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100kN液壓卷揚機的設計
時間：2022-03-05來源：起重機廠家瀏覽次數：306
摘要：介紹了100kN液壓卷揚機的結構、總體設計及工作情況。其中對液壓卷揚機傳動系統的設計做了分析和理論推導，為開發同類產品提供了設計數據。
關鍵詞：液壓卷揚機；卷筒；傳動比
卷揚機是鉆探施工中升降鉆具、套管及處理孔內事故的主要設備之一。液壓卷揚機結構緊湊，傳動平穩，調整范圍大，操縱簡單，易于安裝。它即可與鉆機配套，又可獨立使用。是一個很值得開發的產品，為此我們進行了100kN液壓卷揚機的設計工作。
1液壓卷揚機主要技術參數及結構
1.1主要技術參數
單繩負荷F=100kN，單繩速度V=1.2m/s。
1.2結構(見圖1)
圖1液壓卷揚機結構示意圖
1—液壓馬達；2—水剎車齒輪；3—卷筒；4—傳動裝置；5—抱閘裝置；6—漲閘裝置；7—液壓操縱；8—支架
2液壓卷揚機的總體方案設計
100kN液壓卷揚機負載較大，這就要求卷揚機的工作運行及制動必須安全可靠，而且傳動系統結構要緊湊，操縱要方便，這就給設計工作帶來一定的難度。
2.1結構設計
設計卷揚機首先要確定卷筒直徑，因為它直接影響卷揚機的結構及轉速。如果卷筒直徑大，會使卷揚機的漲、抱閘系統的直徑增大，其產生的力矩大大增加；還使卷揚機的轉速下降，達不到設計要求。經計算與結構分析，我們確定鋼絲繩直徑d=34mm，卷筒直徑Dz=(12.5～27.3)d=655mm，卷筒的計算直徑D計=757mm。然后進行抱閘計算及漲閘計算即確定了卷筒的外形結構。
2.2傳動設計
卷筒直徑確定后，可以進行卷揚機的轉速計算。由技術參數所知，卷揚機在全載時的線速度V=1.2m/s，因此得到卷揚機在全載時的輸出轉速n卷=30r/min。這樣初估卷揚機的總功率：
N=FV/(102η)
=10000×1.2/(102×0.8)
=147kW
式中：η卷揚機初估總效率，取0.8。
選擇A7V250F型斜軸式軸向柱塞變量馬達為卷揚機動力液壓馬達。
該馬達技術參數為：排量q=250mL/r；最高轉速n=1400r/min；最大壓力P=35Mpa；最大功率N=204kW。
因此卷揚機傳動系統的最大傳動比：I=n輸入/n輸出=1400/30=46.7。
要完成這樣大的傳動比，采用了2級行星齒輪傳動(見圖2)。行星齒輪傳動體積小，能夠滿足卷揚機的結構要求，同時行星齒輪傳動效率高，承載能力大，工作平穩，用2級行星齒輪傳動增大了傳動比。由圖2可求出傳動系統的實際傳動比I15。
圖22級行星齒輪傳動系統示意圖
IH13=(ω1-ωH)/(ω3-ωH)=-Z3/Z1
式中：IH13由Z1到Z3的傳動比；ωH第一級行星架角速度。
IH2′5=(ω2′-ωh)/(ω5-ωh)=-Z5/Z2′
式中：IH2′5由Z2′到Z5的傳動比；ωh第二級行星架角速度。
因為ωH=0
所以ω2′=-(Z5/Z2)ω5
又因為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)
又因為ωH=ω2′，則將ω2′=-(Z5/Z2′)ω5代入式中得：ω1/ω5=-(Z1Z5 Z3Z5 Z2′Z3)/(Z1Z2′)
經計算I15=37.86，這就是卷揚機的總傳動比，它滿足了卷揚機轉速要求。
2.3液壓系統的計算
首先計算液壓卷揚機在全載情況下馬達的實際轉速，即：n馬=I15n卷=37.86×30=1136r/min
由此得到馬達的排量：
Q=qcn馬×10-3/ηV=250×1136×10-3/0.94
=302L/min
式中：ηV液壓馬達的容積效率，取0.94。
液壓系統的壓力：P=60N/Q=60×147/302=29.28Mpa
取液壓卷揚機的系統壓力為30Mpa，這樣液壓馬達的實際輸出扭矩：
M=1.59Pqηm×10-1=1.59×300×250×0.94×0.1
=1121N.m
式中：ηm液壓馬達的機械效率，取0.94。
馬達扭矩傳遞卷筒所產生的力：
F=2Mi15η卷.1000/D計
＝2×1121×37.86×0.90×1000/757
=100917N=100.917kN
式中：η卷液壓卷揚機的機械效率，取0.90。
滿足了設計要求。
而馬達的實際功率：N=PQ/(60ηVηm)=30×302/(60×0.94×0.94)=171kW
液壓系統的設計滿足了卷揚機的工作要求。
3液壓卷揚機的幾種工況
液壓卷揚機主要有3種工況(見圖3)。
3.1提升鉆具
當漲閘漲緊卷筒，游星輪不能公轉，在中心輪的帶動下，游星輪做自轉，帶動內齒圈使卷筒旋轉，實現提升鉆具(見圖3a)。
3.2下降鉆具
當漲閘與抱閘都松開，卷筒處在自由狀態，在鉆具的自重作用下使卷筒旋轉，實現下降鉆具(見圖3b)。
3.3制動鉆具
當抱閘剎住卷筒，卷筒與內齒圈同時被剎住不轉，此時游星輪既做自轉又做公轉，實現制動鉆具(見圖3c)。
圖3液壓卷揚機工況
(a)提升鉆具狀態；(b)下降鉆具狀態；?制動鉆具狀態
液壓卷揚機可根據工作狀況做無級調速，另外還可做到微動升降，這在起重機實際工作中有著特殊意義。
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