吊裝船升降系統(tǒng)中齒輪齒條的設(shè)計與優(yōu)化研究

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1、 學校代碼: 10289分類號: TH132.429 密 級: 公開吊 學 號: 092020020 裝船升降系 統(tǒng) 中 江蘇科技大學 齒 輪 齒 條 碩 士 學 位 論 文 的 設(shè)計與優(yōu)化 研 究 吊 裝 船升降 系 統(tǒng)中齒 輪 齒條的 設(shè) 計與優(yōu) 化研究 姓名 研究生姓 名 馬 寶導(dǎo) 師 姓 名 潘 寶 俊 馬 申請學位類別工 學 碩 士 學位授予 單位 江 蘇 科 技 大 學寶 學 科 專 業(yè)機械制造 及其自動化 論文提交日期2011 年 12 月 28 日研 究 方 向先進

2、 制造系統(tǒng) 論文答辯日期 2012 年 3 月 15 日 及其使能技術(shù) 江 蘇 答辯委員會主席 唐 文 獻 評閱人 科 技 大 學2012 年 3 月 15 日分類號:TH132.429 密 級: 公 開學 號: 092020020江蘇科技 大學碩士 學位論文吊裝船升降系統(tǒng)中齒輪齒條的設(shè)計與優(yōu)化研究 學生姓名 馬 寶 指導(dǎo)教師 潘寶俊 教授江蘇科技大學 二 O 一二年三 A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Eng

3、ineeringDesign and Optimation Study of Pinion and Rack in the Installstion Vessel Jacking Systems Submitted by Name Ma Bao Supervised by Professor Name Pan BaojunJiangsu University of Science and Technology March, 2012 分類號:TH132.429 密 級:公開 編 號: 江蘇 科技 大學 碩 士 學 位 論 文論 文 題 目 吊裝船升降系統(tǒng)中齒

4、輪齒條的設(shè)計與優(yōu)化研究 學 科 專 業(yè)機械制造及自動化研 究 方 向先進制造系統(tǒng)及其使能技術(shù) 論文提交日期2011 年 12 月 28 日二O 一一年十二月江蘇科技大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨 立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論 文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文 的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本 人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 學位論文作者簽名: 年月日 江蘇科技大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用

5、學位論文的規(guī)定, 同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版, 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇科技大學可以將本學位論文的 全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于: 1保密□,在年解密后適用本授權(quán)書。 2不保密□。學位論文作者簽名:指導(dǎo)教師簽名: 年月日 年月日摘 要 摘 要 超大模數(shù)齒輪在重大工程裝備中的應(yīng)用越來越廣泛,且齒輪模數(shù)也在不斷增大, 如海洋鉆井平臺中齒輪的模數(shù)已達 135mm。在國家標準 GB3480-1997 中,齒輪最大模 數(shù)為 50mm,而對模數(shù)超過

6、 50mm 的超大模數(shù)齒輪來說,目前尚無成熟的設(shè)計理論及 強度計算理論。 本課題以江蘇省科技計劃支撐項目《海上風電吊裝和運輸專用工作船研發(fā)》為背 景,研究超大模數(shù)齒輪的設(shè)計方法,并為該吊裝船設(shè)計一套安全、可靠的超大模數(shù)齒 輪齒條傳動機構(gòu),在此基礎(chǔ)上,利用有限元法對超大模數(shù)齒輪的接觸強度及彎曲強度 進行深入分析,并對齒輪齒條強度進行優(yōu)化研究。本論文主要研究內(nèi)容為: 1. 根據(jù)齒輪嚙合理論,研究超大模數(shù)齒輪設(shè)計方法。利用相似理論與有限元相結(jié) 合,研究適合任意模數(shù)、壓力角等參數(shù)的齒輪設(shè)計方法,建立超大模數(shù)齒輪的模數(shù)及 ' 分度圓計算數(shù)學模型,并采用有限元法求解復(fù)合齒形系數(shù)Y 。

7、 z 2. 針對風電吊裝船的參數(shù)及設(shè)計要求,分析最危險工況(預(yù)壓工況)下齒輪齒條 機構(gòu)所受的外載荷;利用研究出的超大模數(shù)齒輪設(shè)計方法為其升降系統(tǒng)設(shè)計一套安全、 可靠的齒輪齒條傳動機構(gòu)。 3. 基于 C#語言及 SolidWorks 軟件的二次開發(fā)技術(shù),開發(fā)一套漸開線圓柱齒輪精 確的參數(shù)化建模程序,并建立齒輪齒條嚙合三維模型;利用有限元法對齒輪齒條進行 接觸分析,研究超大模數(shù)齒輪齒條的齒面接觸應(yīng)力及齒根彎曲應(yīng)力在一個嚙合周期內(nèi) 的變化規(guī)律。4. 研究漸開線齒輪變位系數(shù) x、壓力角、齒頂高系數(shù) h 、齒頂隙系數(shù) c 、齒根 a圓角半徑系數(shù)、模數(shù) m及齒條寬度b對超大模數(shù)齒輪承

8、載能力的影響規(guī)律,并在此 f 基礎(chǔ)上,對原設(shè)計的齒輪齒條機構(gòu)進行優(yōu)化,使齒輪齒條的彎曲強度與接觸強度得到 了很大程度的提高。分析規(guī)律顯示:每個參數(shù)對齒輪齒條承載能力都有較大程度的影 響,但影響程度各不相同。 關(guān)鍵詞 超大模數(shù)齒輪;風電吊裝船;接觸強度;彎曲強度;優(yōu)化I Abstract Abstract Supper-modulus gear is used more and more in great engineering projects, and the module of gear is continuously augmented. For example,

