目前100kN液压卷扬机的设计

100kN液压卷扬机的设计

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

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

1.1主要技术参数

单绳负荷F=100 kN，单绳速度V=1.2 m/s。

1.2 结构(见图1)

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 未来250℃的峰值工作温度将成为现实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，这就给设计工投资本钱低作带来一定的难度。

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。

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=常规吊装带（合成纤维吊装带）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：

N=FV/(102η)

=10000×1.2/(102×0.8)

=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 。

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又可以分为碳纤维增强复合材料(CFRP)和碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)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。

图2 2级行星齿轮传动系统示意图

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。

IH2′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。

因为 ωH=0

所以 ω2′=-(Z5/Z2)ω5

又因为 ω3=ω5

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′)

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。

2.3 液压系统的计算

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=I15以保障国内和铝材料的供应n卷=37.86×30=1136r/min

由此得到马达的排量：

Q=qcn马×/ηV=250×1136×/0.94

=302 L/min

式中：ηV液压马达的容积效率，取0.94。

液压系统的压力：P=60N/Q=60×147/302=29.28 Mpa

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× =1.59×300×250×0.94 ×0.1

=1121 N.m

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：

F=2Mi15η卷.1000/D计

＝2 ×1121×37.86×0.90×1000/757

=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。

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。

3 液压卷扬机的几种工况

液压卷扬机主要有3种工况(见图3)。

3.1 提升钻具

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)。

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)。

3.3 制动钻具

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)。

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。