液力变矩器传动钻机传动系统研究

王军

(西南石油工程有限公司临盘钻井分公司,山东德州 251500)

液力变矩器传动钻机传动系统研究

王军

(西南石油工程有限公司临盘钻井分公司,山东德州 251500)

液力变矩器传动钻机系统采用液力传动,在使用中出现设备过热、超速、功率不足等问题,主要原因是:柴油机定速运转、液力变矩器与柴油机匹配不合理。采取了给柴油机安装油门气动遥控装置、根据柴油机性能参数合理选配液力耦合器,使设备效能得到了充分发挥。笔者根据现场使用中出现的问题进行了初步的探讨。

液力变矩器 柴油机 过热 转速过高 功率匹配

液变矩器传动钻机采用柴油机→液力变矩器→链条并车传动箱→工作机传动结构，与传统的柴油机→联动机→工作机的纯机械传动钻机相比，它具有传动柔和、有效防止过载保护设备、整体结构简单等特点。如何使该动力系统与钻井设备合理匹配，低耗高效的满足钻井工作需要，笔者根据现场使用中出现的问题进行了初步的探讨。

1　柴油机定速运转对传动系统及设备的影响

采用190系列柴油机作动力的纯机械传动钻机，柴油机转速一般开到1350转/分钟带负荷，当载荷发生变化时通过柴油机调速器自动控制喷油泵供油量，调整柴油机的输出功率使柴油机转速变化不大，在纯机械传动钻机上柴油机这种定速运转工作方式是可行的，但在液力传动系统中柴油机定速运转却引起了一系列的问题。

1.1液力变矩器过热

现场ZJ50L钻机使用YB－900型液力变矩器，其液力传动油正常工作温度应≤100℃，但在实际使用中经常发生液力传动油温度过高现象，发热严重时液力传动油温度可达140℃。笔者先后对液力变矩器背压阀、充油阀、压力安全阀、散热器、传动油滤清器，风扇皮带张紧度进行了检查、清洗、调整，情况都没有好转。在液力变矩器使用过程中发现两个现象:(1)钻井设备载荷较重，液力变矩器处于全充油工作状态，高效率输出柴油机功率时，其传动油温度都保持在正常范围内;钻井设备载荷较轻时，液力变矩器采用半充油工作方式，部分输出柴油机动力，液力传动油温度就会迅速升高。(2)不论钻井设备载荷如何变化，对柴油机的工作影响不大，柴油机始终平稳运行，即使钻井设备载荷过重，超过了液力变矩器的最大功率，迫使液力变矩器的功率输出端停转，柴油机载荷也不会变化很大，这是柴油机与液力变矩器配合工作时的一大特性，正是液力变矩器的这一特性，使其在传动系统中起到了过载保护作用。

不论钻井设备载荷如何变化柴油机始终平稳运行，说明柴油机在定速运转时所输出的功率是基本稳定的。结合液力变矩器油温变化时的工况分析:当液力变矩器全充油工作时，将柴油机的大部分功率向钻井设备输出，液力变矩器只消耗很小的功率，发热量较小，液力传动油温度保持正常;液力变矩器半充油工作时，只有小部分柴油机的功率向钻井设备输出，而大部分功率被液力变矩器内部消耗掉，从而产生大量的热能，超过了其散热器的散热能力，造成了液力传动油温度过高。

1.2设备超速

在钻井生产过程中，钻井设备产生的载荷频繁变化。在起下钻作业中提升、下放钻柱、游车拉高速、钻进作业中接好单根开动泥浆泵、转盘等使得液力变矩器承载的负荷忽重忽轻。由于液力变矩器具有自动适应工作机载荷变化，进行变矩、变速的特性，而柴油机定速运转时对液力变矩器输出的功率保持不变。根据功率、转速、扭矩的关系公式:P(功率)＝M(扭矩)*n(转速)/9550可以看出，钻井设备载荷增加时液力变矩器输出扭矩(M)升高、输出转速(n)降低，钻井设备载荷降低时液力变矩器输出扭矩降低、输出转速(n)升高。液力变矩器为防止轻载时输出转速过高，造成链条传动箱及各钻井设备超速，液力变矩器采用半充油工作方式，但实际证明这种方法并不能有效的防止超速。根据在生产现场使用红外测速仪测量，当柴油机转速为1300转/分钟，各钻井设备(主绞车、转盘、泥浆泵等)空载时，液力变矩器半充油工作其输出转速可达到1150转/分钟，而链条并车传动箱最高输入转速只有800转/分钟。在钻进过程中钻井设备的载荷有时相对较轻如:井深较浅，泵压较低、等，在这种工况下液力变矩器如采用半充油工作就带不动钻井设备，如果全充油工作也会使钻井设备产生一定程度的超速。由此可以证明在液力变矩器传动系统中，如果柴油机不论载荷轻重始终定速运转，那么设备超速就是不可避免的。设备的超速运转带来一系列不良后果;(1)链条并车传动箱工作时的实际温升超过允许温升30℃以上，发热严重。(2)传动链条磨损严重。(3)泥浆泵液力端进排水阀体、阀座、活塞、缸套、各密封垫超出正常消耗2－3倍，设备维修费用和故障率过高，设备的使用寿命受到较大的影响。

