HXY－6型钻机卷扬机提升能力下降原因分析与改进

周亚军

（连云港黄海机械股份有限公司，江苏 连云港 222062）

0 前言

卷扬机是岩心钻机中一个非常重要的部件，钻机施工时钻具的提升与下降均由它来完成。通常卷扬机的提升能力与钻孔深度是相匹配的，如果卷扬机提升能力下降，必将影响钻孔深度，这在施工中是绝对不能允许的。然而HXY－6型钻机试制初期，所配卷扬机，由于结构原因，密封不好，时常出现液态的润滑脂（受热融化）被甩出的现象，使制带时刻处于被溅油的危险，而制带一旦粘油，势必影响制动性能，进而影响提升能力，所以甩油对卷扬机的影响是很大的，解决的好坏直接关系钻机的工作性能，因此消除甩油隐患改进密封至关重要，那么尽快制定改进方案就是当务之急。

通过对现有密封甩油现象的分析与研究，笔者认为，该卷扬密封装置存在缺陷，在现有结构上制定改进方案，解决甩油问题难度较大，这在后来的多次改进试验中已经印验（甩油未消除），同时也验证了笔者之前的分析和判断是正确的。因此，设计密封可靠的新卷扬以替代原卷扬已是解决甩油问题的必要选择。

1 新问题的出现与分析

新卷扬的设计与应用，使甩油问题得到了彻底解决，但结构因素使其提升能力明显下降的新问题又出现了。为此笔者从两卷扬内部结构、传动形式、受力状况，特别是提升与制动力矩等方面入手，就此问题进行了深入细致的分析、研究和论证，从而发现，提升能力下降的原因主要是新卷扬所需制动力矩相比于原卷扬所需制动力矩增大了，而原制动抱闸夹紧机构仍用于新卷扬时由于夹持能力未增大已不匹配。所以设计与之相配的制动抱闸增力夹紧机构已势在必行，因为只有该机构夹紧力所产生的制动力矩能平衡所需制动力矩，才能保证其提升能力不会下降。

2 原卷扬结构原理分析

图1 原卷扬机行星齿轮传动结构示意图

图1为HXY－6型钻机原卷扬机结构示意图，为NGW行星结构一形式，可以看出，该结构中心轮与卷扬机轴相联接，卷筒与行星轮架为一体，内齿圈与提升制圈相联接。提升钻具时，其原理是：提升抱闸压紧提升制圈使其与内齿圈均处于静止状（因提升制圈与内齿圈相联），而中心轮作为驱动轮与行星轮啮合传动使行星轮既自传，又与行星轮架、卷筒（行星轮架和卷筒为一体）一起绕内齿圈（内齿圈静止）作与中心轮同方向的公转，由此而完成钻具的提升。

3 新卷扬结构原理分析

图2是HXY－6型钻机新卷扬机结构示意图，为NGW行星结构另一形式，该结构中心轮与卷扬机轴相联接，卷筒与内齿圈相联接，提升制圈与行星轮架相联接。提升钻具时，其原理是：提升抱闸压紧提升制圈，使得提升制圈与行星轮架处于静止状（因提升制圈与行星轮架相联），而中心轮作为驱动轮与行星轮啮合，行星轮原地自转并推动内齿圈与卷筒（因卷筒与内齿圈相联接）绕与中心轮同轴且反向的方向转动，从而完成钻具的提升。