9、the module of gear of gear of the offshore drilling platform already achieves 135mm. In the Standard of Country GB3480-1997, the imum of module is 50mm. Nowdays whereas for supper-module gear which module is more than 50mm, there is lack of mature design theory and thrength calculating theor

10、y The subject takes support project of science and technology plan in Jiangsu Province-“research and development of offshore wind power lifting and special transport ship” as the background. Researching design method for supper-modulus gear, and designing a safety and reliable mechanism of su

11、pper-modulus gear for the ship. On the base, deeply researching supper-modulus gear contact thrength and bend thrength by finite element method and doing optimization of rack and pinion strengthThe main contents of this theisi are listed as: 1.According to gear meshing theory, studying designi

12、ng theory of supper- modulus rack and pinion. Studying design method of pinion, which is used for any modulus, pressure angle and other parameters pinion, by similarity theory and finite element. Establishing modulus and pitch circle calculation model of supper-modulus ' pinion, and calcula

13、ting compound profile coefficientY by finite elementZ 2. Anaylzing different actual working condition of wind power installation vessel and caculating external load of mechanism of rack and pinion, wich is under the most dangerous operating condition preloading condition.According to parameters

14、 and designing requriement of the wind power installation vessel, designing a safty and ralibale mechanism of rack and pinion for it, by supper-modulus gear design mothed which has been studied3.Based on C# and secondary development of SolidWorks, developing a set of accurate parametric mode

15、ling program of involute spur gears and building 3D model of rack and pinion. Doing contact analysis of rack and pinion by finite element method, and studying laws of contact stress and bending stress in engagement cycle 4.Studying laws which pinion profile shift x , pressure angle, addendum?

16、coefficient h , tooth gap coefficient c , tooth fillet coefficient, module m and a f width of rack affect contact strength and bending strength of rack and pinion. On the II Abstract base of which, optimizing the mechanism of rack and pinion, to improve contact strength and bending strength

17、 of rack and pinion. Analysis of laws show that each parameter has large influence on the capacity of the rack and pinion, but the degrees of influence are different Keywords supper-modulus gear; wind power installation vessel; contact strength; bending strength; optimzation III 目 錄 目 錄

18、 摘 要I AbstractII 第 1 章 緒論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.1.1 研究背景. 1 1.1.2 研究意義. 3 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題. 5 1.2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀. 5 1.2.2 存在的問題 6 1.2.3 發(fā)展趨勢. 7 1.3 課題研究內(nèi)容及章節(jié)安排. 7 1.3.1 主要研究內(nèi)容7 1.3.2 章節(jié)安排. 8 1.4 本章小結(jié)9 第 2 章 齒輪的強度理論及彈性接觸理論. 10 2.1 齒輪的彎曲強度理論. 10 2.1.1 彎曲強度計算法基本公式. 10 2.

19、1.2 齒形系數(shù)的計算方法 11 2.1.3 齒根彎曲強度的計算條件. 12 2.1.4 齒輪彎曲強度的計算 13 2.2 齒輪齒面接觸強度理論及計算 13 2.2.1 齒輪接觸強度理論. 13 2.2.2 齒輪接觸應(yīng)力計算方法14 2.3 彈性接觸理論及其有限元法. 15 2.3.1 彈性接觸理論 16 2.3.2 接觸問題有限元法. 18 2.4 本章小結(jié) 22 第 3 章 超大模數(shù)齒輪設(shè)計方法23 3.1 超大模數(shù)齒輪的特點. 23 3.2 超大模數(shù)齒輪設(shè)計方法的研究 23 3.2.1 超大模數(shù)齒輪設(shè)計方法23 3.2.2 復(fù)合齒形

20、系數(shù)的有限元計算 26 3.3 本章小結(jié) 31 第 4 章 吊裝船升降系統(tǒng)中齒輪齒條的接觸分析. 32 4.1 齒輪齒條傳動機構(gòu)的工況分析 31 4.2 升降系統(tǒng)中齒輪齒條參數(shù)的設(shè)計32 4.2.1 小齒輪參數(shù)的確定. 33 4.2.2 齒輪與齒條的參數(shù)計算35 4.3 齒輪齒條傳動的強度校核36 4.4 超大模數(shù)齒輪的參數(shù)化建模. 37 4.4.1 參數(shù)化概念37 IV 目 錄 4.4.2 基于 C#齒輪參數(shù)化程序?qū)崿F(xiàn)38 4.4.3 齒輪齒條在 SolidWorks 中參數(shù)化建模的實現(xiàn)40 4.5 齒輪齒條有限元接觸分析41 4.5.

21、1 齒輪齒條傳動機構(gòu)的有限元模型. 41 4.5.2 ABAQUS 中的 Interation 模塊43 4.5.3 有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果. 44 4.5.4 齒輪齒條的應(yīng)力分析 46 4.6 本章小結(jié) 50 第 5 章 吊裝船升降系統(tǒng)中齒輪齒條的參數(shù)優(yōu)化. 51 5.1 影響漸開線圓柱齒輪承載能力的主要參數(shù). 51 5.2 優(yōu)化計算模型. 52 5.3 主要參數(shù)對齒輪承載能的力影響分析 53 5.3.1 模數(shù) m 的影響 53 5.3.2 壓力角α的影響54 5.3.3 變位系數(shù) x的影響55 5.3.4 齒根圓角半徑系數(shù)的影響56 f5.

