100 kN液壓卷揚(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、總體設(shè)計(jì) 及工 作情況。其中對(duì)液壓卷揚(yáng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了分析和理論推導(dǎo)，為開發(fā)同類產(chǎn)品提供了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

卷揚(yáng)機(jī)是鉆探施工中升降鉆具、套管及處理孔內(nèi)事故的主要設(shè)備之一。液壓卷揚(yáng)機(jī) 結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，調(diào)整范圍大，操縱簡(jiǎn)單，易于安裝。它即可與鉆機(jī)配套，又可獨(dú)立使 用。是一個(gè)很值得開發(fā)的產(chǎn)品，為此我們進(jìn)行了100kN液壓卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作 。

1　液壓卷揚(yáng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1主要技術(shù)參數(shù)

單繩負(fù)荷F=100 kN，單繩速度V=1.2 m/s。

1.2　結(jié)構(gòu)(見圖1)

圖1　液壓卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1—液壓馬達(dá)；2—水剎車齒輪；3—卷筒；4—傳動(dòng)裝置；5—抱閘裝置；6 —漲閘裝置；7—液壓操縱；8—支架

2　液壓卷揚(yáng)機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)

100 kN液壓卷揚(yáng)機(jī)負(fù)載較大，這就要求卷揚(yáng)機(jī)的工作運(yùn)行及制動(dòng)必須安全可靠，而且傳動(dòng)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)要緊湊，操縱要方便，這就給設(shè)計(jì)工作帶來一定的難度。

2.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)卷揚(yáng)機(jī)首先要確定卷筒直徑，因?yàn)樗苯佑绊懢頁P(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速。如 果卷筒直徑大，會(huì)使卷揚(yáng)機(jī)的漲、抱閘系統(tǒng)的直徑增大，其產(chǎn)生的力矩大大增加；還使卷揚(yáng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)計(jì)算與結(jié)構(gòu)分析，我們確定鋼絲繩直徑d=34 mm， 卷筒直徑Dz=(12.5～27.3)d=655 mm，卷筒的計(jì)算直徑D計(jì)=757 mm。然后進(jìn)行抱閘計(jì)算及漲閘計(jì)算即確定了卷筒的外形結(jié)構(gòu)。

2.2　傳動(dòng)設(shè)計(jì)

卷筒直徑確定后，可以進(jìn)行卷揚(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算。由技術(shù)參數(shù)所知，卷揚(yáng)機(jī)在全載時(shí)的線 速度V=1.2 m/s，因此得到卷揚(yáng)機(jī)在全載時(shí)的輸出轉(zhuǎn)速n卷=30 r/min。這樣初估 卷揚(yáng)機(jī)的總功率：

N=FV/(102η)
=10000×1.2/(102×0.8)
=147 kW

式中：η卷揚(yáng)機(jī)初估總效率，取0.8。

選擇A7V250F型斜軸式軸向柱塞變量馬達(dá)為卷揚(yáng)機(jī)動(dòng)力液壓馬達(dá) 。

該馬達(dá)技術(shù)參數(shù)為：排量q=250 mL/r；最高轉(zhuǎn)速n=1400 r/min；最大壓力P=3 5 Mpa；最大功率N=204 kW。

因此卷揚(yáng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比：I=n輸入/n輸出=1400/30=46.7。

要完成這樣大的傳動(dòng)比，采用了2級(jí)行星齒 輪傳動(dòng)(見圖2)。行星齒輪傳動(dòng)體積小，能夠滿足卷揚(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)要求，同時(shí) 行星齒輪傳動(dòng)效率高，承載能力大，工作平穩(wěn)，用2級(jí)行星齒輪傳動(dòng)增大了傳動(dòng)比。由圖2可 求出傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際傳動(dòng)比I15。

圖2　2級(jí)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
IH13=(ω1-ωH)/(ω3-ωH)=-Z3/Z1

式中：IH13由Z1到Z3的傳動(dòng)比；ωH第一級(jí)行星架角速度。
IH2′5=(ω2′-ωh)/(ω5-ωh)=-Z5/Z2′

式中：IH2′5由Z2′到Z5的傳動(dòng)比；ωh第二級(jí)行星架角速度。

因?yàn)? ωH=0
所以 ω2′=-(Z5/Z2)ω5
又因?yàn)? ω3=ω5
所以 (ω1-ωH)/(ω3-ωH)=(ω1-ωH)/(ω5-ωH)=-Z3/Z1
故 (ω1-ωH)/(ω5-ωH)=-Z3/Z1
這樣得到 ω1Z1+ω5Z3=-ωH(Z1+Z3)
又因?yàn)椤ˇ豀=ω2′，則將ω2′=-(Z5/Z2′)ω5代入式中得：ω1/ω5=-(Z1Z5+Z3Z5+Z2′Z3)/(Z1Z2′)

經(jīng)計(jì)算I15=37.86，這就是卷揚(yáng)機(jī)的總傳動(dòng)比，它滿足了卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)速要求。

2.3　液壓系統(tǒng)的計(jì)算

首先計(jì)算液壓卷揚(yáng)機(jī)在全載情況下馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，即：n馬=I15n卷=37.86×30=1136r/min

由此得到馬達(dá)的排量：
Q=qcn馬×10-3/ηV=250×1136×10-3/0.94
=302 L/min

式中：ηV液壓馬達(dá)的容積效率，取0.94。
液壓系統(tǒng)的壓力：P=60N/Q=60×147/302=29.28 Mpa
取液壓卷揚(yáng)機(jī)的系統(tǒng)壓力為30 Mpa，這樣液壓馬達(dá)的實(shí)際輸出扭矩：

M=1.59 Pqηm×10-1　　　　=1.59×300×250×0.94 ×0.1
=1121 N.m

式中：ηm液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，取0.94。
馬達(dá)扭矩傳遞卷筒所產(chǎn)生的力：

F=2Mi15η卷.1000/D計(jì)
＝2 ×1121×37.86×0.90×1000/757
=100917 N=100.917 kN

式中：η卷液壓卷揚(yáng)機(jī)的機(jī)械效率，取0.90。
滿足了設(shè)計(jì)要求。
而馬達(dá)的實(shí)際功率：N=PQ/(60ηVηm)=30×302/(60×0.94×0.94)=171kW
液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足了卷揚(yáng)機(jī)的工作要求。

3　液壓卷揚(yáng)機(jī)的幾種工況

液壓卷揚(yáng)機(jī)主要有3種工況(見圖3)。

3.1　提升鉆具

當(dāng)漲閘漲緊卷筒，游星輪不能公轉(zhuǎn)，在中心輪的帶動(dòng)下，游星輪做自轉(zhuǎn)，帶動(dòng)內(nèi)齒圈使卷筒 旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)提升鉆具(見圖3a)。

3.2　下降鉆具

當(dāng)漲閘與抱閘都松開，卷筒處在自由狀態(tài)，在鉆具的自重作用下使卷筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)下降鉆具 (見圖3b)。

3.3　制動(dòng)鉆具

當(dāng)抱閘剎住卷筒，卷筒與內(nèi)齒圈同時(shí)被剎住不轉(zhuǎn)，此時(shí)游星輪既做自轉(zhuǎn)又做公轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)鉆具(見圖3c)。

圖3　液壓卷揚(yáng)機(jī)工況
(a)提升鉆具狀態(tài)；(b)下降鉆具狀態(tài)；?制動(dòng)鉆具狀態(tài)

液壓卷揚(yáng)機(jī)可根據(jù)工作狀況做無級(jí)調(diào)速，另外還可做到微動(dòng)升降，這在實(shí)際工作中有著特殊意義。