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
基于技术上的可行性、本钱的优势和范围生产的可能性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。
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