變矩偶合器正車箱在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用

雷先革，付月永，張振明，徐遵宏，涂志威

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，天津 300450）

0 引言

以ZJ50/3150LDB 鉆機(jī)為例，對選用什么形式的液力傳動(dòng)裝置進(jìn)行論述。目前，我國鏈條傳動(dòng)石油鉆機(jī)采用3 種液力傳動(dòng)裝置。

（1）YBLT900 變矩器[1]。由一個(gè)泵輪B、一個(gè)渦輪T 和一個(gè)導(dǎo)輪D 組成的單級渦輪變矩器，具有很大的變矩系數(shù)、較寬的高效范圍和使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，在鏈條傳動(dòng)鉆機(jī)中獲得了廣泛的應(yīng)用。但由于有如下缺點(diǎn):一是傳動(dòng)效率低，最高效率＜82%，在空負(fù)荷時(shí)效率為零的情況下，仍然從柴油機(jī)吸收很大的功率，而轉(zhuǎn)變成熱量消耗掉，為了降低空負(fù)荷功率損失，設(shè)計(jì)一套帶充油調(diào)節(jié)閥的氣控裝置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜。盡管如此，仍然無法使得在空負(fù)荷時(shí)燃油消耗率降至為零；二是在外在負(fù)荷突然變?yōu)榱銜r(shí)，輸出轉(zhuǎn)速迅速提高，無法確保節(jié)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定，因此不考慮采用YBLT900 變矩器作為本鉆機(jī)的液力傳動(dòng)裝置。

（2）YOZJ750 偶合器正車箱[2]。由一個(gè)泵輪B 和一個(gè)渦輪T以及兩級同軸式齒輪減速箱組成，應(yīng)用在各型鏈條鉆機(jī)上，取得了顯著的節(jié)油效果?，F(xiàn)場使用表明，帶有偶合器正車箱的鏈條鉆機(jī)，其燃油耗油量與皮帶鉆機(jī)基本相等。但隨之帶來如下問題:①提升效率低，操作不便；②絞車的提升能力有較大的下降；③提升空吊卡的速度有所下降；④絞車沖擊載荷增大；⑤在提升鉆具時(shí)，當(dāng)滾筒離合器合上時(shí)，突然壓低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，使柴油機(jī)冒黑煙，燃油燃燒不完全，柴油機(jī)的使用可靠性和壽命降低。如果處理不當(dāng)，甚至使柴油機(jī)熄火，鉆機(jī)瞬間停止工作。

（3）YBOZJ770 變矩偶合器正車箱[3]。是近年來研究成功的新型液力傳動(dòng)裝置，并獲得國家專利（專利名稱:液力變矩器正車減速箱），在正常鉆進(jìn)工況具有偶合器正車箱高效率的功能，可以大幅降低燃油消耗；在提升工況具有變矩器功能，大大提高鉆井功效，可以克服YBLT900 和YOZJ750 存在的缺點(diǎn),取代第一種和第二種液力傳動(dòng)裝置，在鏈條傳動(dòng)鉆機(jī)上獲得了成功的應(yīng)用，如圖1 所示。

YBOZJ770 變矩偶合器正車箱結(jié)構(gòu)特征:由輸入部分的二相液力變矩偶合器和輸出部分的兩級同軸式齒輪減速器組成，變矩器的渦輪軸與兩級同軸式齒輪減速器的輸入軸為同一根軸。輸入部分的輸入軸與輸出部分的輸出軸位于同一軸心線，且兩者旋轉(zhuǎn)方向相同（即所謂“正車”功能），兩部分安裝在同一箱體內(nèi)。

圖1 YBOZJ770 變矩偶合器正車箱結(jié)構(gòu)和油路系統(tǒng)

就YBOZJ770 和YOZJ750 應(yīng)用在鉆機(jī)ZJ50/3150LDB[4]上，并與AG12V190PZL 柴油機(jī)進(jìn)行匹配，計(jì)算鉆進(jìn)工況鉆井泵的最大排量和最大壓力及提升載荷F 和提升速度v，并繪制提升特性曲線，比較選擇最佳的液力傳動(dòng)裝置。

1 配套的柴油機(jī)、鉆井泵和液力傳動(dòng)裝置技術(shù)參數(shù)

1.1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)（表1）

其中，**表示扣除柴油機(jī)的冷卻風(fēng)扇、冷卻水泵和機(jī)油泵等輔助部件后的柴油機(jī)輸出的持續(xù)凈功率。

表1 AG12V190PZL 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 鉆井泵技術(shù)參數(shù)（表2）

表2 蘭石F-1600 鉆井泵的技術(shù)參數(shù)[5]

