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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 面向自升式海洋鉆井平臺的行星傳動(dòng)齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 傳統(tǒng)自升式海洋鉆井平臺采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)，該系統(tǒng)體積龐大、后期維護(hù)復(fù)雜、難以適應(yīng)惡劣的海洋作業(yè)環(huán)境；作品采用齒輪齒條傳動(dòng)方式，使系統(tǒng)機(jī)構(gòu)精簡、運(yùn)行精度高、維護(hù)方便。 本作品是一種面向自升式海洋鉆井平臺的行星傳動(dòng)齒輪齒條式爬升與鎖緊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出多級串行行星齒輪減速器與具有自動(dòng)調(diào)整及自動(dòng)復(fù)位功能的鎖緊裝置，很好地實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)裝置的扭矩輸出以及平臺的載荷轉(zhuǎn)換。
- 詳細(xì)介紹：
- 海洋石油鉆井平臺主要有自升式鉆井平臺、半潛式鉆井船、浮式鉆井船等。自升式海洋鉆井平臺工作區(qū)域?yàn)榭拷懙氐难睾Ｒ粠Вぷ魉钶^淺。 自升式海洋鉆井平臺由平臺、支腿以及爬升機(jī)構(gòu)組成，平臺可沿支腿升降。其中，爬升機(jī)構(gòu)按動(dòng)力源形式一般可分為電動(dòng)升降裝置和液壓升降裝置。電動(dòng)升降平臺也稱齒輪-齒條式升降平臺，它采用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)力，利用減速器將轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳動(dòng)到攀爬齒輪上，由多個(gè)嚙合于支腿齒條上的攀爬齒輪的同時(shí)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)平臺的升降。液壓升降平臺則采用電動(dòng)機(jī)-液壓泵-液壓馬達(dá)的傳動(dòng)方式。升降時(shí)，液壓系統(tǒng)可以緩沖各馬達(dá)負(fù)載的不均衡，支腿升降與剎車之間也可以由液壓系統(tǒng)來完成。但是液壓系統(tǒng)升降平臺存在一些不可避免的缺點(diǎn)，與新型的齒輪-齒條式爬升系統(tǒng)平臺相比處于劣勢，主要可分為以下幾點(diǎn)： 1)需要獨(dú)立的液壓泵站和鋪設(shè)大量的液壓管路，占據(jù)空間大，且容易產(chǎn)生油液泄漏，污染工作環(huán)境； 2)體積相對龐大、臃腫，相比采用齒輪-齒條結(jié)構(gòu)的電動(dòng)系統(tǒng)升降平臺的移動(dòng)性較差； 3)油液在壓力作用下體積發(fā)生變化，或因?yàn)橛鸵盒孤┑仍驅(qū)е孪到y(tǒng)控制精度低。 本作品采用了多級串行行星齒輪減速結(jié)合齒輪—齒條機(jī)構(gòu)作為自升式海洋鉆井平臺爬升與鎖緊系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該新型的齒輪-齒條式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)作業(yè)環(huán)境整潔； 2)后期維護(hù)保養(yǎng)方便； 3)控制精度高、響應(yīng)快； 4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡、可移動(dòng)性好。 本作品采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將海洋鉆井平臺的設(shè)計(jì)分為新型多級串行行星減速器、齒輪-齒條爬升裝置與鎖緊裝置三個(gè)主要組成部分。其特點(diǎn)如下： 1)大傳動(dòng)比新型多級串行行星齒輪減速器 作品使用有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型多級串行行星齒輪減速器，采用三級行星輪系及兩級平行軸輪系傳動(dòng)，傳動(dòng)比達(dá)5400，相對于現(xiàn)有的海洋鉆井平臺中使用的行星減速器，可獲得更大傳動(dòng)比，并有效地提高了傳動(dòng)效率。 2)自調(diào)節(jié)鎖緊裝置 作品中的鎖緊裝置中采用自行設(shè)計(jì)的自調(diào)節(jié)彈簧復(fù)位裝置。其成本相對較低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能有效地實(shí)現(xiàn)卡爪垂直方向的位置調(diào)節(jié)。 