn)行星減速箱。吊臂的長(zhǎng)度的過(guò)長(zhǎng)，吊車的回轉(zhuǎn)慣性矩隨之增大，因此給吊車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)增加了負(fù)擔(dān)，限當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)技術(shù)力量和生產(chǎn)條件，回轉(zhuǎn)減速箱部分設(shè)計(jì)并未到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，部分減速箱附件的現(xiàn)場(chǎng)可操作性差，造成了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)回轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)維護(hù)的局限性。而且，F(xiàn)PSO吊車使用頻率較高，工況比較惡劣，維護(hù)操作不便，致使吊車回轉(zhuǎn)箱故障屢有發(fā)生，影響了油田生產(chǎn)生活。

1 行星回轉(zhuǎn)減速箱的組成和原理

FPSO吊車采用的是雙回轉(zhuǎn)減速箱，兩套回轉(zhuǎn)減速箱完全一致且運(yùn)行的時(shí)候保持同步，回轉(zhuǎn)減速箱的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 液壓行星減速箱示意

回轉(zhuǎn)減速箱工作時(shí)，剎車油充進(jìn)剎車油缸，剎車片松開，液壓馬達(dá)通過(guò)輸入軸帶動(dòng)一級(jí)行星輪旋轉(zhuǎn)，一級(jí)3個(gè)行星輪組裝在行星架上與一級(jí)的太陽(yáng)輪相連，運(yùn)動(dòng)通過(guò)行星架傳遞到二級(jí)的太陽(yáng)輪，二級(jí)的太陽(yáng)輪又將運(yùn)動(dòng)傳遞給二級(jí)的3個(gè)行星輪，運(yùn)動(dòng)沿著此機(jī)構(gòu)依次往下傳遞，總共通過(guò)三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的減速[1]，直到輸出的齒輪軸與回轉(zhuǎn)齒條嚙合，運(yùn)行時(shí)兩個(gè)回轉(zhuǎn)減速箱通過(guò)調(diào)整剎車油充油時(shí)間來(lái)保持同步性。

2 回轉(zhuǎn)減速箱故障的原因

行星減速箱是一種常見的減速機(jī)構(gòu)，應(yīng)用在重載的環(huán)境場(chǎng)合，液壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩完全加載在行星減速箱上，吊車日常使用過(guò)程中頻繁的回轉(zhuǎn)、啟停和換向，都會(huì)對(duì)行星減速箱造成沖擊和磨損，因此潤(rùn)滑油需要充滿整個(gè)行星減速箱內(nèi)部。但是原回轉(zhuǎn)減速箱加油液位標(biāo)識(shí)不直觀，加油口過(guò)小、加油困難，在監(jiān)護(hù)不到位的情況下容易造成回轉(zhuǎn)行星減速機(jī)一級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間缺油運(yùn)行。而一級(jí)減速機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑不良后，作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滾針之間的干摩擦?xí)斐蓾L針崩斷，脫離原先位置，掉落到下一級(jí)回轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)內(nèi)部，造成下一級(jí)行星輪齒輪等運(yùn)動(dòng)部件卡死，致使行星減速箱故障，使吊機(jī)無(wú)法正常工作。維護(hù)時(shí)常采取定期拆檢、按時(shí)加油的方式，但這種維護(hù)方式并沒(méi)有消除故障隱患。

3 回轉(zhuǎn)減速箱改造方法

對(duì)海洋石油113吊機(jī)回轉(zhuǎn)齒輪箱減速箱的升級(jí)改造主要從潤(rùn)滑和滾針傳動(dòng)兩個(gè)方面切入。改善減速箱內(nèi)部齒輪的潤(rùn)滑狀況以及第一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸承傳動(dòng)方式，從而減少回轉(zhuǎn)減速箱的故障率，因此對(duì)回轉(zhuǎn)減速箱改造的重點(diǎn)主要集中在以下3個(gè)方面。

3.1 潤(rùn)滑油加油透氣系統(tǒng)的升級(jí)改造

潤(rùn)滑油加油透氣系統(tǒng)升級(jí)改造的關(guān)鍵之一是回轉(zhuǎn)箱在運(yùn)行的過(guò)程產(chǎn)生熱量后，保證內(nèi)部齒輪油體積膨脹后順利地呼吸和散熱，并且具有直觀的油位觀察裝置和快速的加油裝置。原透氣系統(tǒng)采用單向呼吸閥，透氣孔小，容易被雜物堵塞，在夏季高溫吊車連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生高溫潤(rùn)滑油膨脹超壓從單向呼吸閥噴射出的危險(xiǎn)情況。參考現(xiàn)有設(shè)計(jì)，本次升級(jí)改造去除了單向呼吸閥，增設(shè)滑油散熱筒并且加不銹鋼透氣帽進(jìn)行緩沖，將新型的滑油散熱筒改進(jìn)為廣口透氣裝置，蓋子上面加不銹鋼透氣帽，不容易堵塞，同時(shí)利于滑油的散熱。原潤(rùn)滑油液位計(jì)不直觀，觀察液位時(shí)需要打開筒蓋進(jìn)行俯視，還需要借助手電和鐵絲等輔助工具，油位高了，容易超壓噴出;油位低了，一級(jí)行星減速齒輪潤(rùn)滑不充分。升級(jí)后改為亞克力透明液位計(jì)任何角度都能觀察潤(rùn)滑油位，非常方便。見圖2、3。

