海上钻井平台顶驱齿轮箱技术参数的测量、分析和优化

顾志超，高常军

（中海油田服务股份有限公司，天津 300452）

顶部驱动装置，简称顶驱，是钻井平台的关键设备。某钻井平台顶驱在海上经过5 年的钻井作业，出现齿轮箱异响现象，为了排除顶驱齿轮箱故障，我们将顶驱解体，拆下齿轮箱，发现齿轮箱部分轴承座孔磨损。齿轮箱是顶驱的关键部件，由于没有该进口设备的技术参数，严重影响顶驱齿轮箱的修理工作，为了掌握顶驱齿轮箱的技术参数，需测量齿轮箱的技术参数，通过对故障和技术参数的分析，找出故障与技术参数之间的关系，并在齿轮箱修理中优化相关的技术参数。

1 齿轮箱体结构测量和分析

1.1 齿轮箱体结构形式

齿轮箱体见图1。齿轮箱体结构形式分为：整体式外壳与刨分式外壳，本齿轮箱属于整体式外壳结构。

1.2 齿轮箱结构测量和分析

齿轮箱由钢板焊接而成。钢板焊接的钢结构不同于铸钢结构和铸铁结构，铸钢结构和铸铁结构材质硬且脆，不产生塑性变形，受力损坏形式是产生裂纹；而钢板焊接的钢结构韧性较大，受力易变形。为了判断齿轮箱结构是否变形，对齿轮箱进行了测量。

图1 齿轮箱体图

齿轮箱正前面（图1 中前竖直面），对角线尺寸：1 503 mm×1 503 mm。两条对角线尺寸相等，均为1 503 mm。

齿轮箱顶面（图1 中上水平面），对角线尺寸：1 125 mm×1 125 mm。两条对角线尺寸相等，均为1 125 mm。

齿轮箱左侧面，对角线尺寸为：1 273 mm×1 273 mm。两条对角线尺寸相等，均为1 273 mm。

齿轮箱右侧面，对角线尺寸为：1 273 mm ×1 273 mm。两条对角线尺寸相等，均为1 273 mm。

对以上测量数据分析得知，齿轮箱多个面其对角线尺寸相等，因此，我们判断齿轮箱体结构未发生明显变形。

2 齿轮箱轴承座孔测量和技术参数分析

2.1 齿轮箱轴承座孔测量

为了保证测量的精度要求，使用内径百分表测量齿轮箱轴承座孔内径。

测量主动轴前轴承座：测量水平方向和垂直方向的轴承座孔径尺寸。

测量主动轴后轴承座：测量水平方向和垂直方向的轴承座孔径尺寸。

测量传动轴前轴承座：测量水平方向和垂直方向的轴承座孔径尺寸。

测量传动轴后轴承座：测量水平方向和垂直方向的轴承座孔径尺寸。

至于输出轴前轴承座和输出轴后轴承座，这两个轴承分别安装在轴承座套上，轴承座套与齿轮箱用螺栓固定连接，轴承与齿轮箱无相对运动，不存在磨损问题，因此没有必要对这部分尺寸进行测量。

参数测量数据见表1。

表1 测量数据

2.2 齿轮箱轴承座技术参数分析

我们根据轴承座与轴承的公差与配合[1]，结合轴承座的磨损状况，进行齿轮箱轴承座技术参数分析。

2.2.1 主动轴前轴承座技术参数分析

表1 的测量数据显示，主动轴前轴承座的最小尺寸φ180+0.005 mm，最大尺寸φ180+0.155 mm。根据轴承的标准公差[1]，轴承外径的上偏差为0，轴承外径的最大极限尺寸为φ180 mm。轴承与轴承座的配合间隙偏大。

轴承座孔表面状况见图2。

图2 主动轴前轴承座

图2 显示，轴承座表面有磨损，轴承跑外圈，运行时产生异响。

2.2.2 主动轴后轴承座技术参数分析

表1 的测量数据显示，主动轴后轴承座的最小尺寸φ200+0.000 mm，最大尺寸φ200+0.018 mm。轴承外径的上偏差为0，轴承外径的最大极限尺寸为φ200 mm。轴承与轴承座的配合间隙适宜。

