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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:

                 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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