自升式鉆井平臺樁腿鎖緊齒條的力學(xué)分析

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1、石油機械一36一CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第10期●設(shè)計計算自升式鉆井平臺樁腿鎖緊齒條的力學(xué)分析馬邦勇張海云陳欣張樹寶(海洋石油工程股份有限公司)摘要為了得到自升式鉆井平臺樁腿鎖緊齒條各個齒牙上載荷分布規(guī)律，對鎖緊狀態(tài)下齒條嚙合受力情況進行分析，同時對單個齒牙不同部位的應(yīng)力情況進行分析對比。結(jié)果表明，自升式鉆井平臺鎖緊狀態(tài)下鎖緊齒條各個齒牙的受載是不均勻的，嚙合段兩端齒牙承載要大于中段齒牙的承載；由于應(yīng)力集中等因素的影響，單個齒牙不同部位的承載也是不均勻的，齒根受壓側(cè)部位應(yīng)力最大，齒根受拉側(cè)和齒面

2、上的應(yīng)力較小；可以通過改變齒條齒牙的壓力角、節(jié)距等參數(shù)以及齒根倒圓半徑來改善齒條不同齒牙承載不均勻現(xiàn)象，同時可以解決齒根的應(yīng)力集中問題。關(guān)鍵詞自升式鉆井平臺樁腿鎖緊齒條應(yīng)力力學(xué)分析都完成上述操作后，整個鉆井平臺就鎖緊在3條樁0引言腿的齒條上。隨著海洋石油工業(yè)的飛速發(fā)展，各種形式的鉆井平臺蓬勃興起。白升式鉆井平臺在深海鉆采工程中占據(jù)舉足輕重的地位¨-3]。自升式鉆井平臺由于其穩(wěn)定性好，運移性好，適用水較深以及經(jīng)濟性好的特點而被廣泛應(yīng)用。樁腿鎖緊裝置是為了提高平臺在風(fēng)暴條件下的自存能力而設(shè)計的裝置，其通過鎖緊齒條與樁腿齒條嚙合進行鎖緊，來

3、保證平臺在設(shè)計載荷作用下的安全性。因此樁腿鎖緊齒條是自升式鉆井平臺上很關(guān)鍵的部件，其性能的優(yōu)劣直接圖1樁腿鎖緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖關(guān)系到工程的成敗。筆者擬在此對鎖緊狀態(tài)下齒條1一底部螺桿裝置；2-鎖緊齒條；3一側(cè)向嚙合受力情況進行分析，以便得到鎖緊齒條上的載油缸；4一頂部螺桿裝置；5一樁腿齒條。荷分布規(guī)律，為今后鎖緊齒條的設(shè)計提供一些1．2鎖緊狀態(tài)下鎖緊齒條的軸向載荷分布指導(dǎo)在鎖緊狀態(tài)下，鎖緊齒條上承受的上部載荷由相互嚙合的齒牙分擔(dān)，要研究該狀態(tài)下鎖緊齒條載1鎖緊狀態(tài)下鎖緊齒條的受力分析荷的分布情況，首先分析鎖緊齒條軸向載荷的分布情況。1．

4、1自升式鉆井平臺樁腿鎖緊裝置圖2所示為受軸向力F作用下的齒條嚙合的自升式鉆井平臺一般有9套樁腿鎖緊裝置，分軸向力分布示意圖。取圖中最下端一齒的嚙合處為布于3條樁腿的9個主齒條上。樁腿鎖緊裝置安裝坐標(biāo)原點，以鎖緊齒條為研究對象，將各齒上分擔(dān)于圍井內(nèi)提升裝置和樁腿下導(dǎo)板之間的船體短梁的力簡化為集中力，則有：上，以此為基礎(chǔ)可以從樁腿齒條兩側(cè)對樁腿進行鎖H緊。鎖緊裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過操作頂部和底，=F1++?+F=∑F(1)部螺桿裝置以及輔助的側(cè)向油缸，可以將樁腿鎖緊式中n——嚙合齒數(shù)；塊嵌入樁腿齒條，并固定。待全船的9套鎖緊裝置F——第

5、n個齒受到的力，N。2010年第38卷第10期馬邦勇等：自升式鉆井平臺樁腿鎖緊齒條的力學(xué)分析齒條嚙合的變形協(xié)調(diào)方程。齒條的彈性變形如圖3所示。在軸向力F的作用下，鎖緊齒條本體和樁腿齒條本體均產(chǎn)生拉應(yīng)鐾0+與L互L2圖2齒條嚙合軸向力的分布示意圖假設(shè)在力作用下，位置處齒條垂直截面上l的軸向力為F()，鎖緊齒條坐標(biāo)處垂直截面上圖3齒條的彈性變形示意圖的軸向力為F()，則有：1一鎖緊齒條；2一樁腿齒條。F()=F一(F／口+Fl+／+?+F)=力和拉伸變形，6和6為鎖緊齒條本體和樁腿齒nx／pF一∑F=∑F(2)條本體的變形量(以后用腳注b

6、代表鎖緊齒條本體，用腳注P代表樁腿齒條本體)。齒牙在側(cè)面法式中p——齒條的節(jié)距。向力的作用下，產(chǎn)生彎曲、剪切和牙根位移等變另外，根據(jù)作用力和反作用力的關(guān)系可知：形，6和為鎖緊齒和樁腿齒的總變形量，其中F()=F—F()(3)(0)和6。(0)表示在=0處的變形量，6如果取F()對的導(dǎo)數(shù)為q()，即()和6。()表示在=處的變形量，根據(jù)變q()=dF()／dx形協(xié)調(diào)條件，應(yīng)滿足q()稱為軸向力分布強度，是單位嚙合長+6()+6(0)+(0)=度上的軸向力。于是在嚙合長度的齒條上有：+66()+6()+6()F=g()d(4)整理后寫成6

7、()一6()=F()=q()d(5)分布在某一齒上的軸向力為：[6()+6()]一[6(0)+6(0)](8)，+P位置處，鎖緊齒條本體和樁腿齒條本體的變=Ig()dx(6)形量分別為：由上式可知，只要求出q()，即可求出每一齒上的力。6()=Jcd(9)設(shè)單位長度上鎖緊齒條單位面積齒面?zhèn)让娴姆ㄏ蜃饔昧镻()，對于齒條來說，P()和qJ=l(10)()存在以下關(guān)系：位置的齒牙上，鎖緊齒牙和樁腿齒牙的變形P()=q()／(BHcosje)(7)量分別為：式中——壓力角，(。)；6m()=P()pA／E^(11)曰——齒條厚度，m；6(

8、)=P()pA／E，，(12)一齒高，m。式中E、E——鎖緊齒條和樁腿齒條材料的彈性1．3鎖緊狀態(tài)下鎖緊齒條的變形分析模量，Pa；嚙合的齒條在承受載荷時除了因齒牙彎曲而產(chǎn)、——鎖緊齒條本體和樁腿齒條本體的生的撓曲外，還有