與此同時(shí)，本作品所涉及的原理與方法不僅適用于海洋鉆井平臺的爬升作業(yè)過程，同樣適用于貨場起重設(shè)備，其中，該新型多級串行行星齒輪減速器更可應(yīng)用于多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域（如風(fēng)力發(fā)電）。 作品中新型多級串行行星齒輪減速器及具有自動(dòng)調(diào)節(jié)及復(fù)位功能的鎖緊裝置已申報(bào)國家專利并獲批，該裝置具有較高創(chuàng)新性，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： 1.自行設(shè)計(jì)新型多級串行行星減速器 目前，在自升式海洋鉆井平臺爬升機(jī)構(gòu)中使用的行星減速器大都采用直線形結(jié)構(gòu)，若和原動(dòng)機(jī)相連，則沿軸線方向需要較大的安裝空間，且若要上下并排安裝多臺減速器時(shí)，與之相連的原動(dòng)機(jī)布置、安裝變得極為困難。 為了解決行星減速器和原動(dòng)機(jī)相連在安裝位置空間帶來的局限性，本作品中采用的減速器的創(chuàng)新點(diǎn)在于提供一種傳動(dòng)比大，外形安裝尺寸小的模塊化L型混合式減速器。 該減速器創(chuàng)新點(diǎn)主要有： 1)自行設(shè)計(jì)的多級串行行星齒輪減速器 作品使用有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型多級串行行星齒輪減速器，該減速器采用三級行星輪系及兩級平行軸輪系傳動(dòng)，相對于現(xiàn)有的海洋鉆井平臺中使用的行星減速器，可獲得更大傳動(dòng)比，并有效地提高了傳動(dòng)效率。 與傳統(tǒng)海洋鉆井平臺液壓升降系統(tǒng)相比，本減速器具有尺寸結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、定位精確以及能夠輸出較大扭矩等優(yōu)點(diǎn)。 2)L型減速器外型 模塊化布置的三級行星齒輪系相串聯(lián)保證在盡可能小的徑向尺寸下能夠獲得5400的傳動(dòng)比，具有傳動(dòng)比大的特點(diǎn)。模塊化布置的2級定軸齒輪傳動(dòng)，其作用除了獲得一定傳動(dòng)比以外，主要作用是與行星輪系組成一個(gè)L形的外形，以保證原動(dòng)機(jī)的合理布置；即采用定軸輪系和行星輪系組合（構(gòu)成L形），從而改變整個(gè)輪系組成的減速器的輸入軸線和輸出軸線間的位置，輸入軸、輸出軸線間具有一定的距離、又保持相互平行；可以有效解決多臺行星減速器平行并排安裝時(shí)，給原動(dòng)機(jī)的布置、安裝帶來的不便，充分利用了徑向和軸向空間；在保證傳動(dòng)比大的情況下，具有結(jié)構(gòu)緊湊、外形安裝尺寸小、重量輕的特點(diǎn)?？梢杂糜谠O(shè)備安裝空間不是很大的起重運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的傳動(dòng)系統(tǒng)。 2.自行設(shè)計(jì)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)及自動(dòng)復(fù)位功能的鎖緊裝置 鎖緊裝置具有以下兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)： 1)卡爪齒條鎖緊裝置，具有結(jié)構(gòu)簡潔，鎖緊更加穩(wěn)固，平臺鎖緊操作方便，鎖緊反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。 2)鎖緊裝置的彈簧復(fù)位裝置，鎖緊時(shí)保持卡爪的準(zhǔn)確對位，退出時(shí)通過彈性結(jié)構(gòu)復(fù)位，使得樁腿的齒間受力更加均勻，并能減少卡爪與齒條間的磨損，保證了卡爪與樁腿齒條的壽命。 該研究作品是具有包括自主知識產(chǎn)權(quán)的新型混合式、高效、大功率減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)以及成套裝置，是國產(chǎn)第一套自主創(chuàng)新的現(xiàn)代海洋石油鉆井平臺高性能傳動(dòng)齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.設(shè)計(jì)目的 旨在豐富自升式海洋鉆井平臺的設(shè)計(jì)思路和方法，提高我國自升式海洋鉆井平臺的設(shè)計(jì)水平，使我國早日具備有自主知識產(chǎn)權(quán)的自升式海洋鉆井平臺齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)能力。 2.