圖2 原設(shè)計(jì)的呼吸閥和注油油位觀察裝置

圖3 設(shè)計(jì)改造后呼吸帽和注油油位觀察裝置

3.2 第一級(jí)行星輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承的升級(jí)改造

第一級(jí)行星輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承的升級(jí)改造另一個(gè)關(guān)鍵是減速箱第一級(jí)行星輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滾針損壞后不能脫離原來(lái)的位置散落到第二級(jí)的行星輪中間，不會(huì)造成卡死、崩齒等影響減速箱運(yùn)行的故障；升級(jí)改造后傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更改為滾針軸承，最大特點(diǎn)是在滾針的外圈增加了保持架，從安裝方式來(lái)看滾針是分散安裝，而滾針軸承是帶保持架整體安裝，即使發(fā)生損壞，滾針軸承不再會(huì)軸向移動(dòng)脫離原先的位置。參考國(guó)際上的設(shè)計(jì)，決定采用進(jìn)口的滾針軸承代替原先的滾針，見圖4。

圖4 滾針和滾針軸承的對(duì)比(圖片摘自互聯(lián)網(wǎng))

3.3 第一級(jí)行星輪數(shù)量升級(jí)改造

第一級(jí)行星輪升級(jí)改造第三個(gè)關(guān)鍵是減速箱第一級(jí)行星輪機(jī)構(gòu)在不改變?cè)械慕涌诤统叽绱笮〉那闆r下對(duì)其第一級(jí)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。對(duì)第1級(jí)行星齒輪重新布局，將原有的第一級(jí)3個(gè)行星齒輪的布局改變?yōu)?個(gè)行星齒輪的布局，原第一級(jí)行星輪只有3個(gè)在360°的平面內(nèi)均布，由于吊車扒桿自重大，加上吊重以及啟停的沖擊，沖擊力集中到3個(gè)行星輪上，先造成行星齒輪定位卡環(huán)斷裂，然后是滾針崩碎，再掉入齒輪箱底部造成下一級(jí)嚙合齒輪卡死，由于齒輪箱底部存在潤(rùn)滑油泄放的盲區(qū)，要清理崩碎的滾針需要將整個(gè)齒輪箱解體，工作量非常大。升級(jí)后的4個(gè)行星輪的結(jié)構(gòu)比3個(gè)行星輪受力更加平衡，每個(gè)行星輪以及行星架的受力減少，增加了其壽命，減少了沖擊損壞的幾率，見圖5、6。

1-行星輪;2-行星架圖5 改造前后一級(jí)行星輪設(shè)計(jì)對(duì)比

圖6 改造前后設(shè)計(jì)受力分析

以行星架的一段為固定端，行星輪端加載2倍額定載荷，可以看出行星輪由3個(gè)改變?yōu)?個(gè)，行星架的應(yīng)力集中區(qū)明顯減少，增強(qiáng)了整個(gè)行星架的使用壽命[2]。

行星輪由3個(gè)增加到4個(gè)后，整個(gè)行星減速箱的數(shù)比發(fā)生了變化，回轉(zhuǎn)行星減速箱采用的是三級(jí)行星減速箱，根據(jù)傳動(dòng)齒輪副的計(jì)算公式進(jìn)行齒輪傳動(dòng)比計(jì)算[3]。

改造前回轉(zhuǎn)減速箱速比計(jì)算如下。

第一級(jí)傳動(dòng)比

第二級(jí)傳動(dòng)比

第三級(jí)傳動(dòng)比

na——太陽(yáng)輪a轉(zhuǎn)速;

nb——內(nèi)齒圈b轉(zhuǎn)速;

nH——行星架H轉(zhuǎn)速;

za——太陽(yáng)輪a齒數(shù);

zb——內(nèi)齒圈b齒數(shù)。

各齒輪的基本參數(shù)見表1。

表1 改造前各齒輪基本參數(shù)

注：齒輪a為第三級(jí)太陽(yáng)輪(三)；齒輪c第三級(jí)為行星輪(三)；齒輪b第三級(jí)為內(nèi)齒圈(三)；齒輪a1為第二級(jí)太陽(yáng)輪(二)；齒輪c1為第二級(jí)行星輪(二)；齒輪b1為第二級(jí)內(nèi)齒圈(二)；齒輪a2為第一級(jí)太陽(yáng)輪(一)；齒輪c2為第一級(jí)行星輪(一)；齒輪b2為第一級(jí)內(nèi)齒圈(一)。

