一种自升式平台桩腿与固桩围阱间的减摩装置

2018-10-10徐正荣

船舶标准化工程师 2018年5期

关键词：圆柱形滚子轴向

徐正荣

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300450）

0 引言

自升式平台圆柱形桩腿外壁与固桩围阱防摩板在升降平台过程中接触导致滑动摩擦，直接危害有：

1）桩腿的外表防腐涂层大面积破坏；

2）桩腿外表层结构切削破坏；

3）引起剧烈的船体晃动，不仅会影响升降系统的使用安全，还会直接影响电气设备的工作稳定性；

4）加剧桩腿结构与固桩区结构的疲劳损害。

基于此问题，有针对性地研制一套减摩装置，将圆柱形桩腿与固桩围阱之间的滑动摩擦副转化成滚动摩擦副，属于国内首例，国际市场上也没有同类型的成熟产品。

1 概述

研究平台的桩腿外径3 200 mm，总长73 000 mm，固桩围阱防磨板处内径3 238 mm，环空平均间隙19 mm。根据海上作业任务，自升式平台需要频繁升降操作，进行拖航移位，过程中导致桩腿外表与固桩围阱防磨板挤压摩擦[1]的主要因素如下：

1）升降过程中，各桩之间同步差异；

2）各桩入泥过程中，受风浪流等综合因素影响，桩腿横向偏移，与固桩围阱结构圆心出现偏心；

3）各桩入泥过程中，受就位区域地层特性影响[2]，某单桩入泥垂度偏差；

4）固桩区结构服役时间长久，结构变形。

2 优化研究

2.1 桩腿与固桩围阱的当前状态

平台桩腿为圆柱形双列齿条结构，固桩围阱为楔面圆环形结构[3]，结构示意图见图1。

图1 自升式平台桩腿与固桩围阱示意图

2.2 减摩装置结构型式研究

研究采用一种特制的楔形滚动结构作为减摩装置，符合桩腿与导向台之间的空间要求。滚动结构工作面设计有2组高强度滚轮组，来实现桩腿与固桩围阱之间接触型式由滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低摩擦损害。在滚动结构与固桩围阱接触面之间设计弹性接触面，增加横向挤压缓冲裕量。楔形结构装置的结构见图2。

2.3 结构承压设计

楔形滚动结构主体选择与桩腿和固桩围阱相同的材质，结构整体需要重点核算滚轮轴承承压。为满足轴向压力的要求，采用抗轴向压力能力较强的3列滚针轴承作为1个滚动机构，实验样品使用的单列滚针轴承可承受的最大轴向压力为10 t，组成的单个滚动轴由3列滚针轴承组成，侧向抗压能力为30 t，采用上下2个轴承为1组构成1个防磨单元，最大可承受的轴向压力为

图2 楔形结构装置的结构示意图

式中：P为轴承可承受的最大轴向压力，kg；n为滚针轴承组中的单列滚针轴承数量，副；R为单列滚针轴承可承受的最大轴向压力，kg；α为安全系数，建议小于0.8。

因此，装置最大可承受的轴向压力48 t。通过升降系统实操监测，桩腿对固桩围阱单侧产生力N（轴向压力）通常不大于100 t，可选择安装3套减摩装置，安装夹角0°、+15°、−15°。现场应用布置可参考图3。

图3 楔形滚动结构装置安装计算示意图

3 实验

3.1 实验条件

假设桩腿材料各向同性，作用应力均匀，减摩装置与固桩围阱间接触不分离，减摩装置结构材质与桩腿一致，忽略减摩装置的轴承摩擦[4]，结构内部采用0.05低摩擦系数的滚子轴承替代原0.5摩擦系数的滑动摩擦，忽略摩擦中热对应力的影响。但不难看出滚动摩擦副与桩腿间的接触面积减小，导致局部的接触应力[5]变大，因此，对减摩装置的滚子结构与桩腿接触应力的实验分析是很有意义的。减摩装置的滚子机构对桩腿应力云图见图4。