液压卷扬机结构分析

液压卷扬机工作原理~

液压卷扬机结构如图4-1所示。

图4-1 液压卷扬机结构图

卷扬机是采用轴向柱塞式液压马达1驱动主轴8，经行星轮系10减速传至卷筒9，通过钢丝绳作提升或下降工作。在卷筒右端装有制动器，并设有环形液压缸。从图中可知弹簧3通过液压缸活塞4压紧摩擦片6，由于制动底座是固定的，这时定位盘5被制动，主轴8不能转动。
在油路设计上液压马达与环形液压缸油路是并联的。当卷扬机启动时，同时向液压马达和环形液压缸供压力油，进入环形液压缸的压力油克服弹簧张力使制动器松开，卷筒工作。卷扬机的提升或下降，均由液压马达驱动。当油路卸荷时，环形液压缸的压力消失，制动器在弹簧的张力作用下，定位盘被制动，卷筒处于刹车状态。在下放钻具时，当下放速度过快，超过液压马达供油时，由于回油路上平衡阀的限速作用使钻具以一定速度匀速下降。

卷扬机又称升降机，是钻机的主要执行部件之一。卷扬机主要用于钻进过程中钻具和 套管的升降，采用绳索取心钻进工艺，钻机还要单独配备一提升力较小的绳索取心卷扬机。
1.基本要求
钻进过程中，升降系统的主要作用是升降钻具。升降工序时间占整个钻孔钻探总时间 的比值随孔深而增加，一个2000m深的钻孔，比值能占到20％～35％。所以说，升降系统 的完善程度，直接影响钻探效率与质量，升降系统应满足以下基本要求：
（1）升速度大小、级数、调速范围与起重量的确定，应能最大限度地降低升降工序的机动时间和尽可能提高功率利用率。
（2）下钻时，由于操作或孔内情况骤然变化，使升降系统承受较大的动负载；孔内发生卡钻时需进行强力起拔。因此要求升降系统结构与强度能适应这种负载特点。
（3）升降钻具时，微动升降动作频繁，这种动作能否准确完成，不仅影响钻进效率，而且影响钻进质量（如提钻时，发生岩心脱落）；处理孔内事故过程的微控升降准确与否，直接影响排除事故的速度和效果。因此，除操作原因外，要求卷扬机起放灵敏，平稳可靠。
（4）提高升降工序的准确性和速度，避免事故，卷扬机的操纵位置应便于操作者观察 孔口。
（5）卷扬机的布局应有利于排绕钢丝绳。
2.液压卷扬机工作原理
如图4-12所示，卷扬机采用轴向柱塞式液压马达1驱动主轴8，经过行星轮系统10减速 传至卷筒9，通过钢丝绳进行提升或下降工作。在卷筒右端装有制动器，并设有环形液压 缸。从图中可知弹簧3通过液压缸活塞4压紧摩擦片6，由于制动底座是固定的，这时定位 盘5被制动，主轴8不能转动。

图4-12 液压卷扬机结构图

在油路设计上液压马达与环形液压缸油路是并联的。当卷扬机启动时，同时向液压马 达和环形液压缸供压力油，进入环形液压缸的压力油克服弹簧张力使制动器松开，卷筒工 作。卷扬机的提升或下降，均由液压马达驱动。当油路卸荷时，环形液压缸的压力消失，制动器在弹簧的张力作用下，定位盘被制动，卷筒处于刹车状态。在下放钻具时，当下放 速度过快，超过液压马达供油时，由于回油路上平衡阀的限速作用使钻具以一定速度呈匀 速下降。
3.轮系传动比计算
图4-1 3为卷扬机传动简图，此轮系是一个混合轮系。混合轮系是既有定轴轮系又有周转轮系。在计算混合轮系的传动比时，不能把它看做一个整体，而用一个统一的公式来进 行计算，必须把混合轮系中定轴轮系部分和周转轮系部分分开，然后分别按不同的方法计 算它们的传动比，最后联立求解。
划分轮系的时候，关键是把其中的周转轮系找出来。周转轮系的特点是有行星轮，所 以首先要找到行星轮，然后找出杆系（注意杆系不一定是简单的杆状），以及与行星轮啮 合的所有中心轮。每一个杆系连同杆系上的行星轮和行星轮相啮合的中心轮就组成一个周 转轮系。在一个复杂的混合轮系中，可能包含有几个周转轮系（每个杆系都对应一个周转 轮系），当将这些周转轮系划出来后，剩下的便是定轴轮系。

