液压卷扬机的设计.docx
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液压卷扬机的设计
课题名称液压卷扬机的设计
系别机械工程系
专业数控应用技术
【关键词】液压卷扬机；卷筒；传动比
【摘要】介绍了100kN液压卷扬机的结构、总体设计及工作情况。
其中对液压卷扬机传动系统的设计做了分析和理论推导，为开发同类产品提供了设计数据。
毕业设计（论文）开题报告
学生姓名
班级
学号
指导教师
论文题目
液压卷扬机的设计
设计（论文）综述
1.前言
研究意义和内容
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
预期目标：
1.看并熟悉卷扬机的构造
2.分析机器的结构
3画零件图
3.计算
4.设计
毕业设计（论文）进度计划表
起止时间
工作内容
08．02．23—08．02．28
查找材料、并阅读材料、收集材料
08．03．28—08．03．01
与老师商讨、确定课题
08．03．01—08．03．15
完成任务书
08．03．15—08．03.20
完成开题报告
07．03．20—08．04.10
完成论文、做硬件
08．04．10—08．05．20
中期检查
08．05．20—08．06．10
修改论文
指导教师意见
指导教师签名
年月日
【关键词】液压卷扬机；卷筒；传动比
【摘要】介绍了100kN液压卷扬机的结构、总体设计及工作情况。
其中对液压卷扬机传动系统的设计做了分析和理论推导，为开发同类产品提供了设计数据。
机械传动是当今世界上增长较快的工业门类之一，而液压传动是其中发展较快晚的技术，因此，研究液压传动对了解机械传动有很大意义。
本设计介绍了液压系统设计的步骤，提出了基本的设计原则；液压系统的设计，除了满足主机在动作和性能方面规定的要求外，还必须符合体积小、重量轻、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用和维修方便等一些公认的普遍设计原则。
液压系统设计的步骤大致为：
明确系统设计要求，分析系统工况，确定主要参数，拟定液压系统图，选择液压元件，编制技术文件。
这些步骤相互关联，彼此影响，因此常需交叉进行。
为了迅速赶超世界先进水平，我国有计划的引进。
消化。
吸收国外最先进的液压技术和产品，并对我国现在生产的液压产品进行整顿，合理调整产品结构。
大力开展产品国产化工作。
可以预见，我过的液压技术在21世纪将获得更快的发展.
通过本设计，可以对液压系统有一个初步的认识，注意到设计中的某些细节问题，了解液压及工作原理
关键词：
机械系统；液压传动；液压系统；设计
目录
引言………………………………………………………………………………1
1.液压卷扬机主要技术参数及结构………………………………………………2
1.1主要技术参数……………………………………………………………………3
1.2结构………………………………………………………………………………4
2.液压卷扬机的总体方案设计……………………………………………………5
2.1结构设计………………………………………………………………………6
2.2传动设计…………………………………………………………………………7
2.3液压系统的计算…………………………………………………………………8
3.确定液压系统的参数…………………………………………………………10
3.1初选液压缸的工作压力………………………………………………………
3.2计算液压缸的尺寸………………………………………………………
3。
3画出活塞杆的草图………………………………………………………
4.液压卷扬机的几种工况………………………………………………………
4.1提升钻具………………………………………………………………………1
4.2下降钻具………………………………………………………………………1
4.3制动钻具………………………………………………………………………1
5.结论………………………………………………………………………………1
6.致谢词……………………………………………………………………………1
参考文献…………………………………………………………………………1
引言
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2 2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。
确定液压系统的参数
1初选液压缸的工作压力
液压缸工作压力的选择是否合理，直接影响到整体个系统设计的合理性，确定时不能只考虑满足负载要求，应全面考虑液压装置的性能要求和经济性。
如果液压缸的工作压力选定较高，则泵，缸阀和管道尺可选得小些，这样结构较为紧凑，轻巧，加速时的惯性负载也小，易于实现高速运动的要求。
但工作压力太高，对系统的密封性能要求也相应提高了，制造较困难，同时缩短了液压装置的使用寿命。
此外，由于会使构件弹性变形的影响增大，运动部件容易产生振动。
对于各类机床的液压系统，由于各自特点和使用场合不同，其液压的工作压力也不相同，一般常用类比法，参考表8-3选择
负载F/N
〈5000
5000-10000
10000-20000
20000-30000
30000-50000
〉50000
液压缸工作压力p<105pa>
〈8-10
15-20
