齿轮齿条式升降锁紧系统指南

第1章 通则

第1节 一般规定

• 一般要求： 本指南旨在为自升式海上移动平台齿轮齿条式升降锁紧系统的设计、制造、安装、检验与试验等方面提供指导，并规定了原型试验、出厂试验以及安装和调试的相关检验要求。
• 适用范围： 本指南适用于海上自升式平台的齿轮齿条式升降锁紧系统，也可用于其他船舶或海上设施的齿轮齿条式升降锁紧系统作为参考。

第2节 定义与缩写

• 定义： 定义了升降系统、锁紧系统、齿轮齿条式升降装置、升降单元、驱动机构、额定升降载荷、预压载载荷、最大静态支撑载荷、空载运行试验、耐久性试验、额定载荷试验、重载试验、超载试验、刹车试验等术语的含义。
• 缩写： 列出了FMEA、HRC、FAT、RPD等缩写的含义。

第3节 接受标准

• 一般要求： 接受按照国际标准、国家标准和行业标准的适用部分对齿轮齿条式升降锁紧系统进行设计、制造、安装、检验和试验，当接受标准与本指南要求存在不一致时，应以本指南要求为准。
• 接受标准： 列出了本指南接受的国际标准、中国国家标准、行业标准和国外标准，如ISO 19905-1、ISO 6336、ANSI/AGMA 2001-D04等。

第2章 技术要求

第1节 一般规定

• 一般要求： 齿轮齿条式升降锁紧系统除满足本指南要求外，还应满足CCS《材料与焊接规范》和《海上移动平台入级规范》的适用要求，并进行失效模式和影响分析（FMEA）以确保具有一定的冗余度。
• 其他要求： 升降锁紧系统应在空载、额定升降载荷、预压载等载荷下能正常运行，各密封处无泄漏；应能在失去动力时安全保持桩腿相对于平台高度；应具有足够的提升和支撑主体或桩腿装置的能力；主要部件材料的选择应考虑作业载荷、用途和设计温度等；工作处所应有良好的照明和便于维修的安全通道；升降装置的额定载荷应适当考虑桩腿齿条与导向板的摩擦和齿型误差等因素影响；主要部件的材料应根据作业载荷环境、用途和设计温度进行选择。

第2节 驱动机构

• 一般要求： 齿轮齿条式升降系统主要采用电动驱动和液压驱动，驱动机构的选型应考虑平台在本章2.1.1.11列举的工况下的可能最大载荷，并应考虑齿轮齿条之间摩擦、桩腿与导轨之间摩擦的影响、载荷在各齿轮齿条间的不均匀分配以及载荷传递失中的影响。
• 电动机： 采用电动机驱动时，任一桩腿电动升降系统的功率和结构应能保证在任一台电机损坏后仍能维持升降系统的继续运行；驱动电动机应设有防止过载、过热、断相等保护装置；若布置在危险区，则应满足相应等级的防爆要求。
• 液压驱动装置： 重要用途液压传动装置中的动力油泵，应设有备用泵，且能迅速转换使用；液压管系不应用于该管系外的任何机件的润滑；液压管及配件的强度，应能承受管系内可能产生的最高波动压力；管系中应设有防止压力脉冲的措施，液体的流态应保持层流；管系中应设有溢流阀，溢流一般应回至油箱；液压管系和液压油缸等设备应有放气装置，管系布置应避免空气的储积；在失火情况下，需要继续使用的管路和设备应采用耐火型的。
• 制动装置： 齿轮齿条式升降系统的刹车装置应为故障安全型，当升降机构动力源供给失效或中断时应处于制动锁紧状态；制动装置能力应不小于120%最大要求制动扭矩；每个升降单元上应装设刹车装置和人工释放装置；制动装置的关键部件应具有尽可能长的使用寿命。

