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100kN液压卷扬机的设计

热度802票时间：2011年5月06日 19:32

dB)M!u2`]9~0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。

关键词：液压卷扬机；卷筒；传动比

yWB*n'E5F0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。

+e0L {yP,LP,B01　液压卷扬机主要技术参数及结构拓松汽车户外网 -k D?QRBI

FV-S2I%{kU&J01.1主要技术参数

"E kPc*K:p3G)|D}0单绳负荷F=100 kN，单绳速度V=1.2 m/s。

1.2　结构(见图1)

$~.e|6@'D,H]:d0

$]+I xS:g0图1　液压卷扬机结构示意图拓松汽车户外网 -8rK ],s)@

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

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。

K&~] H+T}02.1　结构设计

*NG|+b pN_0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。

+T J-D6]+i02.2　传动设计拓松汽车户外网 -E1Ke3ab~5i

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：

O;@&@Zo,qAM0N=FV/(102η)

=10000×1.2/(102×0.8)拓松汽车户外网 -oFlZSg4X

=147 kW

式中：η卷扬机初估总效率，取0.8。

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 --~x![1T`3vL

nE {T%Y*d0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。拓松汽车户外网 -jMy.i4J3] ^H

9@E@.[\DDI0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。

JT(T4UFq0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。

2UGS_cGQg0拓松汽车户外网 -wZ!T t3}6y)V&i

J&H hBu zv0图2　2级行星齿轮传动系统示意图拓松汽车户外网 -pg.N%A"f?]

7Xd ?]#K#f$E [.C0IH13=(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。

^`/lz7OaGK'v5Y0IH2′5=(ω2′-ωh)/(ω5-ωh)=-Z5/Z2′

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 -5g RA`b x^k

j;a.uUFt}0因为 ωH=0拓松汽车户外网 -9t6I M%G5v*oG

c+Y rEd;x?-X0所以 ω2′=-(Z5/Z2)ω5

又因为 ω3=ω5

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

Bj-OhEh;p-p j.y0故 (ω1-ωH)/(ω5-ωH)=-Z3/Z1拓松汽车户外网 -9]lvq0O:f WP

,R$p,Q1WN*hEN0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′)

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。

|M f8od%R'g sr02.3　液压系统的计算

:Fe JZ["vM(n'E!M0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

由此得到马达的排量：

Q=qcn马×10-3/ηV=250×1136×10-3/0.94

=302 L/min

:mZv*?3T.[0o_4m0式中：ηV液压马达的容积效率，取0.94。

\R:XyJ4Jp)Jl0液压系统的压力：P=60N/Q=60×147/302=29.28 Mpa

U9UmF5O Y9u0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：拓松汽车户外网 -5dxE0QV;z

M=1.59 Pqηm×10-1　　　　=1.59×300×250×0.94 ×0.1拓松汽车户外网 -6f'}3|V&p3Y2b!f

=1121 N.m

k#|H)V(K&S0式中：ηm液压马达的机械效率，取0.94。拓松汽车户外网 -8w?P`;S6P

马达扭矩传递卷筒所产生的力：拓松汽车户外网 - A pFi'zm}

F=2Mi15η卷.1000/D计

R2k-tEBp9B0＝2 ×1121×37.86×0.90×1000/757拓松汽车户外网 -8tfd9Ss

@#{1I?K0Je"?NS0=100917 N=100.917 kN

式中：η卷液压卷扬机的机械效率，取0.90。

满足了设计要求。拓松汽车户外网 -N{7P\t9B3|

而马达的实际功率：N=PQ/(60ηVηm)=30×302/(60×0.94×0.94)=171kW拓松汽车户外网 -W2WfIl^Pe

液压系统的设计满足了卷扬机的工作要求。拓松汽车户外网 -i5ho:]QE

!b#P,HNGxE$O03　液压卷扬机的几种工况拓松汽车户外网 -5vvOnQ*\-ww

[j/M+sf r;a0液压卷扬机主要有3种工况(见图3)。

`Y'Be&l4f/z1D'oY03.1　提升钻具

B^n`-D5b P)]$x.L0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)。

*QIm)Z8v)Ev03.2　下降钻具

/O,u2A,C0p0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)。

{.|1p t5P5y n03.3　制动钻具拓松汽车户外网 -Z#j_2x8rE3y[

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)。

3~1d!m)d2M2G1pI0拓松汽车户外网 -&^aS6@Ya

M nO$o6pqtS0图3　液压卷扬机工况

$T~1FBaq'Q'T-[.K!q%h'L0(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。

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