1.3 兩種液力傳動(dòng)裝置的特性曲線

通過專門的液力傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)[6]，測定液力傳動(dòng)元件（變矩偶合器、偶合器）的特性參數(shù)并繪制無因次特性曲線（圖2）。圖中:ib是轉(zhuǎn)速比（液力傳動(dòng)元件渦輪轉(zhuǎn)速與泵輪轉(zhuǎn)速之比）；K 是變矩系數(shù)（液力傳動(dòng)元件渦輪轉(zhuǎn)矩與泵輪轉(zhuǎn)矩之比；η 是液力傳動(dòng)元件效率；ψ 是液力傳動(dòng)元件（偶合器或變矩偶合器）能容系數(shù)。

圖2 YBOZJ770 和YOZJ750 無因次特性曲線

2 確定計(jì)算工況下液力元件的轉(zhuǎn)速比i

（1）液力傳動(dòng)裝置的輸入轉(zhuǎn)矩（泵輪轉(zhuǎn)矩）[7]

式中 n1——液力傳動(dòng)裝置的輸入轉(zhuǎn)速，r/min

D——變矩偶合器和偶合器的工作腔直徑，m

（2）計(jì)算工況下渦輪轉(zhuǎn)速與泵輪轉(zhuǎn)速之比i

由式（1）求得計(jì)算工況的能容系數(shù)ψ*。

將表1 中的T1*=6344 N·m 和n1*=1400 r/min 及D=0.77 m和D=0.75 m 分別代入（2）式得:

ψ*770=1.09，ψ*750=1.244。再用ψ*770和ψ*750，從無因次特性曲線（圖2） 查得:YBOZJ770 在計(jì)算工況的轉(zhuǎn)速比i*770=0.94，YOZJ750 在計(jì)算工況的轉(zhuǎn)速比i*750=0.96。

3 確定液力傳動(dòng)裝置的齒輪減速比ij

（1）減速比ij的計(jì)算關(guān)系式

式中 n1*——計(jì)算工況下，傳動(dòng)裝置的輸入轉(zhuǎn)速，n1*=1400 r/min

q——鉆井泵最大缸套直徑（180 mm）時(shí)，每一沖的排量值，q=0.3878 L/沖

Smax——鉆井泵的最大沖次

i*——計(jì)算工況下，液力元件的轉(zhuǎn)速之比:i*770=0.94，i*750=0.96

則:

（2）鉆機(jī)最大排量Qmax

為了提高鉆井速度，在“一開”時(shí)，2 臺(tái)鉆井泵通常選擇直徑180 mm 缸套，在常用工況95 沖/min 時(shí)，由（4）式求得液力傳動(dòng)裝置的齒輪減速比為:

對于YBOZJ770，i*j-770=2.086；對于YOZJ750，i*j-750=2.13。

鉆井泵的排量Qmax=2q·Smax=7307 L/沖。計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)高于通常設(shè)計(jì)要求的60 L/s。

4 液力傳動(dòng)裝置與柴油機(jī)的匹配計(jì)算

（1）YBOZJ770 和YOZJ750 與AG12V190PZL 的匹配計(jì)算

由式（1）可知，液力傳動(dòng)裝置的輸入轉(zhuǎn)矩T1與輸入轉(zhuǎn)速n1的關(guān)系曲線是一條二次拋物線。對于YBOZJ770，將D=0.77 代入式（1）得:

根據(jù)式（5，6，7，8），用YBOZJ770 和YOZJ750 在不同轉(zhuǎn)速比i 及對應(yīng)的ψ 值（表3），計(jì)算輸入轉(zhuǎn)矩T1與輸入轉(zhuǎn)速n1，分別做出二次拋物曲線，它與柴油機(jī)的外特性曲線的交點(diǎn)就是它們的聯(lián)合工作點(diǎn)。為了簡化計(jì)算，認(rèn)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩（即傳動(dòng)裝置的輸入轉(zhuǎn)矩）與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線是一條水平線（圖3）。由于YBOZJ770 和YOZJ750 的泵輪無因次力矩系數(shù)ψ 隨轉(zhuǎn)速比i 變化，所以在每個(gè)轉(zhuǎn)速比i 下均有一條二次拋物線和一個(gè)聯(lián)合工作點(diǎn)。

AB（水平線）/BC（垂線）是柴油機(jī)油門在轉(zhuǎn)速1400 r/min 時(shí)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線；a/a 是YOZJ750 在最大能容系數(shù)=6.312 時(shí)的負(fù)載二次拋物線；b/b 是YBOZJ770 在最大能容系數(shù)=1.64 時(shí)的負(fù)載二次拋物線；c/c 是YBOZJ770 和YOZJ750 在計(jì)算工況時(shí)的負(fù)載二次拋物線。