图4-13 卷扬机传动简图

先把卷扬机中的轮系分出来，如图4-13所示，由齿轮1、2、3与杆系H组成的周转轮 系。左边由于杆系H1是固定的，所以齿轮4、5与齿轮3组成一个定轴轮系。齿轮4与4′ 是 一个双联齿轮，杆系H由内齿轮花键与4外齿轮啮合，连接成一体。
现分别计算它们的传动比：
定轴轮系的传动比为：

深部找矿钻探技术与实践

周转轮系的传动比为：

深部找矿钻探技术与实践

由于齿轮4、与杆系H是一个内、外齿轮啮合的联轴器，

深部找矿钻探技术与实践

上两式联立求出：

深部找矿钻探技术与实践

根据上式中给出的齿轮齿数值，可求出不同的传动比，而得出不同的卷筒转速。
4.液压卷扬机的使用与维护
使用液压卷扬机前必须对卷扬机结构机械性能了解透彻。并遵守操作规程和安全指南。
（1）定期更换齿轮油。包括：
1）换油：运行完第一个1 00h后应该更换齿轮油，之后每运行1000h或者6个月更换一次，两者当中选择间隔时间较短的一个来执行。齿轮油必须更换以防止磨损部件损害到齿 轮运行的可靠性和安全性，以及对轴承、齿轮和密封圈的侵蚀。如果不能按照推荐的最小 间隔时间换油，则可能导致出现间歇性刹车滑动，从而造成卷扬机损坏，甚至严重的人身 伤害。
2）油面：齿轮油面应每运行500h或者3个月检查一次，两者中选择时间较短的来执 行。检查油面时，拆下位于卷筒座中心位置的大螺塞。油面应该位于与此开口底部持平的 位置。
3）推荐使用行星齿轮油：实践经验表明使用合适的行星齿轮油对于保证刹车离合器 的可靠性和安全性，以及获得较长的齿轮寿命具有至关重要的作用。
如果使用的行星轮油类型和黏度不恰当，则可能导致间歇性刹车离合器滑动，造成卷 扬机损坏，甚至造成严重的人身伤害。某些齿轮润滑剂含有大量的防滑添加剂，这些可能 导致刹车离合器滑动并造成刹车离合器圆盘和密封圈的损伤。由于环境温度导致油的黏度 发生变化，这对于刹车离合器运行的可靠性也具有关键性作用。实验表明过重或者过稠的 齿轮油可能导致间歇性刹车离合器滑动。所以必须确保卷扬机上的齿轮油的黏度与其主要 的环境温度相适应。
（2）卷扬机启动前进行预热程序。每次启动之前应进行预热程序，当环境温度低于 4℃时，必须进行预热。
启动时应当按照推荐的最低可靠性能运行，同时保持液压卷扬机控制阀处于齿轮的空 挡上，从而保证有足够的时间来预热系统。然后卷扬机应当以低速来回运行几次，以便将 预热的液压油灌注到所有润滑点上，并使齿轮油润滑流过行星齿轮装置。
如果不对卷扬机进行适当预热，尤其是在环境温度较低的情况下没有适当的预热，将 可能导致由于较高的反压力启动刹车而出现临时性刹车滑动，从而可能造成卷扬机损坏和 严重的人身伤害。
（3）在卷扬机卷筒上缠绕钢丝绳时，不要期望靠手将其捋紧，而应将其抓住“一把倒 一把”地将其缠紧。
（4）不要使用断股的钢丝绳。
（5）不要对卷扬机的任何部分进行焊接。
（6）不要超过液压卷扬机规格中的最大油压力和流量。
（7）保持液压系统洁净并避免受到污染。
（8）每年对卷扬机所有齿轮部件进行一次拆卸和检测。