第3节 密闭传动齿轮装置

• 一般要求： 密闭传动齿轮装置的选型应考虑升降系统承载能力与驱动机构的功率，应保证适当的润滑和良好的密封，并考虑材料热处理、制造工艺带来的残余应力以及载荷下箱体、轴的变形对啮合的影响。
• 传动齿轮： 传动齿轮应按照CCS接受的标准设计，应有足够的承载能力。
• 齿轮轴： 额定轴应力应按下式计算，弯曲和扭转最大应力应不超过图2.3.3.2所列值。
• 轴承： 套筒或润滑轴承应能充分承载所有运行条件下的径向及轴向负荷；液力径向轴承应使用巴氏合金或其他适合的材料，且应安装和固定在轴承座中以防止轴向和旋转运动；应根据轴承制造厂推荐的设计负荷和实用性来确定滚动轴承的选择。
• 箱体： 密闭传动齿轮装置箱体应有足够的强度和刚度，应严格控制轴承座孔的尺寸公差、圆度和同轴度等，应设置有观察窗和适当的透气装置。
• 齿面： 表面硬化的齿轮，其硬化层应均匀分布并延伸至整个齿面和圆角部分；对渗氮齿轮的硬化层深度一般应不小于0.30mm；非渗氮处理的表面硬化齿轮，完工后齿轮硬化层深度一般应不小于0.15mm；表面渗碳硬化齿轮，其表面硬度一般应不低于HRC52。

第4节 爬升齿轮与齿条锁紧系统

• 一般要求： 爬升齿轮和齿条的设计应给予特别考虑，齿面硬度一般等于或略大于齿条齿面的硬度，齿根弯曲安全系数应不小于1.5，齿根极限强度（破坏负荷）应不小于齿条的极限强度的1.1倍。
• 强度校核： 桩腿齿条、升降爬升齿轮、锁紧齿条及主要固定部件的强度校核应满足CCS《海上移动平台入级规范》第2篇第3章第4节的规定。

第5节 控制系统

• 一般要求： 集中升降控制站和每一桩腿位置之间应设有可靠的通信系统；升降、锁紧机械的操作控制站应设有所有必需的监控、报警和控制装置；升降装置应在桩边和集中升降控制站内分别设置操纵设备；锁紧装置应在桩边设置操纵设备；控制系统应能确保平台在额定升降过程中各个桩腿同步升降，升降停止后应有平衡各齿轮载荷的能力；如设置机械锁紧装置，控制系统应能对锁紧装置的状态进行实时监测，防止误动作。
• 电控系统： 每条桩腿应采用两台及以上电动机驱动，并符合下列要求：每台电动机应由最后分路供电；该最后分路应设有短路保护。
• 液控系统： 应正确选择和使用电控、气控和/或液控的液压元件；当系统关闭时，如果内部液压油液的回流会引起危险，应有防止系统液压油液流回油箱的措施。
• 安全及保护： 齿轮齿条式升降系统应具有上下限位保护装置、超速保护装置、过载、过流、断相及欠压保护装置、齿条相位差保护装置（如适用）。

第6节 锁紧装置

• 一般要求： 锁紧装置根据驱动型式可分为液压驱动和电机驱动，一般由锁紧齿形块、楔块、螺杆（螺旋千斤顶）、蜗轮蜗杆传动装置或齿轮箱、复位油缸、液压马达/电动机等组成；应具有在卡死情况下的解锁措施，解锁方式一般有：高压油缸解锁、升降协助解锁、双蜗杆式解锁、手动液压泵和手动卸荷阀以及沙盘应急解锁等；电气设备外壳防护等级应满足作业区域要求；在下列条件下，应能正常工作：环境温度、平台任何方向倾斜15°或摇摆15°、平台作业所产生的振动和冲击；焊接件焊缝应焊透，无气孔、夹渣、裂纹、咬边等影响强度的缺陷；应具有紧急情况下的快速锁紧能力；对关键部件的应力集中区域，如螺栓连接部位、楔块的转角处等，应进行优化设计或采用特殊的工艺处理，以提高疲劳强度；控制系统宜对解锁的条件进行检查，在满足解锁条件后，向锁紧装置的控制单元发送解锁信号；锁紧装置的设计应使其电气接口、液压接口和润滑接口与设备良好连接；楔块及锁紧齿形块应保证良好润滑；应设有自锁或其他固紧安全设备，在锁紧状态下，当失去动力时仍可保持桩腿与平台的锁紧状态；锁紧齿形块应采用与桩腿齿条相匹配的齿形，一般由合金结构钢锻造加工而成。
• 强度校核： 应验证螺杆传动的强度，强度计算公式可按下式计算；锁紧齿形块及主要固定部件的强度校核应参照CCS《海上移动平台入级规范》第2篇第3章第4节的规定；如传动装置为齿轮箱，则强度校核应满足本章第3节的相关要求；如传动装置为蜗轮蜗杆传动，则应按照公认的标准对蜗轮蜗杆强度进行校核。