基本思路 自升式海洋鉆井平臺傳動(dòng)系統(tǒng)體積龐大且造價(jià)較高，我小組采取樣機(jī)試制的方式對自升式海洋鉆井平臺爬升與鎖緊系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出新型多級串行行星減速器、齒輪-齒條爬升裝置、鎖緊裝置三個(gè)重要組成部件，按1：120制造出自升式海洋鉆井平臺靜態(tài)模型以及以1：5的減速器樣機(jī)設(shè)計(jì)制造出相應(yīng)爬升與鎖緊系統(tǒng)物理樣機(jī)，其中減速器傳動(dòng)比仍保持1：1設(shè)計(jì)的5400，為樣機(jī)的運(yùn)行提供足夠大的傳動(dòng)力矩。 3.創(chuàng)新點(diǎn) 1）設(shè)計(jì)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型多級串行行星齒輪減速器，具有高效、大傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)； 2）設(shè)計(jì)出具有自調(diào)整及復(fù)位功能的鎖緊裝置，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)較好地實(shí)現(xiàn)平臺的鎖緊功能。 4.技術(shù)關(guān)鍵 1)多學(xué)科集成的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)； 2)虛擬樣機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。 5.主要技術(shù)指標(biāo) 1)最大爬升高度：2m; 2)最大爬升速度：0.103m/min； 3)減速機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比為：5400。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 與液壓系統(tǒng)升降平臺相比，新型齒輪-齒條自升式海洋鉆井平臺具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)作業(yè)環(huán)境整潔； 2)后期維護(hù)保養(yǎng)方便； 3)控制精度高、響應(yīng)快； 4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡、可移動(dòng)性好。 該作品的科學(xué)性和先進(jìn)性體現(xiàn)在以下方面： 1)自行設(shè)計(jì)的多級串行行星齒輪減速器采用三級行星傳動(dòng)與兩級平行軸傳動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳動(dòng)比大及輸出扭矩大等優(yōu)點(diǎn)，傳動(dòng)比達(dá)5400； 2)自行設(shè)計(jì)的鎖緊裝置具有自動(dòng)調(diào)整及自動(dòng)復(fù)位功能，結(jié)構(gòu)簡潔且能顯著提高系統(tǒng)安全性及可靠性； 3)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，為產(chǎn)品的開發(fā)帶來全新的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和演示手段，縮短開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2009年6月在“湖北省第七屆'挑戰(zhàn)杯?青春在WO'大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”中獲得科技作品特等獎(jiǎng)。 湖北省第七屆'挑戰(zhàn)杯?青春在WO'大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”由共青團(tuán)湖北省委、湖北省科學(xué)技術(shù)協(xié)會、湖北省教育廳、湖北省學(xué)生聯(lián)合會共同舉辦。
作品所處階段
- 成品優(yōu)化階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利部分轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；模型；圖紙；現(xiàn)場演示；圖片
