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文 | 斯文Talk

编辑 | 斯文Talk

序

自升式海洋平台提升齿轮箱优化设计，与啮合特性研究是一项关于自升式海洋平台中的设计，并对齿轮箱进行优化设计，研究其啮合特性的重要研究领域。

并且，自升式海洋平台作为一种用于海洋工程和石油勘探开发的设备，其工作环境极其恶劣，对齿轮箱的可靠性和工作性能有着极高的要求。

在传统的齿轮箱设计中，通常需要考虑到海洋平台的特殊工作环境，所以自升式海洋平台在海上运行时，会面临到严峻的海浪、潮流和风力等环境因素的影响，这对齿轮箱的可靠运行提出了重要挑战。

因此，通过优化设计齿轮箱的结构和参数，可以在确保其强度和刚度的前提下，提高齿轮箱的抗风浪能力和疲劳寿命。

所以，研究齿轮箱的啮合特性也是重要的任务之一，在高速旋转和高负载条件下，齿轮箱的啮合特性直接影响到其传动效率和工作噪音。

那么，通过深入研究齿轮啮合的机理和特性，包括齿形设计和啮合几何参数的优化，可以提高齿轮箱的传动效率和降低噪音水平，从而提升整个自升式海洋平台的工作性能。

因此，自升式海洋平台提升齿轮箱优化设计，与啮合特性研究对于提高齿轮箱的工作性能和可靠性具有重要意义，通过优化设计齿轮箱的结构和参数，以及深入研究其啮合特性，可以提高齿轮箱的抗风浪能力、疲劳寿命和传动效率，从而为自升式海洋平台的设计和应用提供有力支持。

接下来就让斯文来为大家讲解，自升式海洋平台究竟是什么？其对于齿轮箱的优化设计有着什么影响？

自升式海洋平台的背景

因此，我们团队研究了源于重庆市产业类重点研发项目“自升式海洋平台提升齿轮箱开发与产业化”。

从20世纪70年代石油危机后，各国在对能源需求量不断上升与陆地资源逐渐减少的矛盾不断升级的大背景下，纷纷加紧了对海洋资源的争夺，因此海洋工程装备被广泛应用。

而自升式海洋平台是海洋工程装备中的重要组成部分，可以分为以钻井功能为主的自升式钻井平台，以钻井辅助功能为主的自升式修井作业平台、自升式储油平台及自升式生活平台等，以及把钻井和生产功能结合在一起的自升式多功能平台。

因此，提升齿轮箱是自升式海洋平台的关键配套装备，用于驱动桩腿的升降，同时该齿轮箱也可以应用于Liftboat、风电安装船等其它海工齿轮传动装置，如下图所示为提升齿轮箱在海洋工程领域的应用。

并且自升式海洋平台在工作时，有数十台提升齿轮箱共同工作，数量众多，提升齿轮箱一般采用多级行星传动的结构形式，其速比较大，配齿难，同时体积大，级间强度差过大，且提升齿轮箱内部各结构彼此支撑，结构紧凑，啮合机理极为复杂。

因此，我们团队以某自升式海洋平台提升齿轮箱为研究对象，在进行构型分析的基础上完成选型，利用多目标优化设计方法完成提升齿轮箱几何设计，并进行效率和强度计算。

同时研究不同工况下提升齿轮箱的啮合特性，了解掌握其工作性能，针对啮合特性存在的缺陷，从宏观参数压力角优化和微观修形两个方面，进行了传动系统优化以改善啮合特性。

最后对提升齿轮箱进行耐久疲劳及型式振动试验，研究成果对指导提升齿轮箱的开发设计提供理论支撑，具有重要的学术意义和工程应用价值。

海洋平台对齿轮箱的研究现状

因此，海洋平台是用于海洋资源探索和开发的有利工具，其有移动式和固定式之分，自升式海洋平台就是移动式海洋平台中的一种，因具有移动灵活、经济成本低以及安全性能高等优势而被广泛应用。

