FPSO吊車回轉(zhuǎn)行星減速箱升級改造

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

海洋石油113 FPSO上布置有三臺國產(chǎn)吊機，該類型的吊機是專門為海洋石油行業(yè)設(shè)計制造的特殊海洋起重機。為了滿足FPSO日常吊裝工作，該類型吊機的副鉤作業(yè)半徑達到51.3 m，吊臂長達55 m，回轉(zhuǎn)減速箱采用了當時國際主流的液壓回轉(zhuǎn)行星減速箱。吊臂的長度的過長，吊車的回轉(zhuǎn)慣性矩隨之增大，因此給吊車回轉(zhuǎn)機構(gòu)增加了負擔，限當時國內(nèi)技術(shù)力量和生產(chǎn)條件，回轉(zhuǎn)減速箱部分設(shè)計并未到達國際先進水平，部分減速箱附件的現(xiàn)場可操作性差，造成了現(xiàn)場對回轉(zhuǎn)減速機構(gòu)維護的局限性。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行的時候保持同步，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，剎車油充進剎車油缸，剎車片松開，液壓馬達通過輸入軸帶動一級行星輪旋轉(zhuǎn)，一級3個行星輪組裝在行星架上與一級的太陽輪相連，運動通過行星架傳遞到二級的太陽輪，二級的太陽輪又將運動傳遞給二級的3個行星輪，運動沿著此機構(gòu)依次往下傳遞，總共通過三級減速機構(gòu)的減速[1]，直到輸出的齒輪軸與回轉(zhuǎn)齒條嚙合，運行時兩個回轉(zhuǎn)減速箱通過調(diào)整剎車油充油時間來保持同步性。

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構(gòu)，應(yīng)用在重載的環(huán)境場合，液壓馬達輸出的轉(zhuǎn)矩完全加載在行星減速箱上，吊車日常使用過程中頻繁的回轉(zhuǎn)、啟停和換向，都會對行星減速箱造成沖擊和磨損，因此潤滑油需要充滿整個行星減速箱內(nèi)部。但是原回轉(zhuǎn)減速箱加油液位標識不直觀，加油口過小、加油困難，在監(jiān)護不到位的情況下容易造成回轉(zhuǎn)行星減速機一級行星減速機構(gòu)長時間缺油運行。而一級減速機構(gòu)潤滑不良后，作為傳動機構(gòu)的滾針之間的干摩擦會造成滾針崩斷，脫離原先位置，掉落到下一級回轉(zhuǎn)減速機構(gòu)內(nèi)部，造成下一級行星輪齒輪等運動部件卡死，致使行星減速箱故障，使吊機無法正常工作。維護時常采取定期拆檢、按時加油的方式，但這種維護方式并沒有消除故障隱患。

3 回轉(zhuǎn)減速箱改造方法

對海洋石油113吊機回轉(zhuǎn)齒輪箱減速箱的升級改造主要從潤滑和滾針傳動兩個方面切入。改善減速箱內(nèi)部齒輪的潤滑狀況以及第一級傳動機構(gòu)的軸承傳動方式，從而減少回轉(zhuǎn)減速箱的故障率，因此對回轉(zhuǎn)減速箱改造的重點主要集中在以下3個方面。

3.1 潤滑油加油透氣系統(tǒng)的升級改造

潤滑油加油透氣系統(tǒng)升級改造的關(guān)鍵之一是回轉(zhuǎn)箱在運行的過程產(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)運轉(zhuǎn)時，會發(fā)生高溫潤滑油膨脹超壓從單向呼吸閥噴射出的危險情況。參考現(xiàn)有設(shè)計，本次升級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行緩沖，將新型的滑油散熱筒改進為廣口透氣裝置，蓋子上面加不銹鋼透氣帽，不容易堵塞，同時利于滑油的散熱。原潤滑油液位計不直觀，觀察液位時需要打開筒蓋進行俯視，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，一級行星減速齒輪潤滑不充分。升級后改為亞克力透明液位計任何角度都能觀察潤滑油位，非常方便。見圖2、3。

圖2 原設(shè)計的呼吸閥和注油油位觀察裝置

圖3 設(shè)計改造后呼吸帽和注油油位觀察裝置

3.2 第一級行星輪傳動機構(gòu)軸承的升級改造

第一級行星輪傳動機構(gòu)軸承的升級改造另一個關(guān)鍵是減速箱第一級行星輪傳動機構(gòu)的改進。傳動機構(gòu)滾針損壞后不能脫離原來的位置散落到第二級的行星輪中間，不會造成卡死、崩齒等影響減速箱運行的故障；升級改造后傳動機構(gòu)更改為滾針軸承，最大特點是在滾針的外圈增加了保持架，從安裝方式來看滾針是分散安裝，而滾針軸承是帶保持架整體安裝，即使發(fā)生損壞，滾針軸承不再會軸向移動脫離原先的位置。參考國際上的設(shè)計，決定采用進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比(圖片摘自互聯(lián)網(wǎng))

