变矩偶合器正车箱在石油钻机上的应用

雷先革，付月永，张振明，徐遵宏，涂志威

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300450）

0 引言

以ZJ50/3150LDB 钻机为例，对选用什么形式的液力传动装置进行论述。目前，我国链条传动石油钻机采用3 种液力传动装置。

（1）YBLT900 变矩器[1]。由一个泵轮B、一个涡轮T 和一个导轮D 组成的单级涡轮变矩器，具有很大的变矩系数、较宽的高效范围和使用可靠等优点，在链条传动钻机中获得了广泛的应用。但由于有如下缺点:一是传动效率低，最高效率＜82%，在空负荷时效率为零的情况下，仍然从柴油机吸收很大的功率，而转变成热量消耗掉，为了降低空负荷功率损失，设计一套带充油调节阀的气控装置，导致结构复杂。尽管如此，仍然无法使得在空负荷时燃油消耗率降至为零；二是在外在负荷突然变为零时，输出转速迅速提高，无法确保节能发电机转速基本稳定，因此不考虑采用YBLT900 变矩器作为本钻机的液力传动装置。

（2）YOZJ750 偶合器正车箱[2]。由一个泵轮B 和一个涡轮T以及两级同轴式齿轮减速箱组成，应用在各型链条钻机上，取得了显著的节油效果。现场使用表明，带有偶合器正车箱的链条钻机，其燃油耗油量与皮带钻机基本相等。但随之带来如下问题:①提升效率低，操作不便；②绞车的提升能力有较大的下降；③提升空吊卡的速度有所下降；④绞车冲击载荷增大；⑤在提升钻具时，当滚筒离合器合上时，突然压低柴油机转速，使柴油机冒黑烟，燃油燃烧不完全，柴油机的使用可靠性和寿命降低。如果处理不当，甚至使柴油机熄火，钻机瞬间停止工作。

（3）YBOZJ770 变矩偶合器正车箱[3]。是近年来研究成功的新型液力传动装置，并获得国家专利（专利名称:液力变矩器正车减速箱），在正常钻进工况具有偶合器正车箱高效率的功能，可以大幅降低燃油消耗；在提升工况具有变矩器功能，大大提高钻井功效，可以克服YBLT900 和YOZJ750 存在的缺点,取代第一种和第二种液力传动装置，在链条传动钻机上获得了成功的应用，如图1 所示。

YBOZJ770 变矩偶合器正车箱结构特征:由输入部分的二相液力变矩偶合器和输出部分的两级同轴式齿轮减速器组成，变矩器的涡轮轴与两级同轴式齿轮减速器的输入轴为同一根轴。输入部分的输入轴与输出部分的输出轴位于同一轴心线，且两者旋转方向相同（即所谓“正车”功能），两部分安装在同一箱体内。

图1 YBOZJ770 变矩偶合器正车箱结构和油路系统

就YBOZJ770 和YOZJ750 应用在钻机ZJ50/3150LDB[4]上，并与AG12V190PZL 柴油机进行匹配，计算钻进工况钻井泵的最大排量和最大压力及提升载荷F 和提升速度v，并绘制提升特性曲线，比较选择最佳的液力传动装置。

1 配套的柴油机、钻井泵和液力传动装置技术参数

1.1 柴油机技术参数（表1）

其中，**表示扣除柴油机的冷却风扇、冷却水泵和机油泵等辅助部件后的柴油机输出的持续净功率。

表1 AG12V190PZL 柴油机技术参数

1.2 钻井泵技术参数（表2）

表2 兰石F-1600 钻井泵的技术参数[5]

1.3 两种液力传动装置的特性曲线

通过专门的液力传动试验台[6]，测定液力传动元件（变矩偶合器、偶合器）的特性参数并绘制无因次特性曲线（图2）。图中:ib是转速比（液力传动元件涡轮转速与泵轮转速之比）；K 是变矩系数（液力传动元件涡轮转矩与泵轮转矩之比；η 是液力传动元件效率；ψ 是液力传动元件（偶合器或变矩偶合器）能容系数。

图2 YBOZJ770 和YOZJ750 无因次特性曲线

2 确定计算工况下液力元件的转速比i

（1）液力传动装置的输入转矩（泵轮转矩）[7]

式中 n1——液力传动装置的输入转速，r/min

D——变矩偶合器和偶合器的工作腔直径，m

（2）计算工况下涡轮转速与泵轮转速之比i

由式（1）求得计算工况的能容系数ψ*。

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

ψ*770=1.09，ψ*750=1.244。再用ψ*770和ψ*750，从无因次特性曲线（图2） 查得:YBOZJ770 在计算工况的转速比i*770=0.94，YOZJ750 在计算工况的转速比i*750=0.96。

3 确定液力传动装置的齿轮减速比ij

（1）减速比ij的计算关系式

式中 n1*——计算工况下，传动装置的输入转速，n1*=1400 r/min

q——钻井泵最大缸套直径（180 mm）时，每一冲的排量值，q=0.3878 L/冲

Smax——钻井泵的最大冲次

i*——计算工况下，液力元件的转速之比:i*770=0.94，i*750=0.96

则:

（2）钻机最大排量Qmax

为了提高钻井速度，在“一开”时，2 台钻井泵通常选择直径180 mm 缸套，在常用工况95 冲/min 时，由（4）式求得液力传动装置的齿轮减速比为:

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

钻井泵的排量Qmax=2q·Smax=7307 L/冲。计算结果远高于通常设计要求的60 L/s。

4 液力传动装置与柴油机的匹配计算

（1）YBOZJ770 和YOZJ750 与AG12V190PZL 的匹配计算

由式（1）可知，液力传动装置的输入转矩T1与输入转速n1的关系曲线是一条二次抛物线。对于YBOZJ770，将D=0.77 代入式（1）得:

根据式（5，6，7，8），用YBOZJ770 和YOZJ750 在不同转速比i 及对应的ψ 值（表3），计算输入转矩T1与输入转速n1，分别做出二次抛物曲线，它与柴油机的外特性曲线的交点就是它们的联合工作点。为了简化计算，认定柴油机转矩（即传动装置的输入转矩）与柴油机转速的关系曲线是一条水平线（图3）。由于YBOZJ770 和YOZJ750 的泵轮无因次力矩系数ψ 随转速比i 变化，所以在每个转速比i 下均有一条二次抛物线和一个联合工作点。

AB（水平线）/BC（垂线）是柴油机油门在转速1400 r/min 时的转矩与转速的关系曲线；a/a 是YOZJ750 在最大能容系数=6.312 时的负载二次抛物线；b/b 是YBOZJ770 在最大能容系数=1.64 时的负载二次抛物线；c/c 是YBOZJ770 和YOZJ750 在计算工况时的负载二次抛物线。

由图3 可知，采用YBOZJ770 时，在能容系数ψmax=1.64 时，n1=1142 r/min，大于柴油机最低稳定工作转速n1min=900 r/min；采用YOZJ750 时，在能容系数ψmax=6.312 时，n1=621 r/min，远小于柴油机最低稳定工作转速n1min=900 r/min，此时导致柴油机熄火。

（2）泥浆泵的最高泵压pbmax

表3 YBOZJ770 和YOZJ750 与AG12V190PZL 的联合工作点（n1 和T1）

图3 YBOZJ770 和YOZJ750 与柴油机联合工作特性曲线

式中 K*——计算工况（偶合器工况）的变矩系数，K*=1

T1*——计算工况（偶合器工况）的输入转矩，T1*=6344 N·m

m——柴油机台数

n——钻井泵的台数

三机双泵时泵的压力pbmax

对于YBOZJ770，pbmax=1.58×10-3T1*/q；对于YOZJ750，pbmax=1.61×10-3T1*/q。计算结果见表4。

由表5 可知，本钻机采用2 台钻井泵，缸套直径180 mm 时的最大排量值为73.7 L/s；3 台柴油机的钻井泵的最大压力为28.1 MPa；当缸套直径为130 mm 时的排量值为38.4 L/s,3 台柴油机的钻井泵的最大压力为53.8 MPa。

5 大钩提升速度v 和提升载荷[8]F 的计算

大钩平均提升速度:

表4 泥浆泵的排量Qmax 和泵压pbmax

式中 Z——有效绳数，Z=12

滚筒的平均缠绳直径:

式中 n——缠绳层数，一般缠绳层数在1～2 之间，取n=2

dsh——钻井绳直径，dsh=35 mm

dtO——滚筒直径，dto=685 mm

由式（11）得，对于YBOZJ770，v=1.71×10-3·i·n1/iD；对于YOZJ750，v=1.67×10-3·i·n1/iD只开一号柴油机时，大钩平均提升载荷:

式中 E——游动系统效率，E=0.783

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

计算分别得到表5、表6，并结合图4。

图4 ZJ50/3150LDB 钻机的提升特性曲线

表5 YBOZJ770 不同档位大钩平均提升速度v（m/s）与载荷F（kN）

表6 YOZJ750 不同档位大钩平均提升速度v（m/s）与载荷F（kN）

由图4 可知，ZJ50/3150LDB 钻机选用YBOZJ770 作为传动装置与选用YOZJ750 相比，具有更高的提升功效，将绞车变速箱挂在第Ⅱ档（ID2=7.497）就能提起最大钩载3150 kN。而后者绞车变速箱必须挂在第Ⅰ档（iD1=14.098）才能提升最大钩载3150 kN。

6 结论

（1）采用YOZJ750 在提升钻具时，如果操作不当，将导致柴油机转速压低到621 r/min，远小于柴油机最低稳定工作转速n1=900 r/min，导致柴油机熄火；从提升特性曲线可知，如果采用YBOZJ770，在提升钻具重量3150 kN，用Ⅱ挡即可实现，提升效率大大提高；如果采用YOZJ750，必须采用Ⅰ挡（iD1=14.098）才能提升最大载荷3150 kN。因此，本钻机决定采用YBOZJ770变矩偶合器正车箱，其型号为YBOZJ770-21DDf[3]。

（2）为了最大限度满足钻井工况的需要，在“一开”（井段0～2000 m）钻进时，2 台钻井泵的最大冲次Smax=95 冲/min，此时，柴油机的转速n1=1400 r/min，YBOZJ770 的齿轮减速比为i*j-770=2.097，2 台钻井泵的最大排量为74 L/s，远高于通常设计要求的60 L/s，能够满足现场使用要求。