HXY－6型鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)提升能力下降原因分析與改進(jìn)

周亞軍

（連云港黃海機(jī)械股份有限公司，江蘇 連云港 222062）

0 前言

卷揚(yáng)機(jī)是巖心鉆機(jī)中一個(gè)非常重要的部件，鉆機(jī)施工時(shí)鉆具的提升與下降均由它來完成。通常卷揚(yáng)機(jī)的提升能力與鉆孔深度是相匹配的，如果卷揚(yáng)機(jī)提升能力下降，必將影響鉆孔深度，這在施工中是絕對不能允許的。然而HXY－6型鉆機(jī)試制初期，所配卷揚(yáng)機(jī)，由于結(jié)構(gòu)原因，密封不好，時(shí)常出現(xiàn)液態(tài)的潤滑脂（受熱融化）被甩出的現(xiàn)象，使制帶時(shí)刻處于被濺油的危險(xiǎn)，而制帶一旦粘油，勢必影響制動性能，進(jìn)而影響提升能力，所以甩油對卷揚(yáng)機(jī)的影響是很大的，解決的好壞直接關(guān)系鉆機(jī)的工作性能，因此消除甩油隱患改進(jìn)密封至關(guān)重要，那么盡快制定改進(jìn)方案就是當(dāng)務(wù)之急。

通過對現(xiàn)有密封甩油現(xiàn)象的分析與研究，筆者認(rèn)為，該卷揚(yáng)密封裝置存在缺陷，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上制定改進(jìn)方案，解決甩油問題難度較大，這在后來的多次改進(jìn)試驗(yàn)中已經(jīng)印驗(yàn)（甩油未消除），同時(shí)也驗(yàn)證了筆者之前的分析和判斷是正確的。因此，設(shè)計(jì)密封可靠的新卷揚(yáng)以替代原卷揚(yáng)已是解決甩油問題的必要選擇。

1 新問題的出現(xiàn)與分析

新卷揚(yáng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，使甩油問題得到了徹底解決，但結(jié)構(gòu)因素使其提升能力明顯下降的新問題又出現(xiàn)了。為此筆者從兩卷揚(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、傳動形式、受力狀況，特別是提升與制動力矩等方面入手，就此問題進(jìn)行了深入細(xì)致的分析、研究和論證，從而發(fā)現(xiàn)，提升能力下降的原因主要是新卷揚(yáng)所需制動力矩相比于原卷揚(yáng)所需制動力矩增大了，而原制動抱閘夾緊機(jī)構(gòu)仍用于新卷揚(yáng)時(shí)由于夾持能力未增大已不匹配。所以設(shè)計(jì)與之相配的制動抱閘增力夾緊機(jī)構(gòu)已勢在必行，因?yàn)橹挥性摍C(jī)構(gòu)夾緊力所產(chǎn)生的制動力矩能平衡所需制動力矩，才能保證其提升能力不會下降。

2 原卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)原理分析

圖1 原卷揚(yáng)機(jī)行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)示意圖

圖1為HXY－6型鉆機(jī)原卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，為NGW行星結(jié)構(gòu)一形式，可以看出，該結(jié)構(gòu)中心輪與卷揚(yáng)機(jī)軸相聯(lián)接，卷筒與行星輪架為一體，內(nèi)齒圈與提升制圈相聯(lián)接。提升鉆具時(shí)，其原理是：提升抱閘壓緊提升制圈使其與內(nèi)齒圈均處于靜止?fàn)睿ㄒ蛱嵘迫εc內(nèi)齒圈相聯(lián)），而中心輪作為驅(qū)動輪與行星輪嚙合傳動使行星輪既自傳，又與行星輪架、卷筒（行星輪架和卷筒為一體）一起繞內(nèi)齒圈（內(nèi)齒圈靜止）作與中心輪同方向的公轉(zhuǎn)，由此而完成鉆具的提升。

3 新卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)原理分析

圖2是HXY－6型鉆機(jī)新卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，為NGW行星結(jié)構(gòu)另一形式，該結(jié)構(gòu)中心輪與卷揚(yáng)機(jī)軸相聯(lián)接，卷筒與內(nèi)齒圈相聯(lián)接，提升制圈與行星輪架相聯(lián)接。提升鉆具時(shí)，其原理是：提升抱閘壓緊提升制圈，使得提升制圈與行星輪架處于靜止?fàn)睿ㄒ蛱嵘迫εc行星輪架相聯(lián)），而中心輪作為驅(qū)動輪與行星輪嚙合，行星輪原地自轉(zhuǎn)并推動內(nèi)齒圈與卷筒（因卷筒與內(nèi)齒圈相聯(lián)接）繞與中心輪同軸且反向的方向轉(zhuǎn)動，從而完成鉆具的提升。

