液力變矩器傳動鉆機(jī)傳動系統(tǒng)研究

【摘 要】液力變矩器傳動鉆機(jī)系統(tǒng)采用液力傳動，在使用中出現(xiàn)設(shè)備過熱、超速、功率不足等問題，主要原因是：柴油機(jī)定速運轉(zhuǎn)、液力變矩器與柴油機(jī)匹配不合理。采取了給柴油機(jī)安裝油門氣動遙控裝置、根據(jù)柴油機(jī)性能參數(shù)合理選配液力耦合器，使設(shè)備效能得到了充分發(fā)揮。筆者根據(jù)現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了初步的探討。

【關(guān)鍵詞】液力變矩器 柴油機(jī) 過熱 轉(zhuǎn)速過高 功率匹配

液變矩器傳動鉆機(jī)采用柴油機(jī)→液力變矩器→鏈條并車傳動箱→工作機(jī)傳動結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的柴油機(jī)→聯(lián)動機(jī)→工作機(jī)的純機(jī)械傳動鉆機(jī)相比，它具有傳動柔和、有效防止過載保護(hù)設(shè)備、整體結(jié)構(gòu)簡單等特點。如何使該動力系統(tǒng)與鉆井設(shè)備合理匹配，低耗高效的滿足鉆井工作需要，筆者根據(jù)現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了初步的探討。

1 柴油機(jī)定速運轉(zhuǎn)對傳動系統(tǒng)及設(shè)備的影響

采用190系列柴油機(jī)作動力的純機(jī)械傳動鉆機(jī)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一般開到1350轉(zhuǎn)∕分鐘帶負(fù)荷，當(dāng)載荷發(fā)生變化時通過柴油機(jī)調(diào)速器自動控制噴油泵供油量，調(diào)整柴油機(jī)的輸出功率使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大，在純機(jī)械傳動鉆機(jī)上柴油機(jī)這種定速運轉(zhuǎn)工作方式是可行的，但在液力傳動系統(tǒng)中柴油機(jī)定速運轉(zhuǎn)卻引起了一系列的問題。

1.1 液力變矩器過熱

現(xiàn)場ZJ50L鉆機(jī)使用YB-900型液力變矩器，其液力傳動油正常工作溫度應(yīng)≤100℃，但在實際使用中經(jīng)常發(fā)生液力傳動油溫度過高現(xiàn)象，發(fā)熱嚴(yán)重時液力傳動油溫度可達(dá)140℃。筆者先后對液力變矩器背壓閥、充油閥、壓力安全閥、散熱器、傳動油濾清器，風(fēng)扇皮帶張緊度進(jìn)行了檢查、清洗、調(diào)整，情況都沒有好轉(zhuǎn)。在液力變矩器使用過程中發(fā)現(xiàn)兩個現(xiàn)象：（1）鉆井設(shè)備載荷較重，液力變矩器處于全充油工作狀態(tài)，高效率輸出柴油機(jī)功率時，其傳動油溫度都保持在正常范圍內(nèi)；鉆井設(shè)備載荷較輕時，液力變矩器采用半充油工作方式，部分輸出柴油機(jī)動力，液力傳動油溫度就會迅速升高。（2）不論鉆井設(shè)備載荷如何變化，對柴油機(jī)的工作影響不大，柴油機(jī)始終平穩(wěn)運行，即使鉆井設(shè)備載荷過重，超過了液力變矩器的最大功率，迫使液力變矩器的功率輸出端停轉(zhuǎn)，柴油機(jī)載荷也不會變化很大，這是柴油機(jī)與液力變矩器配合工作時的一大特性，正是液力變矩器的這一特性，使其在傳動系統(tǒng)中起到了過載保護(hù)作用。

不論鉆井設(shè)備載荷如何變化柴油機(jī)始終平穩(wěn)運行，說明柴油機(jī)在定速運轉(zhuǎn)時所輸出的功率是基本穩(wěn)定的。結(jié)合液力變矩器油溫變化時的工況分析：當(dāng)液力變矩器全充油工作時，將柴油機(jī)的大部分功率向鉆井設(shè)備輸出，液力變矩器只消耗很小的功率，發(fā)熱量較小，液力傳動油溫度保持正常；液力變矩器半充油工作時，只有小部分柴油機(jī)的功率向鉆井設(shè)備輸出，而大部分功率被液力變矩器內(nèi)部消耗掉，從而產(chǎn)生大量的熱能，超過了其散熱器的散熱能力，造成了液力傳動油溫度過高。

