基本信息
- 項目名稱：
- 面向自升式海洋鉆井平臺的行星傳動齒輪-齒條爬升與鎖緊系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 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)進行傳動，該系統(tǒng)體積龐大、后期維護復(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方式，使系統(tǒng)機構(gòu)精簡、運行精度高、維護方便。 本作品是一種面向自升式海洋鉆井平臺的行星傳動齒輪齒條式爬升與鎖緊系統(tǒng)，設(shè)計出多級串行行星齒輪減速器與具有自動調(diào)整及自動復(fù)位功能的鎖緊裝置，很好地實現(xiàn)傳動裝置的扭矩輸出以及平臺的載荷轉(zhuǎn)換。
- 詳細介紹：
- 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)域為靠近陸地的沿海一帶，工作水深較淺。 自升式海洋鉆井平臺由平臺、支腿以及爬升機構(gòu)組成，平臺可沿支腿升降。其中，爬升機構(gòu)按動力源形式一般可分為電動升降裝置和液壓升降裝置。電動升降平臺也稱齒輪-齒條式升降平臺，它采用電動機作為原動力，利用減速器將轉(zhuǎn)動力矩傳動到攀爬齒輪上，由多個嚙合于支腿齒條上的攀爬齒輪的同時動作來實現(xiàn)平臺的升降。液壓升降平臺則采用電動機-液壓泵-液壓馬達的傳動方式。升降時，液壓系統(tǒng)可以緩沖各馬達負載的不均衡，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，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： 1)需要獨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)的電動系統(tǒng)升降平臺的移動性較差； 3)油液在壓力作用下體積發(fā)生變化，或因為油液泄漏等原因?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—齒條機構(gòu)作為自升式海洋鉆井平臺爬升與鎖緊系統(tǒng)的傳動機構(gòu)，該新型的齒輪-齒條式傳動機構(gòu)相比傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： 1)作業(yè)環(huán)境整潔； 2)后期維護保養(yǎng)方便； 3)控制精度高、響應(yīng)快； 4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡、可移動性好。 本作品采用模塊化設(shè)計思想，將海洋鉆井平臺的設(shè)計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主要組成部分。其特點如下： 1)大傳動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，傳動比達5400，相對于現(xiàn)有的海洋鉆井平臺中使用的行星減速器，可獲得更大傳動比，并有效地提高了傳動效率。 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，能有效地實現(xiàn)卡爪垂直方向的位置調(diào)節(jié)。 與此同時，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調(diào)節(jié)及復(fù)位功能的鎖緊裝置已申報國家專利并獲批，該裝置具有較高創(chuàng)新性，其主要創(chuàng)新點如下： 1.自行設(shè)計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)，若和原動機相連，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，與之相連的原動機布置、安裝變得極為困難。 為了解決行星減速器和原動機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)新點在于提供一種傳動比大，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)新點主要有： 1)自行設(shè)計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，相對于現(xiàn)有的海洋鉆井平臺中使用的行星減速器，可獲得更大傳動比，并有效地提高了傳動效率。 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。 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的傳動比，具有傳動比大的特點。模塊化布置的2級定軸齒輪傳動，其作用除了獲得一定傳動比以外，主要作用是與行星輪系組成一個L形的外形，以保證原動機的合理布置；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，給原動機的布置、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?？梢杂糜谠O(shè)備安裝空間不是很大的起重運輸?shù)刃袠I(yè)的傳動系統(tǒng)。 2.自行設(shè)計具有自動調(diào)節(jié)及自動復(fù)位功能的鎖緊裝置 鎖緊裝置具有以下兩個創(chuàng)新點： 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。 2)鎖緊裝置的彈簧復(fù)位裝置，鎖緊時保持卡爪的準確對位，退出時通過彈性結(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、大功率減速傳動機構(gòu)和鎖緊機構(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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1.設(shè)計目的 旨在豐富自升式海洋鉆井平臺的設(shè)計思路和方法，提高我國自升式海洋鉆井平臺的設(shè)計水平，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)計研發(fā)能力。 