所以，自升式海洋平台主要包含几部分：船体、桩腿、升降装置、开采设备以及控制设备等。

其中船体有三角形、矩形和五角形等型式，桩腿条数一般在3~5条，有箱式、圆柱式、正方形桁架式以及三角形桁架式几种类型，那么在选择桩腿数量时，需权衡建造成本和安全可靠性，采用多桩腿时会增加提升齿轮箱的数量，桩腿数量减少会增加整个平台的安全隐患。

因此，除了这个海洋平台安全隐患之外，石油危机的出现也促使了自升式海洋平台的两次发展高潮，第一次在1973~1983年的十年间，全球400座平台中有300座为自升式平台。

但之后20年的时间里又陷入低迷期，直至2004年出现了新一轮的高峰，并且从2004~2008年间，全球建设深水自升式平台达117座，到2012年底时，全世界397座自升式海洋平台中，有293座在使用，86座都是闲置状态，其余处于建设状态中。

并且，其在全球自升式海洋平台需求量一直保持增长趋势的，中东和亚洲拥有巨大的需求量。

国内对自升式海洋平台的研究起步较晚，在1972年708研究所成功建成我国第一座自升式海洋平台“渤海一号”，并在此基础上陆续完成“渤海五号”和“渤海七号”的建设，开启我国自升式钻井平台的发展之路。

在2006 年时，大连船舶重工集团开始建“海洋石油941”，平台使用了美国Friede&Goldman 公司设计的JU2000型，而且“海洋石油941”和“海洋石油942”是国内比较先进的钻进平台。

虽然在目前国内外自升式海洋平台的发展出现了短暂的饱和期，但总的发展趋势依旧没变，未来的自升式海洋平台将走向深水化、自动化、智能化以及多样化，同时将更适用于极恶劣环境。

尽管我国自升式海洋平台从无到有再到数量居于全世界前列，建造水平有了大幅提高，但我国的自升式海洋平台使用年限较长，已有平台更新不及时，存在极大安全隐患。

所以，我国一直致力于海洋平台的研究，逐渐缩小了与几大海洋平台强国的差距。

因此自升式海洋平台的升降系统用于驱动平台，有顶升液压缸式和齿轮齿条式之分，其中齿轮齿条式升降系统有以下技术难点：

一方面是升降机构工况复杂、大速比的减速机设计和制造、高强度超大模数齿轮的设计和制造、安全可靠性、紧凑性和轻量化以及破坏试验。

另一方面，在工作时变频电机一般驱动提升齿轮箱带动提升小齿轮工作，多个提升小齿轮共同驱动桩腿上的齿条，进而驱动平台的升降。

并且有公司设计了型号为VFD-440的提升齿轮箱，如下图所示，该提升齿轮箱采用6级斜齿轮+2级行星减速齿轮的型式，传动比达到了6679：1。

同时，我们团队有人针对油井M2，设计了D60H型提升齿轮箱，采用单驱动双输出的型式，如下图所示。

那么在挪威船级社（DNV）规范要求中，提升齿轮箱齿轮的疲劳载荷至少是平台正常升降载荷的1.5倍，各船级社也都有相应要求。

并且，我们人员提出的混合式行星传动提升齿轮箱，作为自升式海洋平台的专用装备而被广泛关注。

同时，我们团队有人对提升齿轮箱也进行了大量研究，而后，团队人员设计了传动型式为2级平行轮系+3级行星轮系的L型混合式提升齿轮箱，因此，基于分支定界算法对其进行了优化，更是利用ADAMS对传动系统进行动力学分析，进而验证所设计方案。

随后，我们团队对型式为4级的平行轮系+3级行星轮系的L型混合式，用来提升齿轮箱进行参数优化设计，以及动态特性的分析，这也为混合式齿轮传动链的设计和计算提供了新方法。

而且对L型混合式提升齿轮箱进行优化，并进行动力学分析以验证其设计合理性，同时基于有限元对齿轮齿条啮合副进行计算分析，完成了对提升齿轮箱的试验研究。

基于这一观点，我们团队有人对SJ200T提升齿轮箱传动的技术流程进行了详细描述，包括研制背景、传动装置技术研究内容、样机研制等，下图为SJ200T结构模型和升降系统联调试验。