第3章 产品检验

第1节 一般规定

• 一般要求： 齿轮齿条式升降锁紧系统产品检验除应满足本章要求外，还应满足CCS《海上移动平台入级规范》第1篇第3章和第4篇第6章、《钢质海船入级规范》第3篇第10章的相关适用要求。

第2节 产品图纸审查

• 一般要求： 开工前，申请单位应将图纸资料一式3份纸质或电子文件（PDF版）提交CCS进行审查；图纸资料应以中文或英文提交，应能清楚地表达产品的设计、组成、材料、尺寸，及其功能、性能参数；液压和气动装置（如适用）图纸应注明管路、阀等在内的控制元件和附件的材料、尺寸、类型、设计压力、设计温度、安全阀设定压力相关参数，还应提供必要的规范计算；当设计、材料、规格尺寸、性能及其他方面作任何重要改动时，应将修改的图纸资料重新提送CCS审查。
• 图纸资料： 应将下列图纸和资料提交CCS审查：升降和控制系统布置图及说明书、齿轮齿条式升降系统总图、齿轮齿条式升降系统主要零部件图及材料规格书、齿轮齿条式升降系统计算书、疲劳强度计算书（如必要时）、电气系统图、控制系统（电、气、液控及计算机控制）图、桩腿电控箱电气原理图、泵站电气原理图（如适用）、液压管路布置图（如适用）、液压系统原理图（如适用）、升降液压系统设计计算书（如适用）、升降液压系统管路计算书（如适用）、齿轮传动装置结构图、锁紧和控制系统布置图及说明书、锁紧装置主要零部件图及材料规格书、锁紧装置计算书、齿轮齿条式升降系统失效模式和影响分析报告（FMEA）、CCS认为必要的图纸和资料。

第3节 零部件检验

• 一般要求： 齿轮齿条式升降锁紧系统的主要部件包括驱动机构、密闭传动齿轮装置、爬升齿轮与齿条、控制系统、锁紧装置等；主要材料及其零部件的检验应满足CCS相关产品检验要求，具体的检验项目根据制造场地情况开展；主要材料及其零部件产品证书应满足CCS《海上移动平台入级规范》第1篇第3章的相关要求。
• 产品制造检验： 包括确认检验、试验计划及试验大纲、确认焊工能力或对焊工能力进行评定、确认无损检测能力、审查确认锻造工艺、热处理工艺、表面硬化处理（高频淬火、渗碳、渗氮）工艺、铸件表面缺陷修补工艺（适用时）、机加工工艺、焊接工艺规程、检查产品厂原材料的证书或文件、见证原材料的取样及理化性能复查试验并确认试验报告。
• 传动齿轮装置制造检验： 对齿轮轴和齿轮、齿轮箱体进行外观目视检验、尺寸检查、探伤、硬度检测等；对齿条进行原材料检查、外观检查、尺寸检查、探伤等。
• 液压驱动装置制造检验： 对液压马达、液压动力装置进行外观检查、材料检查、性能试验、压力试验等。
• 驱动电机： 进行外观检查、绝缘电阻测量、性能试验、刹车装置试验、FAT试验等。
• 控制柜（台）： 核查主要元器件或零部件的资料及测试报告、检查外观及内部接线、绝缘电阻测量、耐电压试验、参与功能试验、FAT试验等。
• 锁紧装置： 对机械零部件、齿轮箱齿轮箱、液压驱动装置、电动驱动进行制造检验。