25-30
30-40
40-50
由于液压技术的发展，当前国内外许多人认为，就目前材质情况生产水平，取液压系统压力为350
左右为最经济，并为有资料论证低压系统饿价格比高压系统价格高0。
5--2倍。
为此，国内液压行业在研究制高压系列的泵或阀，以供不同压力的液压系统使用。
2计算液压缸的尺寸
按液压缸最低运动速度验算其有效工作面积。
有效工作面积决定于负载和速度两个因数。
用负载和初选压力计算出来的有效工作面积，还须按下式进行检验
式中Umin--------------液压缸的最低工进速度；
A----------------液压缸的有效工作面积；
Qmin--------------液压缸的最小的稳定流量。
在节流调速系统中，Qmin决定调速阀或节流阀的最小稳定流量，其值可在产品本性能表上查到。
在容积调速系统中，液压缸的最小稳定流量决定于变量泵的最小稳定流量。
如果有效工作面积A不能满足式〈8-6〉，则应适当加大液压缸直径。
将确定液压缸直径和活塞杆直径圆整化为规定的标准值见表〈8-5和表8-6〉以便采用标准的密封件和标准的工艺装备。
本例由于取液压缸前，后空有效面积之比为2比1，应此得液压缸无杆空有效工作面积A1为
20
25
32
40
50
55
63
<65>
70
<75>
80
<85>
90
<95>
100
<105>
110
125
<130>
140
<150>
160
180
200
<220>
250
<280>
320
<360>
400
450
500
560
630
710
820
900
1000
表8----6活塞杆外径系列
10
12
14
16
18
20
22
25
28
<30>
32
35
40
45
50
55
<60>
63
<65>
70
<75>
80
<85>
90
<95>
100
<105>
110
<120>
125
<130>
140
<150>
160
180
200
220
250
<260>
280
320
360
<380>
400
<420>
450
500
按表8--5取标准值
按式〈3--10计算杆直径
〈标准直径〉
液压缸尺寸取标准值之后的有效工作面积：
无杆腔面积
有杆腔面积
活塞杆面积
3.3活塞缸绘制图
A1为活塞的直径
A2为活塞杆的长度
V2为活塞的进给的速度
F2为活塞的进给作用力
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。
6.结论
这次毕业设计是大学的最后一个学习环节，是对三年学生生活中所学知识的一个总汇和概括。
使我们每一个人都能了解到自己学到了多少，理解了多少，回运用了多少，还有哪些知识是自己不了解，需要进一步加深理解和不断巩固的，有哪些是自己完全没有理解和接触过的东西，需要以后在工作中继续学习和积累的。
这次毕业设计与以往的课程设计完全不同。
这次的收集从一开始到完成，从找课题一直到最后的答辩，是一次比较全面设计训练，由于平时缺少这方面的练习，并且有的专业知识掌握的也并不十分牢靠，所以在设计时有多吃力的时候，真正是应了古人的那句老话“书到用时方恨少”。
在这次的设计中也学到了不少东西。
通过这段时间的毕业设计，我了解到了做任何事情都要用认真的态度去对待，并且要勤学多问，有付出就会有所收获。
这次设计使我学到了如何运用自己学到的知识结合生产实践分析问题，解决问题，为以后的工作打下一定的基础
致谢
这次毕业设计首先要感谢我的辅导老师朱国清、陈建武、许志敏、王友华等老师,本文是在我尊敬的导师朱国清悉心指导下完成的。
导师严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。
在此，我首先向导师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意!
在课题的研究和开发阶段，得到了老师的大力支持和帮助，在此一并向他们表示衷心的感谢。
在日常生活和学习中，的各位老师，朱国清老师，以及全体同学给与我大力支持和帮助，在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师和同学们表示衷心的感谢。
感谢父母、家人，感谢所有关心我的朋友和老师，感谢湄洲湾技术学院的学习环境。
最后祝您们工作顺利，快乐健康！
参考文献：
[1】张建民.工业液压卷扬机.北京:
北京理工大学出版社，1988
[2】蔡自兴.学的发展趋势和发展战略，液压卷扬机2001,4
[3】金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业液压卷扬机发展势态分析.卷扬机技术与应用，2001,2
[4】王雄耀.近代液压卷扬机的发展及应用.液压气动与密封，1999,5
[5】严学高，孟正大.液压卷扬机原理.南京:
东南大学出版社，1992
[6】机械设计师手册.北京:
机械工业出版社，1986
[7】黄锡恺，郑文伟.机械原理.北京:
人民教育出版社，1981
[8】成大先.机械设计图册.北京:
化学工业出版社
[9】郑洪生.气压传动及控制.北京:
机械工业出版社，1987
[10】吴振顺.气压传动与控制.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社，1995
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