22、3.5 齒頂高系數(shù) h 的影響 57 a5.3.6 齒頂隙系數(shù) c 的影響 58 5.3.7 齒條寬度 b的影響. 59 5.4 齒輪齒條的參數(shù)優(yōu)化及結(jié)果分析61 5.5 本章小結(jié) 61 總結(jié)與展望 63 參考文獻. 65 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文69 致謝 70V Contents Contents AbstractChinese. I AbstractEnglish. II Chapter 1 Preface 1 1.1 Research background and significance1 1.1.1 Reaearch b

23、ackground. 1 1.1.2 Research significance. 3 1.2 Domestic and foreign research status and existence problems5 1.2.1 Domestic and foreign research status. 5 1.2.2 Existence problems6 1.2.3 Trnds of development. 7 1.3 Research contents and chapters arrangement. 7 1.3.1 Research contents.

24、7 1.3.2 Chapters arrangement. 8 1.4 Chapter summary9 Chapter 2 Strength theory of gear and elastic contact theory10 2.1 Bending strength theory of gear10 2.1.1 Basic formula of bending strength calculation 10 2.1.2 Method of profile coefficient calculation11 2.1.3 Conditions of fillet

25、bending strength 12 2.1.4 Calculation of gear bending strength 13 2.2 Theory and calculation of tooth surface contact strength13 2.2.1 Gear contact strength theory. 13 2.2.2 Calculation method of gear contact stress. 14 2.3 Elastic contact theory and finite element method15 2.3.1 Elastic

26、 contact theory16 2.3.2 Finite element method about contact 18 2.4 Chapter summary 22 Chapter 3 Design method of supper-modulus gear. 23 3.1 Supper-modulus gear characteristic23 3.2 Study of method to design supper-modulus gear 23 3.2.1 Design of method supper-modulus gear. 23 3.2.2 Fi

27、nite element calculation of composite profile coefficient. 26 3.3 Chapter summary 31 Chapter 4 Contact analysis of rack and pinion in the installstion vessel jacking s- ystems32 4.1 Working condition calculation of the mechanism of rack and pinion. 31 4.2 Parameters design of rack and pini

28、on in the jacking systems32 4.2.1 Determinination of pinion parameter33 4.2.2 Parameters calculation of rack and pinion 35 4.3 Strength examination of rack and pinion 36 VI Contents 4.4 Parametric modeling of supper-modulus gear. 37 4.4.1 Concept of parameterization 37 4.4.2 Program im

29、plementation of gear parameters based on C# 38 4.4.3 Parametric modeling of rack and pinion in SolidWorks 40 4.5 Finite element contact analysis of rack and pinion 41 4.5.1 Finite element model of the mechanism of rack and pinion 41 4.5.2 Ineration modul in ABAQUS43 4.5.3 Results of finite

30、 element numerical simulation44 4.5.4 Stress analysis of rack and pinion. 46 4.6 Chapter summary 50 Chapter 5 Parameters optimization of rack and pinion in the installstion vessel j- acking systems. 51 5.1 Main parameters affecting carrying capacity of involute cylindrical gear 51 5.2 Op

31、timization model52 5.3 Impact analysis of the main parameters to gear carrying capacity 53 5.3.1 Effect of module m 53 5.3.2 Effect of pressure angle 54 5.3.3 Effect of profile shift x 55 5.3.4 Effect of tooth fillet coefficient56 f5.3.5 Effect of addendum coefficient h. 57 a5.3.6 Effec

32、t of tooth gap coefficient 58 c 5.3.7 Effect of width of rack b 59 5.4 Parameters optimization and anlysis resuilts of rack and pinion 61 5.5 Chapter summary 61 Conclusion and Prospect63 References. 65 Published Papers During Master Education69 Acknowledgement 70 VII 第 1 章 緒論 第 1 章

33、 緒論 1.1 課題研究背 景及 意義 1.1.1 研究背景 [1] 能源 是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),也是經(jīng)濟平穩(wěn)運行必不可少的物質(zhì)基 礎(chǔ)。世界經(jīng)濟的現(xiàn)代化快速發(fā)展,得益于化石能源,如石油、天然氣、煤炭及核裂變 能的廣泛投入應(yīng)用,因此它是建筑在化石能源基礎(chǔ)之上的一種經(jīng)濟。隨著人類社會的 不斷發(fā)展,科技的不斷進步,對能源的依賴程度不斷提案高,對能源的需求也日益增 加。 世界各國為了維護本國經(jīng)濟的平穩(wěn)發(fā)展,不斷加大對石油資源的戰(zhàn)略性勘探,尤 其自從全球爆發(fā)金融危機以來,有些西方國家甚至以武力干涉他國主權(quán)。中國是世界 上最大的發(fā)展中國家,也是經(jīng)濟發(fā)展速度最快的國家

34、之一,經(jīng)濟的增長和人口的壓力 [2-5] 對中國的能源供給提出了挑戰(zhàn)。中國作為世界第二大石油消費國 ,能源能否可持續(xù) 地獲取和利用,不僅關(guān)乎中國的能源安全,同時也關(guān)乎國家安全。當今世界很多國家 都在將能源政治化,以增加國際話語權(quán)和提高本國的政治地位,如果我們不解決好能 [6-7] 源問題,中國將會在國際交往中受制于人 。 [8-13] 在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下,風能 作為一種無污染和 可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。?jù)估算,全世界的風能總量約 1300億千瓦,我 國 10m 高度層的風能資源總儲量為 32.26 億千瓦,其中實際可開發(fā)利用的風能資源儲

