機(jī)械卷揚(yáng)機(jī)的工作原理及提升力的計(jì)算

朱冬鈺+王海鑌

摘 要：在機(jī)械發(fā)展史中，新機(jī)械的發(fā)明起著舉足輕重的作用，尤其是那些很久以前就被利用并一直使用至今的機(jī)械更是發(fā)揮著不可替代的作用，巖心鉆機(jī)中的卷揚(yáng)機(jī)就是典型的例子。簡(jiǎn)要分析了卷揚(yáng)機(jī)的工作原理及其相關(guān)內(nèi)容，以期為日后的工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：巖心鉆機(jī)；卷揚(yáng)機(jī)；工作原理；提升力

中圖分類號(hào)：TU602 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.115

在巖心鉆機(jī)中，卷揚(yáng)機(jī)主要用于提升、下降鉆具和起拔套管。卷揚(yáng)機(jī)的右端以軸端部的外花鍵插入分動(dòng)箱內(nèi)花鍵來獲得動(dòng)力，并依靠中心齒輪、行星齒輪支架、提升制圈、3只行星齒輪和壓入卷筒上的內(nèi)齒圈所組成的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)完成傳動(dòng)。該卷揚(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是典型的2K-H行星齒輪式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

1 工作原理

如圖1所示，卷揚(yáng)機(jī)左端卷筒閘輪上裝有制動(dòng)抱閘，右端提升制圈上裝有提升抱閘，它們分別操縱制動(dòng)抱閘和提升抱閘，使其處于不同的工作狀態(tài)。卷揚(yáng)機(jī)可以滿足提升、下降、制動(dòng)鉆具等3種不同的工藝要求。

1.1 提升鉆具

松開制動(dòng)抱閘，操縱提升抱閘剎住提升制圈，3只行星齒輪被提升制圈、行星齒輪支架組成的輪系系桿固定，只能自轉(zhuǎn)不能公轉(zhuǎn)。此時(shí)，動(dòng)力使卷筒正轉(zhuǎn)并纏繞鋼絲繩，以達(dá)到提升鉆具的目的。

鉆具的質(zhì)量比較輕（比如提升空提引器），如果需要在提升狀態(tài)時(shí)調(diào)整提升速度，可以適當(dāng)放松提升抱閘。此時(shí)，行星齒輪既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)降低提升速度的目的。

1.2 下降鉆具

在松開提升抱閘時(shí)，要適當(dāng)松開或完全松開制動(dòng)抱閘。卷筒要在鉆具的自重作用下旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)限速或自由落體快速下鉆。此時(shí)，行星齒輪處于既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.3 制動(dòng)鉆具

松開提升抱閘，操縱制動(dòng)抱閘，逐漸剎住卷筒閘輪即可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)鉆具的目的。此時(shí)，內(nèi)齒圈不轉(zhuǎn)，行星齒輪在中心齒輪上繞卷揚(yáng)機(jī)軸心公轉(zhuǎn)。

2 提升力計(jì)算

動(dòng)力機(jī)通過離合器、變速箱、萬向節(jié)和分動(dòng)箱將扭矩傳至卷筒上，卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼絲繩提升、下放鉆具。在相關(guān)計(jì)算中，不扣除傳動(dòng)時(shí)消耗的功率，也不引入動(dòng)力機(jī)超載的系數(shù)，只能粗略引入其平均機(jī)械效率計(jì)算。卷揚(yáng)鋼絲繩計(jì)算直徑如圖2所示。

每層鋼絲繩的計(jì)算直徑為：

第n層： . （1）

例如：第一層：D1=D內(nèi)+d.

第二層： .

第三層： .

…

式（1）中：D內(nèi)為卷筒直徑，mm；d為鋼絲繩直徑，mm。

卷揚(yáng)機(jī)每層鋼絲繩第i擋的提升速度（單繩）為：

式（2）中：Dni為第n層鋼絲繩的直徑，mm；ni為第i擋鋼絲繩的轉(zhuǎn)速，r/min，由傳動(dòng)比計(jì)算得出。

卷揚(yáng)機(jī)每層鋼絲繩的提升力（單繩）為：

式（3）中：P額定為動(dòng)力機(jī)功率，kW；η為動(dòng)力機(jī)到滑輪系統(tǒng)的傳遞效率，一般取0.8；Vni為卷揚(yáng)機(jī)第n層第i擋提升速度，m/s。

一般情況下，將卷揚(yáng)機(jī)最低速時(shí)（即一檔），并且卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩處于最里層時(shí)的提升力稱為單繩提升力。

3 結(jié)論

該卷揚(yáng)機(jī)因其操作簡(jiǎn)單、排繩量大、可靠性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于巖心鉆機(jī)中。通過對(duì)卷揚(yáng)機(jī)工作原理的分析，使我們更加直觀地了解了卷揚(yáng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造；通過提升力計(jì)算，為卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)，同時(shí)，也讓相關(guān)人員更加深入地了解了卷揚(yáng)機(jī)的應(yīng)用情況。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