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100kN液压卷扬机的设计

热度647票 时间:2011年5月06日 19:32

4^Kz%q(jTT0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。

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!X ^5RDB0关键词:液压卷扬机;卷筒;传动比拓松汽车户外网 -'q$y;}.]0X'L7t

拓松汽车户外网 -zY.F,@p.~2`

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 。

H!g/wU S!C(r9e(f0

MZs1l0`;]\OS01 液压卷扬机主要技术参数及结构拓松汽车户外网 -'f9d$^` CYg^7D9P

拓松汽车户外网 -p }2|.s+Si9Nr*s

1.1主要技术参数拓松汽车户外网 -o&B)fdI

拓松汽车户外网 - b vo9bV| @

单绳负荷F=100 kN,单绳速度V=1.2 m/s。

f @3mj,Zz!l|0 拓松汽车户外网 -tj4OsT4lnv

1.2 结构(见图1)

R+OXf)tu.^p0

(Nf ~I lnt V0

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Y] hh;_nh0图1 液压卷扬机结构示意图拓松汽车户外网 -BF3d Cj"qwO ~ |

拓松汽车户外网 - R(V~U{?Uj

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 -:g%k1}i#Z#d&?2Vm

拓松汽车户外网 -s3N9b7M yU1T

100 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。拓松汽车户外网 -Hli;AX QdN

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2.1 结构设计拓松汽车户外网 -n;Xn5b0W4Q }^5Lc

6? U @'c%^?2Q0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 -t)H'T r5j$D

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2.2 传动设计

"gw;GR/S|5B;q0 拓松汽车户外网 - fz0e8p dW0NK

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:

+c6Z*t0n,e8n5q0

?v-cm0S Gn5Z1{0N=FV/(102η)

;B7S:RD+O{9l0 拓松汽车户外网 -.}q\9Ru3W.R@I

=10000×1.2/(102×0.8)拓松汽车户外网 - k;mH)~(];AV

拓松汽车户外网 -$R{0n-jql@:hD

=147 kW

5a u-`$J^I"Cv t0 拓松汽车户外网 -0a r%d1x/?)p3f2~X2^

式中:η卷扬机初估总效率,取0.8。

7D,V y8cO,U0 拓松汽车户外网 -/{.v8EF k,u

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 。

?G8O+E$I{0 拓松汽车户外网 -vN3lQ'w6sh

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。

4`:RT,qqX SHC0 拓松汽车户外网 -qA$Ct:[*Sw C6n

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。

r$O#AC.k3DU7Xr0

v g?*OK7\-i_0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。

B Vq|l kdo\ @7j!e0 拓松汽车户外网 -tyQQ5Agf

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"G'hq"miv0图2 2级行星齿轮传动系统示意图拓松汽车户外网 -8{;\6{!U!e Z5FB

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IH13=(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 -+H$K9^6r/C

zYRU4b2Q.C0IH2′5=(ω2′-ωh)/(ω5-ωh)=-Z5/Z2′拓松汽车户外网 - [ e!B/yb3Y&]0G A/B R

(Q {-|;Wb4n}?'kBm0式中:IH2′5由Z2′到Z5的传动比;ωh第二级行星架角速度。拓松汽车户外网 -VC&b:Pk

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因为 ωH=0拓松汽车户外网 -ZPC(d*j[w#M2i-B

拓松汽车户外网 -KItgVfv1}9~:R

所以 ω2′=-(Z5/Z2)ω5

,g'[*T:m4lCD A0 拓松汽车户外网 -^'j0{Kj%p8J3H

又因为 ω3=ω5拓松汽车户外网 -:JWA1Qr(k

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所以 (ω1-ωH)/(ω3-ωH)=(ω1-ωH)/(ω5-ωH)=-Z3/Z1

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G{ @urs0故 (ω1-ωH)/(ω5-ωH)=-Z3/Z1

HJ/uc hG3a0 拓松汽车户外网 -l2@9m&{,Hxw

这样得到 ω1Z1+ω5Z3=-ωH(Z1+Z3)拓松汽车户外网 -6C~.]^1Bt*Q

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

6Q T5DrQ s0 拓松汽车户外网 -&H)s$s Jfw5O

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。

9eT&T-nSD L N0

2b$@T9M(cV02.3 液压系统的计算

Rt9~!QP&U3q0 拓松汽车户外网 -0otDyy*r'N

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

w0_D4FL$`+p [#{?/A0

Jh\ aTt0由此得到马达的排量:拓松汽车户外网 -Zv!K X#|R

Yda8bpd"XS0Q=qcn马×10-3/ηV=250×1136×10-3/0.94拓松汽车户外网 - upN(Z1U&f

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=302 L/min拓松汽车户外网 -5pI ZL7P8L'q

Z\bP9rv^*ykC0式中:ηV液压马达的容积效率,取0.94。拓松汽车户外网 -0tqK Sd9E

PH&pqVC0液压系统的压力:P=60N/Q=60×147/302=29.28 Mpa

'~:e}E]K cd8JI0

q4H_lb-v"i0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:

0e+|ZRN;SA:e0 拓松汽车户外网 -D$D4U#cy2}

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

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i W3@5}Jtz0=1121 N.m拓松汽车户外网 -0KoM!`8EY4vzG@

拓松汽车户外网 -Y5wJ,bnz;~

式中:ηm液压马达的机械效率,取0.94。

^S2N:s `OJg*UM0 拓松汽车户外网 -6\e3x `@]n a$N[zy/[}

马达扭矩传递卷筒所产生的力:

(C ZrP\-f0

r5v c |p@$h*f0F=2Mi15η卷.1000/D计

*Sb!Y$o$AG#j UJ)Y/N}X0

s&p7z4p"q,co0=2 ×1121×37.86×0.90×1000/757拓松汽车户外网 -l4qi F~AY p

;Z@.L&]0\^u m0=100917 N=100.917 kN

X5U ~6KM`$_0

:RI y Kd0n/C[0式中:η卷液压卷扬机的机械效率,取0.90。拓松汽车户外网 -5O)d w9B.{

hUp8Gq0满足了设计要求。

,m,FWWb'_0 拓松汽车户外网 -4Bgl&dU4w

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

E[%fa^i~0

$w E0[-m5wm Z0液压系统的设计满足了卷扬机的工作要求。

6q0j'Y(`!O;o0

K~ z:ml$v&z03 液压卷扬机的几种工况

%K e+l'f9b0 拓松汽车户外网 - ] h|'Q4v J(S6iQ:C

液压卷扬机主要有3种工况(见图3)。拓松汽车户外网 -T.M|8o?%b%k#c

fo6A8KS(]6^03.1 提升钻具

p0DE&t:t:T~0 拓松汽车户外网 -$Q jMAhw}!Y

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 - M jws)z"K(F{,~?

6k:}.Q(Xj!?]03.2 下降钻具拓松汽车户外网 -"\L"?_%V!v

-?l1l8`&x-kO&}0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)。

1z?g"i^3Y n4T({0 拓松汽车户外网 -4Q#RH.Wg.TZPf\

3.3 制动钻具拓松汽车户外网 -;`J/b6[1^1}

(@(t4A'IC8e1Fh0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)。

q7yU,o/t/W`0

)H2M0_l!x#j)c#~0

fOzK5| Y7y/V0 拓松汽车户外网 -8MK3OZY9}7S0`

图3 液压卷扬机工况拓松汽车户外网 -3WhA6d/L

$r&CD R;O b0(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 - ~,{%I+X l.AL:I+k

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