35、 量為 2.53 億千瓦。世界上風力資源最豐富的區(qū)域基本分布在海上,就我國風能資源分 布來看,我國風能最豐富地區(qū)分布在東南沿海及其附近島嶼。近?？砷_發(fā)利用的風能 儲量為 7.5 億千瓦左右,約為陸上可開發(fā)利用風能的 3倍。 歐美一些國家正處于海上風電場大規(guī)模開發(fā)的前夕,歐洲國家已經(jīng)興建了一些大 [14] 型海上風電場 ,如丹麥 Horns 和 Nysted,英國的 North Hoyle。歐洲未來風力發(fā)電的 增長很大一部分將來源于海上。美國能源部也制定風力資源深海發(fā)展的戰(zhàn)略,將海上 油、氣開發(fā)技術(shù)經(jīng)驗與近岸淺水風能開發(fā)技術(shù)相結(jié)合,開展深海風能開發(fā)研究,包括 低成本的錨定技術(shù)

36、、平臺優(yōu)化、平臺動力學研究、懸浮風力機標準等。然而,目前海 上風能的利用率極其的低下,海上風電場開發(fā)比較多的主要是歐洲一些國家。但到 2006年底,歐洲近海風電裝機容量只占歐洲風電裝機容量的 1.8%,而我國在海上風電 場建設(shè)剛剛起步,國家科技支撐計劃提出要在“十一五”期間組織實施“大功率風電 機組研制與示范”項目,研制 2 兆瓦至 3 兆瓦風電機組,組建近海實驗風電場,形成 1 江蘇科技大學工學碩士學位論文 海上風電技術(shù)。國內(nèi)首個海上風電場?東海大橋風電場,才剛剛建成。 經(jīng)分析,今后海上風能開發(fā)將成為主要開發(fā)方向,有巨大的經(jīng)濟潛力。目前,風 電技術(shù)已經(jīng)成熟,然而海上風電機

37、組安裝相對于岸上風電機組安裝有較高的技術(shù)難度, 是海上風電場建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前還沒有理想的安裝設(shè)施,主要是靠租借大噸 [15] 位浮吊或起重船來安裝 ,租借費用極其昂貴,在歐洲雇傭大型施工用船的花費接近 于 150000 歐元/每天。目前最先進的安裝設(shè)備是自升式安裝船(英國海洋工程國際公 司“五月花”號) ,自升自航式風電機組安裝船由船體、推進器、樁腿和升降裝置等幾 個部分組成,既能自航,又能定位。風電機組安裝船在海上正常作業(yè)時,樁腿站立于 海底,依靠升降裝置將船體升到水面以上,升降機構(gòu)主要完成船體的升降運動、或?qū)? 船體固定于樁腿的某一位置,升降機構(gòu)承受著巨大的交變載荷,

38、所以升降機構(gòu)的安全 [16-17] 性不言而喻 。 本文研究的對象雖然是海洋風電吊裝船升降機構(gòu),但這種升降機構(gòu)的原理及結(jié)構(gòu) 與自升式海洋鉆井平臺的升降機構(gòu)一樣,無論是自升式吊裝船,還是自升式平臺的升 [18] 降系統(tǒng) 大致分為兩大類:齒輪齒條式和液壓油缸頂升式。齒輪齒條式升降的優(yōu)點是: 升降速度快;操作簡單;易對井位。缺點是齒輪齒條式價格貴,制造難度大。 升降裝置安裝在平臺主體和樁腿的交接處,升降機構(gòu)能使樁腿和平臺主體實現(xiàn)上 下相對運動,或把平臺主體固定于樁腿的某一位置。升降裝置的作用有兩個,其一是 在載荷很高的情況下,完成樁腿和船體之間的相對運動;其二是正常作業(yè)工況與

39、風暴 自存工況下,通過齒輪與齒條的靜態(tài)接觸,對平臺主體及相關(guān)設(shè)備起靜態(tài)支撐作用, 保持船體的固定位置。升降系統(tǒng)是自升式海洋平臺的關(guān)鍵部分,同時亦是設(shè)計制造的 重難點,齒輪齒條傳動機構(gòu)作為升降系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件,在平臺的設(shè)計制造和使用 中歷來受到高度重視,其性能的優(yōu)劣直接影響到平臺的安全性能、使用性能及經(jīng)濟性。 圖 1.1 齒輪齒條升降系統(tǒng) Fig.1.1 Rack and pinion jacking systems 2 第 1 章 緒論 齒輪齒條式升降裝置被廣泛地采用,主要是它們的操作性能良好,并有平穩(wěn)連續(xù) 升降的能力,升降速度快、操作靈活。只要加大裝置的動力,升降的