2.基本思路 自升式海洋鉆井平臺傳動系統(tǒng)體積龐大且造價較高，我小組采取樣機試制的方式對自升式海洋鉆井平臺爬升與鎖緊系統(tǒng)進行研究，設(shè)計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的減速器樣機設(shè)計制造出相應(yīng)爬升與鎖緊系統(tǒng)物理樣機，其中減速器傳動比仍保持1：1設(shè)計的5400，為樣機的運行提供足夠大的傳動力矩。 3.創(chuàng)新點 1）設(shè)計出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型多級串行行星齒輪減速器，具有高效、大傳動比、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點； 2）設(shè)計出具有自調(diào)整及復(fù)位功能的鎖緊裝置，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時較好地實現(xiàn)平臺的鎖緊功能。 4.技術(shù)關(guān)鍵 1)多學(xué)科集成的機械系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)； 2)虛擬樣機技術(shù)的設(shè)計方法。 5.主要技術(shù)指標 1)最大爬升高度：2m; 2)最大爬升速度：0.103m/min； 3)減速機構(gòu)總傳動比為：5400。
科學(xué)性、先進性
- 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： 1)作業(yè)環(huán)境整潔； 2)后期維護保養(yǎng)方便； 3)控制精度高、響應(yīng)快； 4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡、可移動性好。 該作品的科學(xué)性和先進性體現(xiàn)在以下方面： 1)自行設(shè)計的多級串行行星齒輪減速器采用三級行星傳動與兩級平行軸傳動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳動比大及輸出扭矩大等優(yōu)點，傳動比達5400； 2)自行設(shè)計的鎖緊裝置具有自動調(diào)整及自動復(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)采用虛擬樣機技術(shù)，為產(chǎn)品的開發(fā)帶來全新的設(shè)計、驗證和演示手段，縮短開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本。
獲獎情況及鑒定結(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。 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
- 實物、產(chǎn)品；模型；圖紙；現(xiàn)場演示；圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本作品經(jīng)過巧妙設(shè)計，物理樣機具有結(jié)構(gòu)優(yōu)化、體積小、承載大、調(diào)速方便以及傳動比大的特點。虛擬設(shè)計縮短了開發(fā)周期，提高了設(shè)計效率。 特點與優(yōu)勢：自行設(shè)計的多級串行行星齒輪減速器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳動比大等優(yōu)點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)合齒輪齒條機構(gòu)完成對電機旋轉(zhuǎn)運動到爬升機構(gòu)直線運動的轉(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，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，其核心傳動部件—爬升與鎖緊系統(tǒng)的需求也將快速增長。 經(jīng)濟效益預(yù)測：目前歐美進口大型海工設(shè)備上使用的減速器價格約為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)域為靠近陸地的沿海一帶，工作水深較淺。但隨著材料、設(shè)計與建造水平的不斷進步,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,到2002年底全世界共有397座自升式海洋鉆井平臺。 然而，與國際上先進的自升式海洋鉆井平臺設(shè)計制造技術(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、新型傳動系統(tǒng)等）需從國外進口，并為此支付高昂的費用。我國設(shè)計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)代計算機設(shè)計技術(shù)和最新軟件設(shè)計手段進行自升式海洋鉆井平臺的設(shè)計；缺乏主要部件的設(shè)計能力，未使用新型的自升式海洋鉆井平臺機械結(jié)構(gòu)來實現(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)計和制造的實踐與經(jīng)驗等。 付勤業(yè)[1]對海洋石油931鉆井平臺升降系統(tǒng)進行了分析，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，該升降系統(tǒng)中的鎖緊機構(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。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)的齒輪齒條嚙合進行了有限元分析。 參考文獻： [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,2006,(08),23-25. [3] 李金澎.大模數(shù)直齒輪輪齒彎曲強度與齒面接觸研究[D].大連理工大學(xué),200 7.