因?yàn)閮?nèi)齒圈是固定的，所以有

nb=nb1=nb2=0

因?yàn)樘?yáng)輪和行星架是同軸傳動(dòng)，所以有

nH=na1nH1=na2

第一級(jí)傳動(dòng)比,太陽(yáng)輪a 傳動(dòng)到行星架H的數(shù)比為

第二級(jí)傳動(dòng)比,太陽(yáng)輪a1傳動(dòng)到行星架H1的數(shù)比為

第三級(jí)傳動(dòng)比,太陽(yáng)輪a2傳動(dòng)到行星架H2的數(shù)比為

即總傳動(dòng)比i=3.22×6.75×6.75=146.8，第一級(jí)傳動(dòng)比為3.22，第二級(jí)傳動(dòng)比為6.75,第三級(jí)傳動(dòng)比為6.75。

改造后的傳動(dòng)比計(jì)算如下。

各齒輪的基本參數(shù)見表2。

其中：

表2 改造后各齒輪的基本參數(shù)

注：齒輪a為第三級(jí)太陽(yáng)輪(三)；齒輪c第三級(jí)為行星輪(三)；齒輪b第三級(jí)為內(nèi)齒圈(三)；齒輪a1為第二級(jí)太陽(yáng)輪(二)；齒輪c1為第二級(jí)行星輪(二)；齒輪b1為第二級(jí)內(nèi)齒圈(二)；齒輪a2為第一級(jí)太陽(yáng)輪(一)；齒輪c2為第一級(jí)行星輪(一)；齒輪b2為第一級(jí)內(nèi)齒圈(一)。

nb=nb1=nb2=0nH=na1nH1=na2

第一級(jí)傳動(dòng)比，太陽(yáng)輪a傳動(dòng)到行星架H的數(shù)比為

第二級(jí)傳動(dòng)比，太陽(yáng)輪a1傳動(dòng)到行星架H1的數(shù)比為

第三級(jí)傳動(dòng)比，太陽(yáng)輪a2傳動(dòng)到行星架H2的數(shù)比為

所以，改造后的吊車回轉(zhuǎn)行星減速箱比改造前輸出速度減緩了4.3%，速度誤差小于等于10%，在可接受范圍內(nèi)。

4 升級(jí)改造后參數(shù)以及優(yōu)點(diǎn)對(duì)比

1)回轉(zhuǎn)行星減速箱第一級(jí)減速機(jī)構(gòu)升級(jí)前和升級(jí)后主要改造項(xiàng)目參數(shù)對(duì)比，見表3。

2)升級(jí)前后的改造項(xiàng)目，以及優(yōu)點(diǎn)，見表4。

表3 第一級(jí)減速機(jī)構(gòu)升級(jí)前后對(duì)比

5 回轉(zhuǎn)行星減速箱第一級(jí)減速機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)和應(yīng)用效果

為了確?，F(xiàn)場(chǎng)改造的順利進(jìn)行，在設(shè)計(jì)制造的過(guò)程中必須注意以下兩個(gè)方面。

1)增加的零部件外形尺寸不影響原有安裝空間。

2)升級(jí)改造部分采用的是接口式設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)不做任何更改直接更換安裝。

改造的過(guò)程中，盡量避免涉及熱工以及冷工作業(yè)，所有新的部件在廠內(nèi)完成制造并驗(yàn)收合格，確保改造的成功率。

在海洋石油113上2#吊機(jī)上進(jìn)行回轉(zhuǎn)減速箱第一級(jí)改造工作工程中，每臺(tái)總計(jì)安裝時(shí)間不超過(guò)4 h，快速接口的設(shè)計(jì)應(yīng)用大大節(jié)約了升級(jí)改

表4 升級(jí)前后改造項(xiàng)目以及優(yōu)點(diǎn)

造時(shí)間，并且整個(gè)改造過(guò)程中沒(méi)有涉及到熱工作業(yè)，改造后整個(gè)吊車的回轉(zhuǎn)速度經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算大約減慢了3 s/圈，速度在可控范圍內(nèi)，速度的變化不影響整體使用[6]，回轉(zhuǎn)減速箱整體升級(jí)后，使用效果良好，減少了吊機(jī)回轉(zhuǎn)齒輪箱故障幾率，提高了吊機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。在進(jìn)行升級(jí)改造的同時(shí)，也對(duì)整個(gè)回轉(zhuǎn)箱進(jìn)行了拆檢和清潔，等同于返廠大修，為海上生產(chǎn)生活提供了有效的保障。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3卷.5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[2] 張勝民.基于有限元軟件ANSYS 7.0的結(jié)構(gòu)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3卷.5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[4] 張松林.軸承手冊(cè),第一版[M].江西:江西科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[5] 中國(guó)船級(jí)社.船舶與海上設(shè)施起重規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[6] 張質(zhì)文,王金諾,程文明,等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè),第二版,上卷[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2013.