40、速度就能提高, 當動作停止時,必須嚙合剎車來撐住整個重量,全部載荷由所有升降單元中齒輪來分 擔,這就要求任何一個齒輪都不會由于載荷分配的不均,在相應(yīng)齒條上產(chǎn)生超載荷。 由于海洋環(huán)境條件相對比較惡劣,平臺升降所需時間的長短對平臺安全性也就顯得尤 為重要,同時時間短可減少平臺就位費用,因此新造的自升式平臺多采用齒輪齒條升 降方式。 [19] 所謂齒輪齒條升降系統(tǒng) ,就是在平臺的每根樁腿上設(shè)置幾根齒條,對應(yīng)于每根 齒條上設(shè)置幾個小齒輪,齒條及其對應(yīng)小齒輪數(shù)量根據(jù)平臺所要求的舉升能力和平臺 總體要求予以確定。動力通過樁邊馬達驅(qū)動齒輪減速箱,然后傳遞給與齒條嚙合的小 齒輪,從而帶動

41、平臺的升降。齒輪齒條式升降系統(tǒng)如圖 1.1所示。 齒輪齒條不僅要提供巨大的扭矩,還要承受巨大的沖擊載荷與變載荷作用,所以, 對齒輪齒條的設(shè)計提出了很高的要求。國際標準中漸開線圓柱齒輪最大模數(shù)為 50mm, 然而對于齒輪齒條式升降系統(tǒng)中的齒輪,其模數(shù)已經(jīng)遠遠超出了標準范圍,最大已達 135mm,齒輪其它主要參數(shù)也都在標準范圍之外,如升降系統(tǒng)中超大模數(shù)齒輪的壓力 角一般在 25° ~30°,對這類超大模數(shù)齒輪尚沒有成熟的設(shè)計理論及強度計算理論。 1.1.2 研究意義 近年來,隨著中國經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定地快速的發(fā)展和世界經(jīng)濟的復(fù)蘇,國內(nèi)對能源的 需求與日劇增,單一依靠常規(guī)能源已無法滿

42、足社會發(fā)展需求。隨著新能源的誕生,世 界各國包括中國都陸續(xù)出臺相關(guān)的政策,大力扶持新能源的開發(fā),我國的“十二五” 規(guī)劃中也詳細的規(guī)劃對新能源的支持。新能源主要包括太陽能、風能、生物質(zhì)能、地 熱能、核能、水能以及可再生能源衍生出來的生物燃料和氫能。與常規(guī)能源相比,新 能源屬于尚未被大規(guī)模利用、目前正在積極研究開發(fā)的能源,具有儲量豐富、可以循 環(huán)使用、沒有污染或很少污染等特點。相對于煤、石油和天然氣的不可再生性而言, 風能、太陽能以及生物質(zhì)能和地熱能都具有可再生性,因而屬于可再生能源,風能作 為關(guān)鍵的新能源倍受各國的親睞。我國海上風能資源比較豐富,10m 高度可利用的風能資源約 7

43、億多 KW。海上風 速高,很少有靜風期,可以有效利用風電機組發(fā)電容量;海水表面粗糙度低,風速隨 高度的變化小,可以降低塔架高度;海上風的湍流強度低,沒有復(fù)雜地形對氣流的影 響,可減少風電機組的疲勞載荷,延長使用壽命。一般估計海上風速比平原沿岸高 20%, 發(fā)電量增加 70%,在陸上設(shè)計壽命 20年的風電機組在海上可達 25 年到 30年,且距離 電力負荷中心很近。但是海上風能的開發(fā)利用面臨巨大的挑戰(zhàn),目前海上風電場的建 設(shè)設(shè)備基本上采用的是大型的浮吊船,這類大型浮吊船存在巨大缺陷,受到天氣環(huán)境 3 江蘇科技大學工學碩士學位論文 影響較大,作業(yè)效率非常低下,成本較高。由英國海洋

44、工程國際公司設(shè)計的“五月花” 號是目前世界上最先進的安裝設(shè)備,該船采用的是液壓缸頂升式升降系統(tǒng),而齒輪齒 條式升降系統(tǒng)相對液壓式升降系統(tǒng)會使船的升降速度快的很多,因而研發(fā)齒輪齒條式 升降系統(tǒng)的風電吊裝船將大大縮短海上風電場的建設(shè)周期,降低其建設(shè)成本,推進海 洋工程裝備的發(fā)展,提升海上風電場建設(shè)水平,提高風能資源的開發(fā)水平。 另外,齒輪齒條式升降系統(tǒng)在石油鉆井平臺中被廣泛采用。石油資源作為現(xiàn)代工 業(yè)經(jīng)濟的的基石,隨著世界經(jīng)濟現(xiàn)代化快速發(fā)展,對石油的需求量與日劇增,地球上 海洋面積約為地球整個面積的 70%,海底蘊藏著豐富石油資源,同樣海上石油資源的 開采面臨海洋工程裝備的挑戰(zhàn),

45、目前海洋工程裝備嚴重制約著海上石油的開發(fā)。海上 石油開采受到包括我國在內(nèi)的世界許多國家的高度重視,目前自升式鉆井平臺是海洋 石油資源勘探和開發(fā)的主要裝備,特別是在近海海洋石油開發(fā)中發(fā)揮了巨大的作用。 我國海洋石油的勘探、開采工作起步較晚,技術(shù)裝備相對落后,數(shù)量嚴重不足。 美國、法國等發(fā)達國家均有數(shù)百個海洋石油鉆井平臺在服役,而我國的海洋石油總公 司只有 11個海洋石油平臺。長期以來,我國用于海上石油開采的重大裝備,一直依賴 從國外購買,不但價格昂貴,而且缺少選擇余地。如 2011 年 6月,渤海灣一座的海上 油井發(fā)生了漏油事故,此油田是中海油與美國康菲公司的合作項目,開采設(shè)備及