第4节 原型试验

• 一般要求： 首制的升降系统需进行原型试验以验证设计强度及可靠性；工厂试验台作为认可试验场所，应能完成原型试验规定的试验项目。
• 空载试验： 检查升降单元安装情况和动作情况，检查啮合情况，检验过程中记录电机电流和齿轮箱噪音。
• 额定载荷试验： 升降单元进行额定载荷试验60min。
• 耐久性试验： 试验过程中齿条应做匀速慢速运动，使用额定载荷测试，连续运行50小时；不同模数升降齿轮在额定载荷下运行50小时后，其齿面磨损量应满足表3.4.4.3的要求。
• 重载试验： 加载预压载载荷运转60min。
• 超载试验： 在试验载荷下缓慢运行使升降爬升齿轮正反转各一周。
• 刹车试验： 刹车装置应进行动态刹车试验和静态刹车试验，并应对制动装置的手动释放及复位功能进行试验验证。
• 人工释放装置试验： 人工释放装置应功能可靠，每个传动轴系上均应配备人工释放装置，且在动力源中断时，可通过人工操作实现制动解除；操作应安全便捷，人工释放过程应设计合理，避免因操作力过大或路径复杂导致延误；若系统配有机械锁紧装置，人工释放试验应与锁紧机构联动试验，确保两者动作协调；操作释放后，应验证系统具备自动复位或可靠锁定机制。
• 拆检： 试验结束后应对升降单元进行解体，检验爬升齿轮、爬升齿轮轴、减速箱、带刹车盘的电机、逆功电阻、中控台等部件。

第5节 出厂试验

• 一般要求： 未经型式认可的升降单元，原型试验后，出厂试验应包括空载试验、额定载荷试验、刹车试验；业经型式认可的升降单元，其出厂试验应包括空载试验、额定载荷试验。
• 空载试验： 检查升降单元安装情况和动作情况，检查爬升齿轮和齿条啮合情况，检验过程中记录电机电流和齿轮箱噪音。
• 额定载荷试验： 每套升降单元应进行额定载荷试验60min。
• 重载试验： 每套升降单元加载至预压载载荷运转15min。
• 刹车试验： 动态刹车试验、静态刹车试验。

第6节 安装与调试

• 升降装置安装： 检查升降单元箱体垫块安装情况、定位螺栓预紧后的间隙和安装扭力情况、爬升齿轮与桩腿齿条的啮合侧隙、导向间隙、桩腿舷管齿条相位差测量装置安装情况。
• 系统联调： 主要对升降装置的控制线路、安全保护触点进行确认调试，确保在发生意外时保护装置能够及时动作；进行安全保护及控制试验、最大预压载试验、最大动载荷升降试验、全程升降试验、拔桩试验。

附录1 齿轮齿条式升降锁紧系统FMEA一般做法

第1节 一般规定

• 一般要求： 针对齿轮齿条式升降锁紧系统开展FMEA分析的目的，是通过对系统的失效模式、失效机理、失效后果、严重程度、频度数进行分析，并根据失效影响的程度及频度来制定相应的处理措施，来消除故障或降低故障带来的影响，从而提高系统可靠性，以满足CCS规范相应要求；齿轮齿条式升降系统的FMEA分析方法，宜满足CCS《故障模式和影响分析应用指南》的要求。
• 分析范围： 针对齿轮齿条式升降锁紧系统开展FMEA，分析范围应包括但不限于以下机械传动系统或设备：爬升齿轮、齿条、减速箱、制动器、限位器、其他机械传动系统或设备；电气控制系统或设备：控制台、桩腿控制单元、控制箱、电源柜、其他用于控制、通讯的设备；液压系统或设备：液压泵、电磁换向阀、其他液压系统或设备。
• 分析示例： 针对齿轮齿条式升降锁紧系统的中央控制台、桩腿控制单元、机旁控制箱、变频电源柜、其他设备、机械部分、液压泵站等进行FMEA分析。