由液压卷扬机的工作原理可知，卷扬机由下列主要部件组成：①液压马达：液压马达型式常为轴向柱塞式和径向柱塞式马达，轻载卷扬机可采用端面配油的摆线齿轮马达；②制动器：其结构为液压常闭多片盘式制动器，弹簧制动液压松开；③减速器：一般为一级或二级行星轮系；④卷筒和机架：⑤阀块：阀块由梭阀、平衡阀及油路块集成。图4-1就是此种类型结构卷扬机。

1.自带减速器的卷扬机

图4-4所示AF15000型液压卷扬机是将液压马达、制动器和减速器等部件组成一体，称为卷扬机减速机。减速机外壳与卷筒固定，而液压马达外壳与支架固定。不同规格型号的减速机，配以相应卷筒和机架，即组成液压卷扬机的系列产品。

图4-4 AF15000型液压卷扬机

2.具有自由下放功能的卷扬机

具有自由下放功能的液压卷扬机有两种型式结构。一种是传动输出轴与卷筒之间设一离合器，离合器结构类似制动器，详见图4-5ILYJ5系列自由下放卷扬机。离合器也是常闭式，弹簧闭合，液压分离，由单独换向阀控制。

图4-5 ILYJ5系列自由下放卷扬机

图4-6是具有自由下放速度可调的液压卷扬机，在卷筒上设有闸带制动器，通过控制液压缸中压力，即可实现重载自由下放过程中的速度调节。

图4-6 ILYJ5系列自由下放速度可调的卷扬机

另一种具有自由下放功能液压卷扬机的液压原理见图4-7，液压卷扬机上加一外控油路，来控制制动器和液控单向阀。卷扬机实行自由下放作业时，卷扬机的换向阀处于中位，接通外控油路，使制动器松开、液控单向阀打开，液压马达进油口与出油口连通，卷扬机在负载作用下实现自由下放动作。这种卷扬机比采用离合器自由下放的卷扬机结构简单，液压岩心钻机上应用较多。

3.RW300型液压卷扬机

（1）结构：图4-8为美国BRADENRW300型卷扬机的结构图，此卷扬机设计最大提升能力13950kg。

图4-8中，液压马达16固定在液压马达座13上，并固定在右侧底座12上。液压马达主轴通过内轮18的花键传给卷扬机主轴，主轴左端为一轴齿轮，因此液压马达输出轴直接驱动一级中心轮6转动，一级行星轮25通过滚针轴承24支承在一级行星轮轴26上。一级中心轮通过一级行星轮驱动内齿圈7转动。

图4-7 外控自由下放卷扬机的液压系统图

第一行星轮系的中心轮通过一级行星轮驱动一级行星架（系杆）1转动，而该行星轮架通过花键与二级中心轮3连接在一起，而二级中心轮通过滑动轴承支承在卷扬机主轴（中心轮6）上。二级中心轮通过二级行星轮驱动内齿圈转动，通过二级行星轮驱动二级行星架2转动，而该行星架通过花键与三级中心轮4连接在一起，三级行星架5固定不动，三级中心轮通过三级行星轮22驱动内齿圈7转动。

图4-8 RW300型卷扬机结构图

内轮18与外套筒15之间装有凸轮楔块17，三者构成一单向离合器。外套筒左端外圆加工成齿槽与摩擦片21内齿相啮合。摩擦片外齿与液压马达座13内齿相啮合。卷扬机不工作时通过弹簧14，活塞9压紧摩擦片，使外套筒不能转动。形成具有双制动系统的液压卷扬机。

（2）工作原理：RW300型液压卷扬机的液压系统见图4-9。图4-10为卷扬机的双重制动系统结构图。

图4-9 制动液压系统图

图4-10 双重制动系统结构图

这种卷扬机的特点是在输入轴与多片摩擦离合器之间又装一个带有凸轮楔块摩擦滚动元件的离合器，使卷扬机不必松开摩擦离合器就可提升。

图4-10所示为双重制动系统结构图，其中凸轮楔块式定向离合器由内轮5，外套筒2和凸轮楔块3等组成。内轮内孔为花键轴孔与液压马达轴配合，外套筒外表面加工成凹槽，与一组带有凸齿的摩擦片相配合。