46、管理 全部由美國康菲公司負責,這表明我國海上石油開采的裝備受制于人。因此,要改變 我國海洋石油開采技術(shù)落后的局面,就必須大力增加適合于近海大陸架海洋石油資源 開發(fā)的自升式鉆井平臺的數(shù)量,這為我國開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自升式平臺的齒輪 齒條升降系統(tǒng)提供了廣闊的市場前景。 另一方面,全世界自升式鉆井平臺建造的高峰期是上世紀的 70~80 年代,這些平 臺的絕大多數(shù)仍在繼續(xù)服役,其升降系統(tǒng)都到了更新改造的年代,這也是鉆井平臺升 降系統(tǒng)開發(fā)難得的機遇。在鉆井平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)中,超大模數(shù)齒輪齒條得到了廣泛應(yīng)用。我國部分 [20] 鉆井平臺研制的大模數(shù)齒輪齒條的主要參數(shù)見表 1.1

47、 。 鄭州機械研究所研制的齒輪的最大模數(shù)已達 101.6mm,且正在研制模數(shù) 135mm 的鉆井平臺用特大模數(shù)齒輪。另外,國家重大裝備中越來越多地應(yīng)用大模數(shù)齒輪齒條。 如三峽垂直升船機中,齒輪齒條模數(shù)為 62.67mm,齒輪齒條寬度分別為 600mm 和 810mm,單節(jié)齒條長度就達到 4725mm,單節(jié)齒條重約為 24000Kg。 國家標準 GB/T 10096-1998 規(guī)定中漸開線圓柱齒輪的模數(shù) m 最大為 50mm,ISO 標準中的模數(shù)最大也為 50mm,但目前齒輪齒條式升降系統(tǒng)中漸開線圓柱齒輪的模數(shù) 都遠超出了這個標準,對于現(xiàn)有的齒輪設(shè)計方法及強度計算方法,其計算公

48、式中的一 些參數(shù)都已無法確定,嚴格來說公式已不適用。因此,需要重新探索研究適合于超大 模數(shù)齒輪的設(shè)計理論及強度計算理論。 4 第 1 章 緒論 表 1.1 大模數(shù)齒輪齒條主要參數(shù) Table 1.1 Main parameter of supper-modulus pinion and rack 序號 名稱 模數(shù)mm 齒數(shù) 直徑mm 單重kg 研制數(shù)量 10 南海 4號齒輪齒條 40.64 34 1446 1900 8 9 南海 1號齒輪齒條 80.85 7 774.7 2000 36 8 勝利 5號大齒輪 33.87 44 1542 1240 8 7 勝利

49、 5號齒輪軸 67.73 7 570 537 3 6 渤海 12號齒輪軸 100 7 935 1109 2 5 渤海 4號大齒輪 38.1 40 1553.6 1500 2 4 渤海 4號大齒軸 81.28 7 774.7 1456 2 3 渤海 10號大齒輪 101.6 32 1710 994 2 2 渤海 10號齒輪軸 101.6 7 871.5 845 2 1 渤海 8號齒輪軸 50.8 7 431.8 200 38 由于超大模數(shù)齒輪齒條一般都用在重大裝備上,工況條件都比較惡劣,若齒輪齒 條因強度不足而失效將會造成重大損失,因此其齒輪的設(shè)計及強度校核計算都非

50、常關(guān) 鍵,必須保證齒輪齒條的強度有較大的安全系數(shù)。本課題在現(xiàn)有的漸開線圓柱齒輪設(shè) 計理論的基礎(chǔ)上,研究適合于超大模數(shù)齒輪的設(shè)計方法,利用有限元法分析研究超大 模數(shù)漸開線圓柱齒輪的主要參數(shù)對其彎曲強度及接觸強度的影響規(guī)律,具有重要的理 論意義和工程實用價值。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的吊裝船,將大大降低我國的風電場建設(shè) 成本及建設(shè)周期,促進我國對海洋風能資源的開發(fā),促進我國可再生能源事業(yè)的發(fā)展。 也將有助于我國船舶工業(yè)的發(fā)展,提升船舶的設(shè)計與制造水平,趕超世界先進水平, 使我國具有自主設(shè)計風電機組吊裝船的能力,填補國內(nèi)空白。 1.2 課題國內(nèi)外 研究 現(xiàn)狀及存 在問題 1.2.1 國

51、內(nèi)外研究現(xiàn)狀 升降系統(tǒng)作為自升式吊裝船或自升式平臺中的關(guān)鍵部分,在船的設(shè)計或建造過程 中歷來受到高度重視,其性能的優(yōu)劣直接影響船或平臺的安全和使用效果。齒輪齒條 式升降系統(tǒng)主要包括動力由電動機(或液壓馬達)輸出,通過聯(lián)軸器傳輸?shù)綔p速裝置, 再由減速裝置傳遞給小齒輪,最后通過小齒輪驅(qū)動齒條做直線運動,從而使船體與樁 腿的之間實現(xiàn)相對運動。目前在自升式平臺設(shè)計中齒輪齒條式升降系統(tǒng)應(yīng)用最為最廣, 齒輪齒條升降系統(tǒng)的涉及到許多前沿性知識,所涉及到的技術(shù)一直被西方國家所壟斷, 國內(nèi)所有齒輪齒條升降系統(tǒng)全部依靠國外進口,價格非常昂貴。 齒輪齒條式升降系統(tǒng)在國外已經(jīng)由幾十年的發(fā)展歷史,他