3.3 第一級行星輪數(shù)量升級改造

第一級行星輪升級改造第三個關(guān)鍵是減速箱第一級行星輪機構(gòu)在不改變原有的接口和尺寸大小的情況下對其第一級進行重新設(shè)計。對第1級行星齒輪重新布局，將原有的第一級3個行星齒輪的布局改變?yōu)?個行星齒輪的布局，原第一級行星輪只有3個在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嚙合齒輪卡死，由于齒輪箱底部存在潤滑油泄放的盲區(qū)，要清理崩碎的滾針需要將整個齒輪箱解體，工作量非常大。升級后的4個行星輪的結(jié)構(gòu)比3個行星輪受力更加平衡，每個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 改造前后一級行星輪設(shè)計對比

圖6 改造前后設(shè)計受力分析

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個改變?yōu)?個，行星架的應(yīng)力集中區(qū)明顯減少，增強了整個行星架的使用壽命[2]。

行星輪由3個增加到4個后，整個行星減速箱的數(shù)比發(fā)生了變化，回轉(zhuǎn)行星減速箱采用的是三級行星減速箱，根據(jù)傳動齒輪副的計算公式進行齒輪傳動比計算[3]。

改造前回轉(zhuǎn)減速箱速比計算如下。

第一級傳動比

第二級傳動比

第三級傳動比

na——太陽輪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為第三級太陽輪(三)；齒輪c第三級為行星輪(三)；齒輪b第三級為內(nèi)齒圈(三)；齒輪a1為第二級太陽輪(二)；齒輪c1為第二級行星輪(二)；齒輪b1為第二級內(nèi)齒圈(二)；齒輪a2為第一級太陽輪(一)；齒輪c2為第一級行星輪(一)；齒輪b2為第一級內(nèi)齒圈(一)。

因為內(nèi)齒圈是固定的，所以有

nb=nb1=nb2=0

因為太陽輪和行星架是同軸傳動，所以有

nH=na1nH1=na2

第一級傳動比,太陽輪a 傳動到行星架H的數(shù)比為

第二級傳動比,太陽輪a1傳動到行星架H1的數(shù)比為

第三級傳動比,太陽輪a2傳動到行星架H2的數(shù)比為

即總傳動比i=3.22×6.75×6.75=146.8，第一級傳動比為3.22，第二級傳動比為6.75,第三級傳動比為6.75。

改造后的傳動比計算如下。

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為第三級太陽輪(三)；齒輪c第三級為行星輪(三)；齒輪b第三級為內(nèi)齒圈(三)；齒輪a1為第二級太陽輪(二)；齒輪c1為第二級行星輪(二)；齒輪b1為第二級內(nèi)齒圈(二)；齒輪a2為第一級太陽輪(一)；齒輪c2為第一級行星輪(一)；齒輪b2為第一級內(nèi)齒圈(一)。

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

第一級傳動比，太陽輪a傳動到行星架H的數(shù)比為

第二級傳動比，太陽輪a1傳動到行星架H1的數(shù)比為

第三級傳動比，太陽輪a2傳動到行星架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 升級改造后參數(shù)以及優(yōu)點對比

1)回轉(zhuǎn)行星減速箱第一級減速機構(gòu)升級前和升級后主要改造項目參數(shù)對比，見表3。

2)升級前后的改造項目，以及優(yōu)點，見表4。

表3 第一級減速機構(gòu)升級前后對比

5 回轉(zhuǎn)行星減速箱第一級減速機構(gòu)的現(xiàn)場升級和應(yīng)用效果

為了確保現(xiàn)場改造的順利進行，在設(shè)計制造的過程中必須注意以下兩個方面。

1)增加的零部件外形尺寸不影響原有安裝空間。

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

改造的過程中，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)完成制造并驗收合格，確保改造的成功率。

在海洋石油113上2#吊機上進行回轉(zhuǎn)減速箱第一級改造工作工程中，每臺總計安裝時間不超過4 h，快速接口的設(shè)計應(yīng)用大大節(jié)約了升級改

表4 升級前后改造項目以及優(yōu)點

造時間，并且整個改造過程中沒有涉及到熱工作業(yè)，改造后整個吊車的回轉(zhuǎn)速度經(jīng)現(xiàn)場測算大約減慢了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)減速箱整體升級后，使用效果良好，減少了吊機回轉(zhuǎn)齒輪箱故障幾率，提高了吊機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。在進行升級改造的同時，也對整個回轉(zhuǎn)箱進行了拆檢和清潔，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.機械設(shè)計手冊[M].3卷.5版.北京:化學工業(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:清華大學出版社,2003.

[3] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].3卷.5版.北京:化學工業(yè)出版社,2008.

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

[5] 中國船級社.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.起重機設(shè)計手冊,第二版,上卷[M].北京:中國鐵道出版社,2013.