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=100kN，单绳速度V=1.2m/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液压卷扬机的总体方案设计
100kN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=34mm，卷筒直径Dz=(12.5～27.3)d=655mm，卷筒的计算直径D计=757mm。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=1.2m/s，因此得到卷扬机在全载时的输出转速n卷=30r/min。这样初估卷扬机的总功率：
N=FV/(102η)
=10000×1.2/(102×0.8)
=147kW
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=250mL/r；最高转速n=1400r/min；最大压力P=35Mpa；最大功率N=204kW。
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22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
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=I15n卷=37.86×30=1136r/min
由此得到马达的排量：
Q=qcn马×10-3/ηV=250×1136×10-3/0.94
=302L/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=29.28Mpa
取液压卷扬机的系统压力为30Mpa，这样液压马达的实际输出扭矩：
M=1.59Pqηm×10-1=1.59×300×250×0.94×0.1
=1121N.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
=100917N=100.917kN
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。