52、們設(shè)計制造的齒輪齒條 5 江蘇科技大學工學碩士學位論文 升降系統(tǒng)已經(jīng)成功的運用到許多的平臺或船上,并且基本上達到設(shè)計目標。由于齒輪 齒條升降系統(tǒng)中涉及到好多關(guān)鍵性技術(shù)難題,所以這項技術(shù)一直被國外所壟斷,尤其 是美、日、歐所壟斷,并對外封鎖、保密。當前國外技術(shù)比較領(lǐng)先的公司有美國的 LeTourneau 公司、美國的 Friede&Goldman 公司、美國的 BMC 公司、荷蘭的 MSC 公 [21] 司、日本的三井海洋開發(fā)公司 。 國內(nèi)的自升式平臺“中海油 5、6、9、10”號、“海洋石油 941”號都是采用美國 國名油井公司的 BLM 電動齒輪齒條升降機構(gòu); “中海油

53、 62”平臺采用 BAKERMARINE 公司制造的電動齒輪齒條升樁機構(gòu),型號為 BMPLJ800;國內(nèi)模型號自升自航修井作 [22] 業(yè)平臺采用齒輪齒條升降系統(tǒng)為 National Jacking Systems 200 系列升降裝置等 。由 于國內(nèi)船舶、海洋工程所需的升降系統(tǒng)全部依靠進口,其價格十分昂貴,嚴重制約著 國內(nèi)自升式船或平臺的海洋工程事業(yè)的發(fā)展,且維修還得依靠國外技術(shù),這樣又耗時 又耗錢,加重了成本。 [23-25] 丹麥的 A2SEA 公司是專業(yè)提供海上風機運輸、安裝和維修服務(wù)的公司 。自 從 2000 年公司成立以來,A2SEA 公司占據(jù)了世界海上風機安裝

54、市場的 75%的市場份 額。A2SEA公司在提供運輸和安裝重物體時的安全能力和效率已經(jīng)被證實,并且從當 今世界上最大的海上風電場那里得到見證。迄今為止,A2SEA公司在提供運輸和安裝 海上風機時的事故為零。A2SEA公司現(xiàn)在有兩艘起重船,專門用來提供相關(guān)的服務(wù)。 [26-28] A2SEA公司所擁有的吊裝船具有世界先進的技術(shù),它的升降機構(gòu)技術(shù)比較成熟 。 為了打破國外的壟斷技術(shù),促進國內(nèi)船舶與海洋工程工業(yè)的發(fā)展,國內(nèi)許多學者 也對升降機構(gòu)做了深入的研究。中海油田服務(wù)股份與鄭州機械研究所在這方 面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位,其它宏華石油設(shè)備在齒輪齒條方面也有自己的 先進技術(shù)。中海

55、油田服務(wù)股份與鄭州機械研究所聯(lián)合研制的“自升式鉆井平 臺齒輪齒條升降系統(tǒng)”是完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進設(shè)備,并申請了國家專利。 1.2.2 存在的問題 齒輪齒條傳動機構(gòu)是齒輪齒條式升降系統(tǒng)中關(guān)鍵核心部件,它的安全性、可靠性 直接關(guān)系到齒輪齒條升降系統(tǒng)設(shè)計的成敗,關(guān)系到自升式船的安全性、可靠性。所以 齒輪齒條傳動機構(gòu)的設(shè)計一直備受關(guān)注,在工況比較復(fù)雜、載荷巨大以及環(huán)境比較惡 劣的情況下,齒輪齒條需要采用大模數(shù)、大壓力角等參數(shù)、才能滿足要求,但超大模 數(shù)齒輪的設(shè)計理論尚缺,強度計算目前尚無相關(guān)的計算標準。同時,超大模數(shù)齒輪齒 條加工屬于極限加工,目前國內(nèi)制造經(jīng)驗缺乏,制造工藝不

56、成熟,正處于探索、試制 階段,尚無驗收標準、試驗裝備等。 6 第 1 章 緒論 1.2.3 發(fā)展趨 勢由于目前缺少成熟的超大模數(shù)齒輪設(shè)計理論及強度校核理論,國外的齒輪齒條升 降系統(tǒng)技術(shù)雖然已經(jīng)比較成熟,但仍顯得冗余復(fù)雜,體積大、重量大,制造成本高, 因此,對超大模數(shù)齒輪設(shè)計理論及強度校核理論深入研究具有重要意義。目前國內(nèi)外 總的發(fā)展趨勢:減少齒輪齒條升降系統(tǒng)的冗余;減少系統(tǒng)的體積,為自升式船提供更 大的可用空間;降低系統(tǒng)的重量,提高升降效率,降低制造成本;提高升降機構(gòu)的安 全性、可靠性;對齒輪齒條的設(shè)計采用最優(yōu)的設(shè)計參數(shù),以提高齒輪齒條的齒根彎曲 強度和齒面接觸強度,提高