图2 新卷扬机行星传动结构示意图

4 轮齿上力与力矩分析

图3是卷扬机行星轮系齿轮啮合切向力示意图。

4.1 力和力矩分析

通过受力分析可知：

则各轮齿上所受的力矩：

中心轮上的力矩为：Mz＝FRz

行星轮架上的力矩为：MH＝2F（Rz＋Rx）

内齿圈上的力矩为：Mn＝F（Rz＋2Rx）

从以上三式可得出：

4.2 两卷扬提升、制动力矩分析

（1）分析原卷扬结构形式提升力矩和制动力矩的关系，从工作原理可知，该卷扬提升制动时，内齿圈静止（内齿圈与提升制圈相联），则内齿圈处的力矩就是制动力矩：

即为：Mn＝F（Rz＋2Rx）

而提升时行星架与卷筒（卷筒与行星架一体）转动，即行星轮架上的力矩就是该卷扬的提升力矩：

即为：MH＝2F（Rz＋Rx）

（2）分析新卷扬结构形式提升力矩和制动力矩的关系，也从工作原理入手，该卷扬提升制动时，行星轮架（提升制圈与行星轮架相联）被制动静止，所以这时制动力矩就是行星轮架上的力矩。

即为：MH＝2F（Rz＋Rx）

而提升时内齿圈与卷筒（内齿圈与卷筒相联）一起转动，所以内齿圈上的力矩就是提升力矩。

即为：Mn＝F（Rz＋2Rx）

4.3 两卷扬提升、制动力矩比较

（1）两卷扬制动力矩比较

原卷扬制动力矩：Mn＝F（Rz＋2Rx）

新卷扬制动力矩：MH＝2F（Rz＋Rx）

从以上二式可得出：MH—Mn＝FRz

（2）两卷扬提升力矩比较

原卷扬提升力矩：MH＝2F（Rz＋Rx）

新卷扬提升力矩：Mn＝F（Rz＋2Rx）

从以上二式可得出：MH－Mn＝FRz

5 归纳总结

通过以上一系列的分析、论证、比较及计算的结果可知：原卷扬机提升力矩大于制动力矩；而新卷扬机正好相反，制动力矩大于提升力矩；且二者相差值均为FRz。

那么通过换装新卷扬机后，提升能力下降的原因是该卷扬结构因素所致，即制动力矩增大了，解决的办法就是相应增大制动抱闸夹紧机构的夹紧力，使其夹紧摩擦力矩能平衡所需的制动力矩，只有这样才能使提升能力不会下降。

弄清了提升能力下降的原因，那么设计与该卷扬机相匹配的增力夹紧机构是必须的，因为原制动抱闸夹紧机构对新卷扬已不适用。

6 改进措施

综上分析与论证，新卷扬在应用中凸显提升能力下降的原因已经找到，主要是该卷扬内部结构所致，两卷扬相比，新卷扬所需制动力矩比原卷扬增大了FRz，而原制动抱闸夹紧机构所产生的摩擦力矩已不足以平衡新卷扬所需的制动力矩，所以设计与之匹配的夹紧制动装置已显得非常必要。而新型增力制动抱闸夹紧装置的设计与应用，由于在设计中应用了偏心轮增力与杠杆增力双加力机构，使得该机构夹紧力增大近0.4倍，有效地解决了新卷扬提升能力下降的不足（图示省略），现该机构已通过施工验证，并已申请获国家实用新型专利，专利号：2013201777136。

7 结束语

通过对原卷扬甩油问题的分析，设计了密封可靠的新卷扬机，而新卷扬应用中提升能力下降问题的出现，使得原卷扬提升制动抱闸夹紧装置用于新卷扬已不可靠。为了弄清原因，笔者从两卷扬结构形式，受力状况，以及提升力矩、制动力矩入手，进行了较为仔细的分析与论证，从而证明了新卷扬所需制动力矩的增大是（比原卷扬大FRz）提升能力下降的主要因素。为了弥补不足，设计了与之匹配的增力制动抱闸夹紧装置，经验证效果良好，提升能力下降的问题从而得到了圆满解决，也为该钻机后来的改型升级奠定了基础。

［1］成大先.机械设计手册（第3卷）［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［2］冯德强.钻机设计［M］.武汉：中国地质大学出版社，1992.

［3］黄锡恺、郑文纬，机械原理［M］.北京：高等教育出版社，1981.