100kN液壓卷揚機的設計

100 kN液壓卷揚機的結構、總體設計 及工 作情況。其中對液壓卷揚機傳動系統的設計做了分析和理論推導，為開發同類產品提供了設計數據。

卷揚機是鉆探施工中升降鉆具、套管及處理孔內事故的主要設備之一。液壓卷揚機 結構緊湊，傳動平穩，調整范圍大，操縱簡單，易于安裝。它即可與鉆機配套，又可獨立使 用。是一個很值得開發的產品，為此我們進行了100kN液壓卷揚機的設計工作 。

1　液壓卷揚機主要技術參數及結構

1.1主要技術參數

單繩負荷F=100 kN，單繩速度V=1.2 m/s。

1.2　結構(見圖1)

圖1　液壓卷揚機結構示意圖
1—液壓馬達；2—水剎車齒輪；3—卷筒；4—傳動裝置；5—抱閘裝置；6 —漲閘裝置；7—液壓操縱；8—支架

2　液壓卷揚機的總體方案設計

100 kN液壓卷揚機負載較大，這就要求卷揚機的工作運行及制動必須安全可靠，而且傳動系 統結構要緊湊，操縱要方便，這就給設計工作帶來一定的難度。

2.1　結構設計

設計卷揚機首先要確定卷筒直徑，因為它直接影響卷揚機的結構及轉速。如 果卷筒直徑大，會使卷揚機的漲、抱閘系統的直徑增大，其產生的力矩大大增加；還使卷揚 機的轉速下降，達不到設計要求。經計算與結構分析，我們確定鋼絲繩直徑d=34 mm， 卷筒直徑Dz=(12.5～27.3)d=655 mm，卷筒的計算直徑D計=757 mm。然后進行抱閘計算及漲閘計算即確定了卷筒的外形結構。

2.2　傳動設計

卷筒直徑確定后，可以進行卷揚機的轉速計算。由技術參數所知，卷揚機在全載時的線 速度V=1.2 m/s，因此得到卷揚機在全載時的輸出轉速n卷=30 r/min。這樣初估 卷揚機的總功率：

N=FV/(102η)
=10000×1.2/(102×0.8)
=147 kW

式中：η卷揚機初估總效率，取0.8。

選擇A7V250F型斜軸式軸向柱塞變量馬達為卷揚機動力液壓馬達 。

該馬達技術參數為：排量q=250 mL/r；最高轉速n=1400 r/min；最大壓力P=3 5 Mpa；最大功率N=204 kW。

因此卷揚機傳動系統的最大傳動比：I=n輸入/n輸出=1400/30=46.7。

要完成這樣大的傳動比，采用了2級行星齒 輪傳動(見圖2)。行星齒輪傳動體積小，能夠滿足卷揚機的結構要求，同時 行星齒輪傳動效率高，承載能力大，工作平穩，用2級行星齒輪傳動增大了傳動比。由圖2可 求出傳動系統的實際傳動比I15。

圖2　2級行星齒輪傳動系統示意圖
IH13=(ω1-ωH)/(ω3-ωH)=-Z3/Z1

式中：IH13由Z1到Z3的傳動比；ωH第一級行星架角速度。
IH2′5=(ω2′-ωh)/(ω5-ωh)=-Z5/Z2′

式中：IH2′5由Z2′到Z5的傳動比；ωh第二級行星架角速度。

因為 ωH=0
所以 ω2′=-(Z5/Z2)ω5
又因為 ω3=ω5
所以 (ω1-ωH)/(ω3-ωH)=(ω1-ωH)/(ω5-ωH)=-Z3/Z1
故 (ω1-ωH)/(ω5-ωH)=-Z3/Z1
這樣得到 ω1Z1+ω5Z3=-ωH(Z1+Z3)
又因為　ωH=ω2′，則將ω2′=-(Z5/Z2′)ω5代入式中得：ω1/ω5=-(Z1Z5+Z3Z5+Z2′Z3)/(Z1Z2′)

經計算I15=37.86，這就是卷揚機的總傳動比，它滿足了卷揚機轉速要求。

2.3　液壓系統的計算

首先計算液壓卷揚機在全載情況下馬達的實際轉速，即：n馬=I15n卷=37.86×30=1136r/min

由此得到馬達的排量：
Q=qcn馬×10-3/ηV=250×1136×10-3/0.94
=302 L/min

式中：ηV液壓馬達的容積效率，取0.94。
液壓系統的壓力：P=60N/Q=60×147/302=29.28 Mpa
取液壓卷揚機的系統壓力為30 Mpa，這樣液壓馬達的實際輸出扭矩：

M=1.59 Pqηm×10-1　　　　=1.59×300×250×0.94 ×0.1
=1121 N.m

式中：ηm液壓馬達的機械效率，取0.94。
馬達扭矩傳遞卷筒所產生的力：

F=2Mi15η卷.1000/D計
＝2 ×1121×37.86×0.90×1000/757
=100917 N=100.917 kN

式中：η卷液壓卷揚機的機械效率，取0.90。
滿足了設計要求。
而馬達的實際功率：N=PQ/(60ηVηm)=30×302/(60×0.94×0.94)=171kW
液壓系統的設計滿足了卷揚機的工作要求。

3　液壓卷揚機的幾種工況

液壓卷揚機主要有3種工況(見圖3)。

3.1　提升鉆具

當漲閘漲緊卷筒，游星輪不能公轉，在中心輪的帶動下，游星輪做自轉，帶動內齒圈使卷筒 旋轉，實現提升鉆具(見圖3a)。

3.2　下降鉆具

當漲閘與抱閘都松開，卷筒處在自由狀態，在鉆具的自重作用下使卷筒旋轉，實現下降鉆具 (見圖3b)。

3.3　制動鉆具

當抱閘剎住卷筒，卷筒與內齒圈同時被剎住不轉，此時游星輪既做自轉又做公轉，實現制動鉆具(見圖3c)。

圖3　液壓卷揚機工況
(a)提升鉆具狀態；(b)下降鉆具狀態；?制動鉆具狀態

液壓卷揚機可根據工作狀況做無級調速，另外還可做到微動升降，這在實際工作中有著特殊意義。