圖2 新卷揚(yáng)機(jī)行星傳動結(jié)構(gòu)示意圖

4 輪齒上力與力矩分析

圖3是卷揚(yáng)機(jī)行星輪系齒輪嚙合切向力示意圖。

4.1 力和力矩分析

通過受力分析可知：

則各輪齒上所受的力矩：

中心輪上的力矩為：Mz＝FRz

行星輪架上的力矩為：MH＝2F（Rz＋Rx）

內(nèi)齒圈上的力矩為：Mn＝F（Rz＋2Rx）

從以上三式可得出：

4.2 兩卷揚(yáng)提升、制動力矩分析

（1）分析原卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)形式提升力矩和制動力矩的關(guān)系，從工作原理可知，該卷揚(yáng)提升制動時(shí)，內(nèi)齒圈靜止（內(nèi)齒圈與提升制圈相聯(lián)），則內(nèi)齒圈處的力矩就是制動力矩：

即為：Mn＝F（Rz＋2Rx）

而提升時(shí)行星架與卷筒（卷筒與行星架一體）轉(zhuǎn)動，即行星輪架上的力矩就是該卷揚(yáng)的提升力矩：

即為：MH＝2F（Rz＋Rx）

（2）分析新卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)形式提升力矩和制動力矩的關(guān)系，也從工作原理入手，該卷揚(yáng)提升制動時(shí)，行星輪架（提升制圈與行星輪架相聯(lián)）被制動靜止，所以這時(shí)制動力矩就是行星輪架上的力矩。

即為：MH＝2F（Rz＋Rx）

而提升時(shí)內(nèi)齒圈與卷筒（內(nèi)齒圈與卷筒相聯(lián)）一起轉(zhuǎn)動，所以內(nèi)齒圈上的力矩就是提升力矩。

即為：Mn＝F（Rz＋2Rx）

4.3 兩卷揚(yáng)提升、制動力矩比較

（1）兩卷揚(yáng)制動力矩比較

原卷揚(yáng)制動力矩：Mn＝F（Rz＋2Rx）

新卷揚(yáng)制動力矩：MH＝2F（Rz＋Rx）

從以上二式可得出：MH—Mn＝FRz

（2）兩卷揚(yáng)提升力矩比較

原卷揚(yáng)提升力矩：MH＝2F（Rz＋Rx）

新卷揚(yáng)提升力矩：Mn＝F（Rz＋2Rx）

從以上二式可得出：MH－Mn＝FRz

5 歸納總結(jié)

通過以上一系列的分析、論證、比較及計(jì)算的結(jié)果可知：原卷揚(yáng)機(jī)提升力矩大于制動力矩；而新卷揚(yáng)機(jī)正好相反，制動力矩大于提升力矩；且二者相差值均為FRz。

那么通過換裝新卷揚(yáng)機(jī)后，提升能力下降的原因是該卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)因素所致，即制動力矩增大了，解決的辦法就是相應(yīng)增大制動抱閘夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力，使其夾緊摩擦力矩能平衡所需的制動力矩，只有這樣才能使提升能力不會下降。

弄清了提升能力下降的原因，那么設(shè)計(jì)與該卷揚(yáng)機(jī)相匹配的增力夾緊機(jī)構(gòu)是必須的，因?yàn)樵苿颖чl夾緊機(jī)構(gòu)對新卷揚(yáng)已不適用。

6 改進(jìn)措施

綜上分析與論證，新卷揚(yáng)在應(yīng)用中凸顯提升能力下降的原因已經(jīng)找到，主要是該卷揚(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致，兩卷揚(yáng)相比，新卷揚(yáng)所需制動力矩比原卷揚(yáng)增大了FRz，而原制動抱閘夾緊機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的摩擦力矩已不足以平衡新卷揚(yáng)所需的制動力矩，所以設(shè)計(jì)與之匹配的夾緊制動裝置已顯得非常必要。而新型增力制動抱閘夾緊裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，由于在設(shè)計(jì)中應(yīng)用了偏心輪增力與杠桿增力雙加力機(jī)構(gòu)，使得該機(jī)構(gòu)夾緊力增大近0.4倍，有效地解決了新卷揚(yáng)提升能力下降的不足（圖示省略），現(xiàn)該機(jī)構(gòu)已通過施工驗(yàn)證，并已申請獲國家實(shí)用新型專利，專利號：2013201777136。

7 結(jié)束語

通過對原卷揚(yáng)甩油問題的分析，設(shè)計(jì)了密封可靠的新卷揚(yáng)機(jī)，而新卷揚(yáng)應(yīng)用中提升能力下降問題的出現(xiàn)，使得原卷揚(yáng)提升制動抱閘夾緊裝置用于新卷揚(yáng)已不可靠。為了弄清原因，筆者從兩卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)形式，受力狀況，以及提升力矩、制動力矩入手，進(jìn)行了較為仔細(xì)的分析與論證，從而證明了新卷揚(yáng)所需制動力矩的增大是（比原卷揚(yáng)大FRz）提升能力下降的主要因素。為了彌補(bǔ)不足，設(shè)計(jì)了與之匹配的增力制動抱閘夾緊裝置，經(jīng)驗(yàn)證效果良好，提升能力下降的問題從而得到了圓滿解決，也為該鉆機(jī)后來的改型升級奠定了基礎(chǔ)。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第3卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］馮德強(qiáng).鉆機(jī)設(shè)計(jì)［M］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1992.

［3］黃錫愷、鄭文緯，機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，1981.