由圖3 可知，采用YBOZJ770 時(shí)，在能容系數(shù)ψmax=1.64 時(shí)，n1=1142 r/min，大于柴油機(jī)最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速n1min=900 r/min；采用YOZJ750 時(shí)，在能容系數(shù)ψmax=6.312 時(shí)，n1=621 r/min，遠(yuǎn)小于柴油機(jī)最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速n1min=900 r/min，此時(shí)導(dǎo)致柴油機(jī)熄火。

（2）泥漿泵的最高泵壓pbmax

表3 YBOZJ770 和YOZJ750 與AG12V190PZL 的聯(lián)合工作點(diǎn)（n1 和T1）

圖3 YBOZJ770 和YOZJ750 與柴油機(jī)聯(lián)合工作特性曲線

式中 K*——計(jì)算工況（偶合器工況）的變矩系數(shù)，K*=1

T1*——計(jì)算工況（偶合器工況）的輸入轉(zhuǎn)矩，T1*=6344 N·m

m——柴油機(jī)臺(tái)數(shù)

n——鉆井泵的臺(tái)數(shù)

三機(jī)雙泵時(shí)泵的壓力pbmax

對于YBOZJ770，pbmax=1.58×10-3T1*/q；對于YOZJ750，pbmax=1.61×10-3T1*/q。計(jì)算結(jié)果見表4。

由表5 可知，本鉆機(jī)采用2 臺(tái)鉆井泵，缸套直徑180 mm 時(shí)的最大排量值為73.7 L/s；3 臺(tái)柴油機(jī)的鉆井泵的最大壓力為28.1 MPa；當(dāng)缸套直徑為130 mm 時(shí)的排量值為38.4 L/s,3 臺(tái)柴油機(jī)的鉆井泵的最大壓力為53.8 MPa。

5 大鉤提升速度v 和提升載荷[8]F 的計(jì)算

大鉤平均提升速度:

表4 泥漿泵的排量Qmax 和泵壓pbmax

式中 Z——有效繩數(shù)，Z=12

滾筒的平均纏繩直徑:

式中 n——纏繩層數(shù)，一般纏繩層數(shù)在1～2 之間，取n=2

dsh——鉆井繩直徑，dsh=35 mm

dtO——滾筒直徑，dto=685 mm

由式（11）得，對于YBOZJ770，v=1.71×10-3·i·n1/iD；對于YOZJ750，v=1.67×10-3·i·n1/iD只開一號柴油機(jī)時(shí)，大鉤平均提升載荷:

式中 E——游動(dòng)系統(tǒng)效率，E=0.783

由式（13）得，對于YBOZJ770，F(xiàn)=1.536K·T1·ij·iD·Z=38.45×K·T1·iD；對于YOZJ750，F(xiàn)=1.536K·T1·ij·iD·Z=39.26×T1·iD。

計(jì)算分別得到表5、表6，并結(jié)合圖4。

圖4 ZJ50/3150LDB 鉆機(jī)的提升特性曲線

表5 YBOZJ770 不同檔位大鉤平均提升速度v（m/s）與載荷F（kN）

表6 YOZJ750 不同檔位大鉤平均提升速度v（m/s）與載荷F（kN）

由圖4 可知，ZJ50/3150LDB 鉆機(jī)選用YBOZJ770 作為傳動(dòng)裝置與選用YOZJ750 相比，具有更高的提升功效，將絞車變速箱掛在第Ⅱ檔（ID2=7.497）就能提起最大鉤載3150 kN。而后者絞車變速箱必須掛在第Ⅰ檔（iD1=14.098）才能提升最大鉤載3150 kN。

6 結(jié)論

（1）采用YOZJ750 在提升鉆具時(shí)，如果操作不當(dāng)，將導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速壓低到621 r/min，遠(yuǎn)小于柴油機(jī)最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速n1=900 r/min，導(dǎo)致柴油機(jī)熄火；從提升特性曲線可知，如果采用YBOZJ770，在提升鉆具重量3150 kN，用Ⅱ擋即可實(shí)現(xiàn)，提升效率大大提高；如果采用YOZJ750，必須采用Ⅰ擋（iD1=14.098）才能提升最大載荷3150 kN。因此，本鉆機(jī)決定采用YBOZJ770變矩偶合器正車箱，其型號為YBOZJ770-21DDf[3]。

（2）為了最大限度滿足鉆井工況的需要，在“一開”（井段0～2000 m）鉆進(jìn)時(shí)，2 臺(tái)鉆井泵的最大沖次Smax=95 沖/min，此時(shí)，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速n1=1400 r/min，YBOZJ770 的齒輪減速比為i*j-770=2.097，2 臺(tái)鉆井泵的最大排量為74 L/s，遠(yuǎn)高于通常設(shè)計(jì)要求的60 L/s，能夠滿足現(xiàn)場使用要求。