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 本作品經(jīng)過巧妙設(shè)計(jì)，物理樣機(jī)具有結(jié)構(gòu)優(yōu)化、體積小、承載大、調(diào)速方便以及傳動(dòng)比大的特點(diǎn)。虛擬設(shè)計(jì)縮短了開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。 特點(diǎn)與優(yōu)勢：自行設(shè)計(jì)的多級串行行星齒輪減速器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳動(dòng)比大等優(yōu)點(diǎn)并可用于各種不同的工程領(lǐng)域（如風(fēng)力發(fā)電），因而具有廣闊的應(yīng)用前景；采用多級串行行星齒輪減速結(jié)合齒輪齒條機(jī)構(gòu)完成對電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到爬升機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。 市場分析：由于能源戰(zhàn)略需要，世界各國積極向海洋推進(jìn)，海工設(shè)備供不應(yīng)求。目前，一般的鉆井平臺日租金為20多萬美元，深海鉆井平臺的日租金已升至50－60多萬美元。因此，海工設(shè)備尤其是海洋鉆井平臺的市場前景十分看好，其核心傳動(dòng)部件—爬升與鎖緊系統(tǒng)的需求也將快速增長。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測：目前歐美進(jìn)口大型海工設(shè)備上使用的減速器價(jià)格約為30萬歐元，折合人民幣300萬元，而通過預(yù)估，該設(shè)計(jì)方案研制的減速器成本可控制在200萬元人民幣以內(nèi)，并且可用于風(fēng)力發(fā)電、高樓爬升裝置等領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)效益顯著，應(yīng)用前景十分樂觀。
同類課題研究水平概述
- 目前，海洋鉆井平臺主要有自升式海洋鉆井平臺、半潛式鉆井船、浮式鉆井船等。自升式海洋鉆井平臺工作區(qū)域?yàn)榭拷懙氐难睾Ｒ粠?，工作水深較淺。但隨著材料、設(shè)計(jì)與建造水平的不斷進(jìn)步,自升式海洋鉆井平臺的工作水深不斷提高。2003年建成的Rowan“波勃. 帕爾麥號”創(chuàng)下在墨西哥灣168m(550ft)水深工作的記錄,總高度約273m。據(jù)RIGZONE 網(wǎng)站統(tǒng)計(jì),到2002年底全世界共有397座自升式海洋鉆井平臺。 然而，與國際上先進(jìn)的自升式海洋鉆井平臺設(shè)計(jì)制造技術(shù)相比，我國在該領(lǐng)域的技術(shù)還顯得十分落后。 我國自升式海洋鉆井平臺發(fā)展的主要差距：我國對于自升式海洋鉆井平臺的研究自80年代后就處于停滯狀態(tài)，其中主要部件（如減速器、新型傳動(dòng)系統(tǒng)等）需從國外進(jìn)口，并為此支付高昂的費(fèi)用。我國設(shè)計(jì)的自升式海洋鉆井平臺作業(yè)深度在80m以下，作業(yè)對象均為淺海油氣田，與國際主流的120m作業(yè)深度差距明顯。 我國該領(lǐng)域技術(shù)落后主要表現(xiàn)在：較少使用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和最新軟件設(shè)計(jì)手段進(jìn)行自升式海洋鉆井平臺的設(shè)計(jì)；缺乏主要部件的設(shè)計(jì)能力，未使用新型的自升式海洋鉆井平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其作業(yè)功能，整體優(yōu)化力度不夠；缺乏深水鉆井平臺的設(shè)計(jì)和制造的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)等。 付勤業(yè)[1]對海洋石油931鉆井平臺升降系統(tǒng)進(jìn)行了分析，指出海洋石油931鉆井平臺升降系統(tǒng)采用了齒輪齒條結(jié)構(gòu)，但僅采用單級行星齒輪減速器，減速比為2341；同時(shí)，該升降系統(tǒng)中的鎖緊機(jī)構(gòu)不具備調(diào)節(jié)及復(fù)位功能。李文華,張銀東[2]等介紹了自升式海洋石油平臺的液壓升降系統(tǒng)，分析其液壓系統(tǒng)的工作原理及同步平衡控制，并指出齒輪齒條式升降系統(tǒng)具有升降速度快、操作簡單和易對井位的優(yōu)點(diǎn)。大連理工大學(xué)李金澎[3]對海洋鉆井平臺齒輪齒條爬升系統(tǒng)中采用的大模數(shù)齒輪進(jìn)行相關(guān)研究，應(yīng)用ANSYS軟件對齒輪建模，并借助該軟件對國內(nèi)某海洋鉆井平臺升降系統(tǒng)的齒輪齒條嚙合進(jìn)行了有限元分析。 參考文獻(xiàn)： [1] 付勤業(yè).海洋石油931鉆井平臺升降系統(tǒng)的分析[J].中國修船,2009,(01),49 -51. [2] 李文華,張銀東,陳海泉,孫玉清,張敬.自升式海洋石油平臺液壓升降系統(tǒng)分 析[J].液壓與氣動(dòng),2006,(08),23-25. [3] 李金澎.大模數(shù)直齒輪輪齒彎曲強(qiáng)度與齒面接觸研究[D].大連理工大學(xué),200 7.
