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100kN液压卷扬机的设计

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热度619票浏览21次时间：2011年5月06日 19:32

y8Nd4WT1摘要：介绍了100 kN液压卷扬机的结构、总体设计及工作情况。其中对液压卷扬机传动系统的设计做了分析和理论推导，为开发同类产品提供了设计数据。拓松汽车户外网 -mr@2@6T2gk4G

OS'P2}e#]1关键词：液压卷扬机；卷筒；传动比

卷扬机是钻探施工中升降钻具、套管及处理孔内事故的主要设备之一。液压卷扬机结构紧凑，传动平稳，调整范围大，操纵简单，易于安装。它即可与钻机配套，又可独立使用。是一个很值得开发的产品，为此我们进行了100kN液压卷扬机的设计工作。

1　液压卷扬机主要技术参数及结构

5?G-PZo+JG11.1主要技术参数

9H}/K5re V }a1单绳负荷F=100 kN，单绳速度V=1.2 m/s。

_2^K0UrU)Yp11.2　结构(见图1)拓松汽车户外网 - F~sp;}p5K[

拓松汽车户外网 -8az6CC.Wtz

图1　液压卷扬机结构示意图

1—液压马达；2—水刹车齿轮；3—卷筒；4—传动装置；5—抱闸装置；6 —涨闸装置；7—液压操纵；8—支架2　液压卷扬机的总体方案设计拓松汽车户外网 -.}Wnt5]%Y&J0k

6b#ih};q:r0O{C7tF;Q1100 kN液压卷扬机负载较大，这就要求卷扬机的工作运行及制动必须安全可靠，而且传动系统结构要紧凑，操纵要方便，这就给设计工作带来一定的难度。

2.1　结构设计

设计卷扬机首先要确定卷筒直径，因为它直接影响卷扬机的结构及转速。如果卷筒直径大，会使卷扬机的涨、抱闸系统的直径增大，其产生的力矩大大增加；还使卷扬机的转速下降，达不到设计要求。经计算与结构分析，我们确定钢丝绳直径d=34 mm，卷筒直径Dz=(12.5～27.3)d=655 mm，卷筒的计算直径D计=757 mm。然后进行抱闸计算及涨闸计算即确定了卷筒的外形结构。拓松汽车户外网 -rk&k4G|?$g

2.2　传动设计

卷筒直径确定后，可以进行卷扬机的转速计算。由技术参数所知，卷扬机在全载时的线速度V=1.2 m/s，因此得到卷扬机在全载时的输出转速n卷=30 r/min。这样初估卷扬机的总功率：

!_~8m:h&]&N_F6O1N=FV/(102η)

(_kM$hl0`1=10000×1.2/(102×0.8)拓松汽车户外网 -/\t+Ac.{KQ

=147 kW拓松汽车户外网 -2rD&g$k.K.U

AWKJ8h,Ym"h{%|1式中：η卷扬机初估总效率，取0.8。

W#cuOT'yj2L1选择A7V250F型斜轴式轴向柱塞变量马达为卷扬机动力液压马达。拓松汽车户外网 -#l5K$t.bVr)Q U

;B+I+y4Kb#f S5m-w1该马达技术参数为：排量q=250 mL/r；最高转速n=1400 r/min；最大压力P=3 5 Mpa；最大功率N=204 kW。

因此卷扬机传动系统的最大传动比：I=n输入/n输出=1400/30=46.7。

要完成这样大的传动比，采用了2级行星齿轮传动(见图2)。行星齿轮传动体积小，能够满足卷扬机的结构要求，同时行星齿轮传动效率高，承载能力大，工作平稳，用2级行星齿轮传动增大了传动比。由图2可求出传动系统的实际传动比I15。拓松汽车户外网 -#{ isCz#Cuq

拓松汽车户外网 -B'j2Ke9auz p

XE9T2S"`k8y1图2　2级行星齿轮传动系统示意图

6xXX0]k+^y.qk1IH13=(ω1-ωH)/(ω3-ωH)=-Z3/Z1式中：IH13由Z1到Z3的传动比；ωH第一级行星架角速度。拓松汽车户外网 -DW#m!vYE