57、齒輪齒條傳動機構(gòu)的耐沖擊性,提高齒輪齒條升降系統(tǒng)的 使用壽命。 1.3 課題研究內(nèi) 容及 章節(jié)安排 1.3.1 主要研究內(nèi)容 本文將以江蘇省科技支撐計劃項目《海上風電吊裝和運輸專用工作船研發(fā)》為對 象,對超大模數(shù)齒輪的設(shè)計方法展開研究,針對設(shè)計出的齒輪齒條傳動機構(gòu),進行有 限元接觸分析及優(yōu)化研究。 本文主要研究內(nèi)容如下: 1. 簡要介紹了國內(nèi)、外齒輪齒條式升降系統(tǒng)的背景、研究現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展 趨勢。 2. 齒輪強度理論與彈性接觸理論的分析 闡述了齒輪強度理論及彈性接觸理論,齒輪強度理論主要包括齒輪的彎曲強度理 論及接觸強度理論;而對彈性接觸理論主要研究

58、其理論含義以及在有限元法中的應(yīng)用。 為下文超大模數(shù)齒輪的設(shè)計方法、強度分析以及優(yōu)化研究奠定理論依據(jù)。 3. 超大模數(shù)齒輪設(shè)計方法的研究 分析目前齒輪設(shè)計方法對超大模數(shù)齒輪的不適應(yīng)性,及存在誤差的原因,在此基 礎(chǔ)上,將通過利用相似理論與有限元法相結(jié)合的方法,研究適合于任意模數(shù)、壓力角 等參數(shù)的齒輪設(shè)計方法。 4. 升降系統(tǒng)中齒輪齒條嚙合的接觸分析 針對風電吊裝船的參數(shù)及設(shè)計要求,分析最危險工況下齒輪齒條機構(gòu)所承受的外 載荷;并利用研究出的超大模數(shù)齒輪設(shè)計方法為其升降系統(tǒng)設(shè)計一套安全、可靠的齒 輪齒條傳動機構(gòu);基于 C#語言及 SolidWorks 軟件的二次開發(fā)技術(shù),開

59、發(fā)一套漸開線直 齒圓柱齒輪精確參數(shù)化建模程序,并建立齒輪齒條嚙合的三維模型;利用有限元法對 齒輪齒條傳動機構(gòu)進行接觸分析,并研究其齒面接觸應(yīng)力及齒根彎曲應(yīng)力在一個嚙合 7 江蘇科技大學工學碩士學位論文 周期內(nèi)的變化規(guī)律。 5. 升降系統(tǒng)中齒輪的優(yōu)化研究 針對影響齒輪強度的主要參數(shù):變位系數(shù) x、壓力角、齒頂高系數(shù) h 、齒頂隙 a? 系數(shù) c 、齒根圓角半徑系數(shù)、模數(shù) m及齒條寬度b,研究其每個參數(shù)對超大模數(shù)齒 f 輪承載能力的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上,對原設(shè)計的齒輪齒條機構(gòu)進行優(yōu)化,以提高 齒輪齒條傳動的彎曲強度與接觸強度。 1.3.2 章節(jié)安排 全文共分 6

60、章,論文的章節(jié)安排如圖 1.2所示。 第一章 緒論 第二章 齒輪的強度理論及彈 性接觸理論 第三章 超大模數(shù)齒輪設(shè)計方法 的研究與設(shè)計 第四章 升降系統(tǒng) 第五章 升降系統(tǒng)中 中齒輪齒條的接 齒輪齒條的參數(shù)分 觸分析 析 總結(jié)與展望圖 1.2 論文章節(jié)安排 Fig.1.2 Chapters arrangement of the thesis 第一章 簡要介紹了齒輪齒條式升降系統(tǒng)的研究背景和意義,分析了齒輪齒條式 升降系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在問題,概述了課題主要研究目標和內(nèi) 容。 第二章 闡述了齒輪強度理論及彈性接觸理論,齒輪強度理論主要包括

61、齒輪的彎 曲強度理論及接觸強度理論;而對彈性接觸理論主要分析其理論含義以及在有限元法 中的應(yīng)用。 8 第 1 章 緒論 第三章 針對風電安裝船齒輪齒條式升降系統(tǒng)中所采用的超大模數(shù)漸開線圓柱齒 輪,開展設(shè)計理論研究工作。利用相似理論和有限元相結(jié)合,研究適合任意模數(shù)及壓 力角的齒輪設(shè)計方法,建立了超大模數(shù)齒輪的模數(shù)及分度圓計算數(shù)學模型,并采用有 ' 限元法求解復(fù)合齒形系數(shù)Y 。 z 第四章 針對風電吊裝船的參數(shù)及設(shè)計要求,計算最危險工況(預(yù)壓工況)下齒 輪齒條機構(gòu)所受的外載荷;利用研究出的超大模數(shù)齒輪設(shè)計方法為其升降系統(tǒng)設(shè)計一 套安全、可靠的齒輪齒條傳動機構(gòu);基于 C#語言及 SolidWorks 軟件的二次開發(fā)技術(shù), 開發(fā)一套漸開線直齒圓柱齒輪精確參數(shù)化建模程序,并建立所設(shè)計的齒輪齒條傳動模 型;運用有限元軟件 ABAQUS對齒輪齒條傳動的齒根強度及齒面強度進行校核,并深入 研究超大模數(shù)齒輪齒條在一個嚙合周期內(nèi)接觸應(yīng)力及彎曲應(yīng)力的變化規(guī)律。 第五章 分析影響齒輪齒條強度的主要參數(shù),基于有限元法,研究齒輪的變位系 數(shù) x、壓力角、齒頂高系數(shù) h 、齒頂隙系數(shù) c 、齒根圓角半徑系數(shù)、模數(shù) m 及 a f 齒條寬度 b 對齒輪與齒條接觸強度及彎曲強度