随后，将目前有关提升齿轮箱的相关专利、文献以及企业产品进行归纳，将提升齿轮箱的结构分为单驱动单输出和单驱动双输出两大类。

同时，单驱动单输出可分为多级NGW行星传动、常规多级平行级传动+多级NGW行星传动、少齿差行星传动+NGW行星传动、蜗轮蜗杆传动+NGW 行星传动以及锥齿轮+少齿差+NGW 行星传动，下图为各类型的提升齿轮箱构型传动原理图。

所以，目前齿轮箱在工业领域技术比较成熟，我们团队和企业对齿轮箱也进行了大量研究，整体研究涉及面比较广，取得很大的进步，但仍有很多任务需解决，比如大模数齿轮的设计加工、复杂海洋环境下提升齿轮箱优化设计及啮合特性分析、密封防腐等问题。

那么在海洋平台下不仅仅能够对齿轮箱进行优化设计，还在齿轮箱啮合的特性有关。

齿轮箱啮合特性的研究现状

齿轮箱的内部结构和工作条件复杂决定着其啮合机理的复杂，并且对齿轮箱进行啮合特性研究也有具有重要意义，目前我们人员对齿轮箱啮合特性和传动特性进行了一定的研究。

首先，团队人员详细阐述了车用齿轮的啮合特性分析和修形工艺对啮合特性的影响，并比较了各种修形方法。

随后，建立了准无限弹性模型，模型主要考虑轮齿啮合刚度，研究传动误差与汽车传动齿轮的振动和噪声相互影响的机制。

并且，有人对齿轮进行啮合特性分析，提出了一种考虑多因素的动态啮合有限元分析方法。

而后，我们团队在前面所分析的基础上，研究了齿轮修形对小倾角锥齿轮啮合特性的影响，同时，也充分考虑了风电齿轮箱多工况下的啮合特性，提出一种判断优化目标函数单调性的修形量寻优方法。

因此，在建立小角度相交轴渐开线圆柱与变厚齿轮副有限元啮合模型的基础上，研究了齿向修形、齿廓修形及其组合修形对接触印痕、齿根应力与传动误差的影响规律。

所以，团队人员充分考虑了RV减速器两级传动系统耦合变形、摆线轮轮辐结构以及轴承刚度，建立了RV减速器啮合特性分析模型，并且也讨论了摆线轮轮缘厚度、修形量以及载荷大小对啮合特性的影响规律。

最后，我们对具有复杂齿面的单对齿轮的啮合特性的研究较多，齿轮箱的啮合特性的研究多为参数变化对其的影响和与动态特性结合的研究，且对提升齿轮箱啮合特性相关的研究较少、

那么，我们就应该提升齿轮箱的复杂齿面，从而能够进一步的推进齿轮啮合特性的研究。

结语

但是在研究提升齿轮箱的复杂齿面上，得出的结论比较少，因此，研究此方面相关的专家，建立了一个自升式海洋平台，它可以提升齿轮箱优化设计，为自升式海洋平台的工作性能和可靠性，提供了优化设计方案。

在自升式海洋平台的设计中，齿轮传动系统扮演着关键的角色，然而，由于海洋工作环境的特殊性，齿轮箱需面对海浪、潮流和风力等极端条件的挑战。

因此，通过优化设计齿轮箱的结构和参数，可以提高其在恶劣海洋环境中的工作可靠性和性能。

在优化设计中，需综合考虑自升式海洋平台的特殊工况要求，这意味着齿轮箱的设计应具备足够的强度和刚度，以应对海洋环境带来的外部荷载。

随后，通过优化齿轮箱的结构，选择适当的材料和加工工艺，可以提高其抗风浪能力和疲劳寿命，确保齿轮传动系统在恶劣海洋条件下的可靠性。

此外，研究齿轮箱的啮合特性对于提高传动效率和降低噪音水平至关重要，而后，通过深入研究齿轮的啮合机理和特性，例如齿形设计和啮合几何参数的优化，可以提高齿轮传动的效率，减少噪音的产生，提升整个自升式海洋平台的工作性能。

所以，自升式海洋平台提升齿轮箱优化设计与啮合特性研究对于改善齿轮传动系统的可靠性和工作性能具有重要意义。