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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng):
面向自升式海洋鉆井平臺(tái)的行星傳動(dòng)齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)
小類(lèi):
機(jī)械與控制
簡(jiǎn)介:
傳統(tǒng)自升式海洋鉆井平臺(tái)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(jiǎn)、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(tái)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(jí)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(tái)的載荷轉(zhuǎn)換。
詳細(xì)介紹:
海洋石油鉆井平臺(tái)主要有自升式鉆井平臺(tái)、半潛式鉆井船、浮式鉆井船等。自升式海洋鉆井平臺(tái)工作區(qū)域?yàn)榭拷懙氐难睾R粠?,工作水深較淺。 自升式海洋鉆井平臺(tái)由平臺(tái)、支腿以及爬升機(jī)構(gòu)組成,平臺(tái)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(tái)也稱(chēng)齒輪-齒條式升降平臺(tái),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(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降。液壓升降平臺(tái)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(chē)之間也可以由液壓系統(tǒng)來(lái)完成。但是液壓系統(tǒng)升降平臺(tái)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(tái)相比處于劣勢(shì),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(duì)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(tái)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(jí)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(tái)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(jiǎn)、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(tái)的設(shè)計(jì)分為新型多級(jí)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(jí)串行行星齒輪減速器 作品使用有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型多級(jí)串行行星齒輪減速器,采用三級(jí)行星輪系及兩級(jí)平行軸輪系傳動(dòng),傳動(dòng)比達(dá)5400,相對(duì)于現(xiàn)有的海洋鉆井平臺(tái)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(duì)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(tái)的爬升作業(yè)過(guò)程,同樣適用于貨場(chǎng)起重設(shè)備,其中,該新型多級(jí)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(jí)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(guó)家專(zhuān)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(jí)串行行星減速器 目前,在自升式海洋鉆井平臺(tái)爬升機(jī)構(gòu)中使用的行星減速器大都采用直線(xiàn)形結(jié)構(gòu),若和原動(dòng)機(jī)相連,則沿軸線(xiàn)方向需要較大的安裝空間,且若要上下并排安裝多臺(tái)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(lái)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(jí)串行行星齒輪減速器 作品使用有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型多級(jí)串行行星齒輪減速器,該減速器采用三級(jí)行星輪系及兩級(jí)平行軸輪系傳動(dòng),相對(duì)于現(xiàn)有的海洋鉆井平臺(tái)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(tái)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(jí)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(jí)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(xiàn)和輸出軸線(xiàn)間的位置,輸入軸、輸出軸線(xiàn)間具有一定的距離、又保持相互平行;可以有效解決多臺(tái)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(lái)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)。可以用于設(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(jiǎn)潔,鎖緊更加穩(wěn)固,平臺(tái)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(duì)位,退出時(shí)通過(guò)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(shí)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(guó)產(chǎn)第一套自主創(chuàng)新的現(xiàn)代海洋石油鉆井平臺(tái)高性能傳動(dòng)齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)。

作品圖片

  • 面向自升式海洋鉆井平臺(tái)的行星傳動(dòng)齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)
  • 面向自升式海洋鉆井平臺(tái)的行星傳動(dòng)齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)
  • 面向自升式海洋鉆井平臺(tái)的行星傳動(dòng)齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)
  • 面向自升式海洋鉆井平臺(tái)的行星傳動(dòng)齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)
  • 面向自升式海洋鉆井平臺(tái)的行星傳動(dòng)齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)

作品專(zhuān)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(tái)的設(shè)計(jì)思路和方法,提高我國(guó)自升式海洋鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)水平,使我國(guó)早日具備有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自升式海洋鉆井平臺(tái)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(tái)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(duì)自升式海洋鉆井平臺(tái)爬升與鎖緊系統(tǒng)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)出新型多級(jí)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(tái)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(shí)產(chǎn)權(quán)的新型多級(jí)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(tái)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(tái)相比,新型齒輪-齒條自升式海洋鉆井平臺(tái)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(jiǎn)、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(jí)串行行星齒輪減速器采用三級(jí)行星傳動(dòng)與兩級(jí)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)帶來(lái)全新的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和演示手段,縮短開(kāi)發(fā)周期、節(jié)約開(kāi)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(jìng)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(jìng)賽”由共青團(tuán)湖北省委、湖北省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、湖北省教育廳、湖北省學(xué)生聯(lián)合會(huì)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(zhuān)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(chǎng)演示;圖片

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

本作品經(jīng)過(guò)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(kāi)發(fā)周期,提高了設(shè)計(jì)效率。 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì):自行設(shè)計(jì)的多級(jí)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(jí)串行行星齒輪減速結(jié)合齒輪齒條機(jī)構(gòu)完成對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到爬升機(jī)構(gòu)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換,具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。 市場(chǎng)分析:由于能源戰(zhàn)略需要,世界各國(guó)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(tái)日租金為20多萬(wàn)美元,深海鉆井平臺(tái)的日租金已升至50-60多萬(wàn)美元。因此,海工設(shè)備尤其是海洋鉆井平臺(tái)的市場(chǎng)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(zhǎng)。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè):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(wàn)歐元,折合人民幣300萬(wàn)元,而通過(guò)預(yù)估,該設(shè)計(jì)方案研制的減速器成本可控制在200萬(wàn)元人民幣以?xún)?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(lè)觀(guān)。

同類(lèi)課題研究水平概述

目前,海洋鉆井平臺(tái)主要有自升式海洋鉆井平臺(tái)、半潛式鉆井船、浮式鉆井船等。自升式海洋鉆井平臺(tái)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(tái)的工作水深不斷提高。2003年建成的Rowan“波勃. 帕爾麥號(hào)”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(tái)。 然而,與國(guó)際上先進(jìn)的自升式海洋鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)制造技術(shù)相比,我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)還顯得十分落后。 我國(guó)自升式海洋鉆井平臺(tái)發(fā)展的主要差距:我國(guó)對(duì)于自升式海洋鉆井平臺(tái)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(guó)外進(jìn)口,并為此支付高昂的費(fèi)用。我國(guó)設(shè)計(jì)的自升式海洋鉆井平臺(tái)作業(yè)深度在80m以下,作業(yè)對(duì)象均為淺海油氣田,與國(guó)際主流的120m作業(yè)深度差距明顯。 我國(guó)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(tái)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(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)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(tái)的設(shè)計(jì)和制造的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)等。 付勤業(yè)[1]對(duì)海洋石油931鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)進(jìn)行了分析,指出海洋石油931鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)采用了齒輪齒條結(jié)構(gòu),但僅采用單級(jí)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(tái)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(jiǎn)單和易對(duì)井位的優(yōu)點(diǎn)。大連理工大學(xué)李金澎[3]對(duì)海洋鉆井平臺(tái)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(duì)齒輪建模,并借助該軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某海洋鉆井平臺(tái)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(tái)升降系統(tǒng)的分析[J].中國(guó)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(tái)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.
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