IH2′5=(ω2′-ωh)/(ω5-ωh)=-Z5/Z2′拓松汽车户外网 -s4nMk!cZV

式中：IH2′5由Z2′到Z5的传动比；ωh第二级行星架角速度。

^FT0T qz#l_1因为 ωH=0

&RB$x#~YVv1所以 ω2′=-(Z5/Z2)ω5拓松汽车户外网 -.hs9p9s*o(@

又因为 ω3=ω5

m v/O^kc {`1所以 (ω1-ωH)/(ω3-ωH)=(ω1-ωH)/(ω5-ωH)=-Z3/Z1

故 (ω1-ωH)/(ω5-ωH)=-Z3/Z1

这样得到 ω1Z1+ω5Z3=-ωH(Z1+Z3)

又因为　ωH=ω2′，则将ω2′=-(Z5/Z2′)ω5代入式中得：ω1/ω5=-(Z1Z5+Z3Z5+Z2′Z3)/(Z1Z2′)

r%X:rm*?F1经计算I15=37.86，这就是卷扬机的总传动比，它满足了卷扬机转速要求。拓松汽车户外网 -/G2lfQs

2.3　液压系统的计算拓松汽车户外网 -sRzOkR SQ

首先计算液压卷扬机在全载情况下马达的实际转速，即：n马=I15n卷=37.86×30=1136r/min拓松汽车户外网 -t],j5tg{'z

由此得到马达的排量：拓松汽车户外网 -l0`X:k f-M N3n

mA0N,Y+P/v? x$P0L1Q=qcn马×10-3/ηV=250×1136×10-3/0.94

=302 L/min

式中：ηV液压马达的容积效率，取0.94。

Ye7Ek+v'aE1液压系统的压力：P=60N/Q=60×147/302=29.28 Mpa拓松汽车户外网 -,iz.Z7vx"A$a~

#XF ~!iCQY#nr5D1取液压卷扬机的系统压力为30 Mpa，这样液压马达的实际输出扭矩：

M=1.59 Pqηm×10-1　　　　=1.59×300×250×0.94 ×0.1

=1121 N.m拓松汽车户外网 -]cu)cgUY

式中：ηm液压马达的机械效率，取0.94。

马达扭矩传递卷筒所产生的力：

K6E;~1F.KLc ur?1F=2Mi15η卷.1000/D计拓松汽车户外网 -r^}J/{X~

oh3VyY"@.FJEf1＝2 ×1121×37.86×0.90×1000/757

'Y3U U_Oc$^1=100917 N=100.917 kN拓松汽车户外网 -H|4o*cmB

式中：η卷液压卷扬机的机械效率，取0.90。拓松汽车户外网 -Y U,j8D{J4v

p8jC8~0R\d9_1满足了设计要求。

而马达的实际功率：N=PQ/(60ηVηm)=30×302/(60×0.94×0.94)=171kW

液压系统的设计满足了卷扬机的工作要求。

3Z?N{N1l13　液压卷扬机的几种工况拓松汽车户外网 -0NCa^Me7{/f

:D| [Y~ V3|E*P1液压卷扬机主要有3种工况(见图3)。

3.1　提升钻具拓松汽车户外网 -+]J!HW#r

|@4^_^1当涨闸涨紧卷筒，游星轮不能公转，在中心轮的带动下，游星轮做自转，带动内齿圈使卷筒旋转，实现提升钻具(见图3a)。拓松汽车户外网 -]C$F0v)u,W a

3.2　下降钻具

当涨闸与抱闸都松开，卷筒处在自由状态，在钻具的自重作用下使卷筒旋转，实现下降钻具 (见图3b)。

lc'C wX h1P_/m13.3　制动钻具拓松汽车户外网 -0Uf1k#K*QMd

:^l0eI7z5tN1当抱闸刹住卷筒，卷筒与内齿圈同时被刹住不转，此时游星轮既做自转又做公转，实现制动钻具(见图3c)。拓松汽车户外网 -;ZZTMR m3G'm

拓松汽车户外网 - KE(HJ6G7E yB

图3　液压卷扬机工况

(a)提升钻具状态；(b)下降钻具状态；?制动钻具状态液压卷扬机可根据工作状况做无级调速，另外还可做到微动升降，这在实际工作中有着特殊意义。拓松汽车户外网 -G6?o8jlmA"\&L

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