工作原理：当主轴逆时针回转提升外负载时如图4-11所示，凸轮楔块被摩擦力矩带动而滚向间隙宽敞的部分，这时定向离合器处于分离状态，多片摩擦离合器处于弹簧推力作用压紧处于啮合状态不工作。主轴通过行星轮系带动卷筒作提升工作。不受凸轮楔块离合器的影响。

图4-11 自由转动状态

图4-12 锁定状态

提升动作停止时，由于负载的自重会使卷筒反向（顺时针）转动，顺时针转动导致凸轮楔块收缩，并楔紧与内轮和外套筒之间，使定向离合器进入接合状态（图4-12），从而紧紧地将主轴锁住不动，阻止由负载自重引起的反向转动。

卷扬机下降负载时，接通油路，当油压未达到平衡阀开启压力时，液压马达保持不动，另外当油压未达到多片摩擦离合器打开压力时，液压马达也保持不动（图4-12）。只有当油压升至平衡阀的开启压力，同时达到松开多片摩擦离合器压力时，液压马达才能转动，负载下降。平衡阀的开度决定流量和负载下降速度，增加进入液压马达的油量就能够增强压力并加大平衡阀的开度，从而提高负载下降速度。降低流量会使压力降低，平衡阀开度减小，从而降低负载的下降速度。

当操纵阀处于中间位置时，压力下降，平衡阀关闭，负载运动停止。

（3）轮系传动比计算：图4-13为RW300型卷扬机传动简图。设各齿轮齿数z₁＝15；z₂＝19；z₃＝54；z₄＝26；z₅＝20；z₆＝66；z₇＝20；z₈＝23。试求主轴转速n₁与卷筒转速n₆的传动比。

解：首先划分轮系，此轮系有两个周转轮系，一个定轴轮系。中心轮1、行星轮2、内齿圈3与系杆H₁组成一级行星轮系；中心轮4、行星轮5、内齿圈6与系杆H₂组成二级行星轮系；中心轮7、行星轮8、内齿圈6与系杆H₃（系杆为固定件）组成定轴轮系。

图4-13 RW300型卷扬机传动简图

从传动简图4-13中可知：n₃＝n₆；n₄＝n_H1；n₇＝n_H2

写出各轮系传动比，并代入数值

液压动力头岩心钻机设计与使用

由式a得 n₁＝-3.6n₆＋4.6n_H1

由式b得 n_H1＝-2.54n₆＋3.54n_H2

由式c得 n_H2＝-3.3n₆

上述三式整理后

液压动力头岩心钻机设计与使用

即卷筒与主轴旋转方向相反，传动比i₁₆＝69

怎么通过机械构造进行估计液压卷扬机有多少吨力

通过机械构造进行估计液压卷扬机的承载能力需要考虑液压马达的输出力和传动机构的设计参数。以下是一些常见的方法和指导，但请注意这些方法只能提供一个大致的估计，具体情况还需根据实际设备和设计参数进行详细计算和评估：

液压马达输出力：液压马达是液压卷扬机的动力来源，通过估算液压马达的输出力来推测卷扬机的承载能力。查阅液压马达的技术手册或咨询制造商，了解其额定输出力和工作参数。

传动机构分析：液压卷扬机的传动机构包括齿轮、传动链条、滚筒等部件，这些部件承载着载荷。通过分析传动机构的设计参数，如齿轮模数、齿轮齿数、传动比等，可以初步估计其承载能力。

结构强度分析：液压卷扬机的结构强度对于承载能力至关重要。通过分析液压卷扬机的结构材料、连接方式和设计参数，如主梁的尺寸、钢材强度等，可以初步估计其承载能力。

请注意，这些估算方法仅作为参考，并不具备精确性。在实际应用中，应遵循专业的工程计算和设计原则，考虑更多的因素，如材料强度、应力分析、安全系数和实际工况等。为了确保安全和准确性，在涉及液压卷扬机承载能力的情况下，建议咨询专业的机械工程师或液压工程师，进行详细的计算和评估。
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插图注释
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