1.3液力变矩器传动钻机柴油机不应始终保持定速运转

从以上两个问题可以看出，在柴油机始终保持定速运转的情况下，只通过调整液力变矩器充油工作状态来调节功率的输出，不能适应生产现场载荷频繁变化的实际情况，柴油机功率不能合理、高效的配合钻井设备工作，造成了液力变矩器过热，设备超速运转，而且液力变矩器在钻井设备空载时消耗了大量柴油机功率，造成了柴油的浪费。因此，柴油机始终定速运转，不适用于液力变矩器传动系统，采用液力变矩器传动的钻机应根据钻井设备载荷变化情况，对柴油机转速和液力变矩器充油工作状态同时进行调节，使柴油机能根据钻井设备的需求输出功率，才能避免液力变矩器过热，设备超速等故障发生。

2　液力变矩器功率不足

现场ZJ50L钻机配套的柴油机为G12V190PZL-3，额定转速1300r/min.额定功率810KW，液力变矩器是YB－900型，最高输入转速1300转/分钟，额定功率660KW，这样的搭配显然不能发挥柴油机的工作能力。与其他钻机比较，ZJ30型钻机配套柴油机总功率达到2626KW，常用功率2130KW。但配置液力变矩器ZJ50L钻机，变矩器总输出功率1980KW，相比配套的G12V190PZL-3柴油机的输出功率2430KW低了450KW，比ZJ30钻机常用功率还少了150KW，这显然是不合理的，从以上数据分析看出由于液力变矩器功率不足，造成了柴油机动力传递过程中的“瓶颈”，不能充分发挥钻井设备应有的工作效能。

3　改进和效果

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3.1柴油机安装油门气动遥控装置

司钻是钻井设备的直接控制者，设备、井下工况他能在第一时间最直观的了解，同时他又是钻井措施的第一执行者，所以由司钻根据钻井工况、钻井设备的载荷，对柴油机转速进行控制决定柴油机功率输出多少，什么时候输出，是较合理的。根据这样的思路，笔者采取了给柴油机安装油门气动遥控装置的措施，将机房司机使用手动油门对柴油机转速进行控制，改为由司钻通过手轮调压阀和脚踏调压阀，在司钻操作台上控制气动油门，对柴油机进行遥控。结构上，手轮调压阀和脚踏调压阀并联都可以对油门进行控制，不需要频繁调节柴油机转速时使用手轮调压阀，当载荷频繁变化(如:起下钻作业)就使用脚踏调压阀，同时液力变矩器充油阀与油门气动遥控装置并联，司钻操作台与机房柴油机之间用一根专用气管线连接，气管线一头连接司钻操作台的手动、脚踏调压阀，另一头连接机房液力变矩器和柴油机油门气动遥控装置，司钻可以控制柴油机在700－1300转/分钟范围内，任一转速下稳定运行。

气动油门遥控装置的安装使用，使柴油机功率得到合理、充分的利用，实现了整套设备的平滑无级调速，彻底解决了液力变矩器过热、设备超速的问题，大幅减少了柴油机功率的浪费。

3.2将液力变矩器更换为液力耦合器

液力传动设备负责柴油机动力的传递，同时起到防止柴油机超负荷保护柴油机的作用，它与柴油机搭配得合理与否直接影响到柴油机动力性和经济性的发挥。BY－900型液力变矩器，额定功率偏小，采用YOZJ750型液力耦合器正车箱替换BY－900型液力变矩器取得了较好的效果，其优点是:

(1)传动效率高。在耦合器额定输入转速和额定传递功率范围内，偶合器的涡轮转速与泵轮转速之比保持在0.95-0.98的范围内工作，而偶合器的效率等于转速比，在钻井工况，由于转盘、钻井泵和压风机等同时工作时所消耗的功率，均小于钻机配备柴油机的总功率，而偶合器效率则在高于95-98%的范围内工作;在起钻工况，随着钻具负载(或井深)的变化，适时地调整绞车变速箱的档位，也能确保偶合器在效率≥95-98%范围内工作。而液力变矩器的平均效率只有75-80%。因此，偶合器减速箱的平均效率比变矩器高15-20%。(2)冷却工作油所消耗的辅助功率小。由于偶合器效率高，只需要在顶部安装一个小的油冷器。而变矩器效率低，必须在其顶部安装一个庞大的风扇散热装置，消耗较大的辅助功率。(3)具有自动限速功能。由于石油钻机配备的动力机功率均偏大，而在很多情况下，钻机不在满负荷，甚至在轻负荷工况下工作，如果不及时降低柴油机的油门则变矩器的输出转速升高，甚至使工作机(如钻井泵)超速损坏，而对于偶合器，当外界负荷减小时，从柴油机吸收的功率也较小，输出转速也不增加。(4)较好的节油效果。通过将ZJ50L钻机BY－900型液力变矩器改造为YOZJ750型液力耦合器，油耗降低18.7%。

4　结论与认识

(1)采用液力变矩器传动的钻机，柴油机必须安装气动油门遥控装置，才能避免设备过热、超速、能耗高等问题。(2)将液力变矩器更换为液力耦合器后，如果钻机安装节能发电机，柴油机可不必安装气动油门遥控装置，柴油机可以采用定速方式运转而不会造成设备超速、过热等问题。(3)选用独立风冷散热型液力耦合器，就不用对柴油机冷却系统进行改造，还能减轻夏季柴油机的散热负担，避免低温散热系统水温过高影响中冷器冷却效果。

[1]匡襄.液力传动.北京:机械工业出版社,1982.

[2]闻邦椿.机械设计手册.北京:机械工业出版社,2010.

王军(1973—),男,云南宣威人,高级技师,主要从事石油钻井柴油机及动力传动系统工作。