轴承座孔表面状况见图3。

图3 主动轴后轴承座

图3 显示，轴承座表面光滑，轴承座表面未磨损；轴承运行正常。

2.2.3 传动轴前轴承座技术参数分析

表1 的测量数据显示，传动轴前轴承座的最小尺寸φ215+0.040 mm，最大尺寸φ215+0.045 mm。轴承外径的上偏差为0，轴承外径的最大极限尺寸为φ215 mm。轴承与轴承座的配合间隙尚可。

轴承座孔表面状况见图4。

图4 传动轴前轴承座

图4 显示，轴承座表面较光滑，轴承座表面未磨损；轴承运行正常。

2.2.4 传动轴后轴承座技术参数分析

表1 的测量数据显示，传动轴后轴承座的最小尺寸φ215+0.040 mm，最大尺寸φ215+0.800 mm。轴承外径的上偏差为0，轴承外径的最大极限尺寸为φ215 mm。轴承与轴承座的配合间隙偏大。

轴承座孔表面状况见图5。

图5 显示，轴承座表面磨损严重，轴承跑外圈；轴承运行时产生异响。

图5 传动轴后轴承座

3 齿轮箱技术参数在修理中的优化

通过对齿轮箱的测量和分析，我们明确了齿轮箱的相关技术参数，若沿用这些技术参数修理齿轮箱，可解决目前的齿轮箱故障问题，但是，原齿轮箱使用5 年出现故障，会不会重蹈覆辙？为了提高设备的使用年限，应对技术参数进行评估；对于不适合设备长期良好运转的技术参数，将进行技术参数优化。

3.1 齿轮箱轴承座技术参数的优化

按照国家标准GB/T 1800.2—2009[2]，列出了齿轮箱轴承座φ215 的极限偏差尺寸、载荷状态、齿轮箱结构，并根据我们的装配工作经验，给出了相应公差的装配方式，详见表2 参数与配合状态。

表2 参数与配合状态

公差与配合的不同，将使装配方式发生改变。当轴承与轴承座存在装配间隙的情况下，例如轴承座内径与轴承的装配，可用常温装配方式；当轴承与轴承座无装配间隙、过盈配合的情况下，轴承外径大于轴承座孔径，可利用热胀冷缩的原理冷冻轴承，使轴承尺寸缩小至轴承座尺寸以下，以便将轴承装入轴承座；待恢复常温后，轴承尺寸恢复变大，轴承外圈与轴承座涨紧，这种配合可避免轴承跑外圈，例如轴承座内径与部分轴承的装配。

对于其它尺寸的轴承座如φ180 mm 等参数优化，可参照上述方法，本文不再赘述。

3.2 齿轮箱修理

齿轮箱整体上数控镗铣床，以主动轴后轴承座孔中心为基准轴线，找正，同轴度控制在0.02 mm 以内，利用数控机床确定轴承座孔中心相对位置坐标，并记录，测算各轴承孔中心距。

激光焊前预处理，清磨轴承座孔，激光堆焊，见图6。

图6 激光堆焊

堆焊后，二次上数控镗铣床进行轴承座孔机械加工，轴承座加工后的尺寸见表3。

表3 数据显示：轴承座加工后的尺寸均符合技术参数的优化要求。

表3 轴承座加工后的尺寸

表面粗糙度Ra≤1.6 μm；

UT 超声波无损探伤；

清理齿轮箱；

检修齿轮[3]；

装配轴、齿轮、轴承，冷冻后装配至齿轮箱轴承座；

齿轮箱内注润滑油；

安装顶驱。

按照中海油田服务股份有限公司企业标准《Q/HS YF 147—2010 变速机维修规范》[4]对齿轮箱进行调试，带载荷运行，齿轮箱运行平稳，无异常振动和噪音，解决了轴承跑外圈的故障问题，顶驱工作正常。

4 结论

顶驱齿轮箱技术参数的测量、分析和优化，为设备的修理提供了技术依据，解决了轴承跑外圈、轴承座表面磨损、运行时产生异响的故障，修理后的设备运行状态良好。突破了进口设备的技术壁垒，实现了进口设备的自主修理，在优化设备性能，提升设备的承载能力，减少设备故障，提高设备使用年限方面，进行了有益的尝试，为进口设备技术革新开辟了一条途径。本文中的技术参数测量、分析和优化方法具有一定的借鉴和推广价值。