1.2 設(shè)備超速

在鉆井生產(chǎn)過程中，鉆井設(shè)備產(chǎn)生的載荷頻繁變化。在起下鉆作業(yè)中提升、下放鉆柱、游車?yán)咚佟@進(jìn)作業(yè)中接好單根開動泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等使得液力變矩器承載的負(fù)荷忽重忽輕。由于液力變矩器具有自動適應(yīng)工作機(jī)載荷變化，進(jìn)行變矩、變速的特性，而柴油機(jī)定速運轉(zhuǎn)時對液力變矩器輸出的功率保持不變。根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、扭矩的關(guān)系公式：P（功率）=M（扭矩）*n（轉(zhuǎn)速）/9550可以看出，鉆井設(shè)備載荷增加時液力變矩器輸出扭矩（M）升高、輸出轉(zhuǎn)速（n）降低，鉆井設(shè)備載荷降低時液力變矩器輸出扭矩降低、輸出轉(zhuǎn)速（n）升高。液力變矩器為防止輕載時輸出轉(zhuǎn)速過高，造成鏈條傳動箱及各鉆井設(shè)備超速，液力變矩器采用半充油工作方式，但實際證明這種方法并不能有效的防止超速。根據(jù)在生產(chǎn)現(xiàn)場使用紅外測速儀測量，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1300轉(zhuǎn)/分鐘，各鉆井設(shè)備（主絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等）空載時，液力變矩器半充油工作其輸出轉(zhuǎn)速可達(dá)到1150轉(zhuǎn)/分鐘，而鏈條并車傳動箱最高輸入轉(zhuǎn)速只有800轉(zhuǎn)/分鐘。在鉆進(jìn)過程中鉆井設(shè)備的載荷有時相對較輕如：井深較淺，泵壓較低、等，在這種工況下液力變矩器如采用半充油工作就帶不動鉆井設(shè)備，如果全充油工作也會使鉆井設(shè)備產(chǎn)生一定程度的超速。由此可以證明在液力變矩器傳動系統(tǒng)中，如果柴油機(jī)不論載荷輕重始終定速運轉(zhuǎn)，那么設(shè)備超速就是不可避免的。設(shè)備的超速運轉(zhuǎn)帶來一系列不良后果；（1）鏈條并車傳動箱工作時的實際溫升超過允許溫升30℃以上，發(fā)熱嚴(yán)重。（2）傳動鏈條磨損嚴(yán)重。（3）泥漿泵液力端進(jìn)排水閥體、閥座、活塞、缸套、各密封墊超出正常消耗2-3倍，設(shè)備維修費用和故障率過高，設(shè)備的使用壽命受到較大的影響。

1.3 液力變矩器傳動鉆機(jī)柴油機(jī)不應(yīng)始終保持定速運轉(zhuǎn)

從以上兩個問題可以看出，在柴油機(jī)始終保持定速運轉(zhuǎn)的情況下，只通過調(diào)整液力變矩器充油工作狀態(tài)來調(diào)節(jié)功率的輸出，不能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場載荷頻繁變化的實際情況，柴油機(jī)功率不能合理、高效的配合鉆井設(shè)備工作，造成了液力變矩器過熱，設(shè)備超速運轉(zhuǎn)，而且液力變矩器在鉆井設(shè)備空載時消耗了大量柴油機(jī)功率，造成了柴油的浪費。因此，柴油機(jī)始終定速運轉(zhuǎn)，不適用于液力變矩器傳動系統(tǒng)，采用液力變矩器傳動的鉆機(jī)應(yīng)根據(jù)鉆井設(shè)備載荷變化情況，對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和液力變矩器充油工作狀態(tài)同時進(jìn)行調(diào)節(jié)，使柴油機(jī)能根據(jù)鉆井設(shè)備的需求輸出功率，才能避免液力變矩器過熱，設(shè)備超速等故障發(fā)生。

2 液力變矩器功率不足

現(xiàn)場ZJ50L鉆機(jī)配套的柴油機(jī)為G12V190PZL-3，額定轉(zhuǎn)速1300r/min.額定功率810KW，液力變矩器是YB-900型，最高輸入轉(zhuǎn)速1300轉(zhuǎn)/分鐘，額定功率660KW，這樣的搭配顯然不能發(fā)揮柴油機(jī)的工作能力。與其他鉆機(jī)比較，ZJ30型鉆機(jī)配套柴油機(jī)總功率達(dá)到2626KW，常用功率2130KW。但配置液力變矩器ZJ50L鉆機(jī)，變矩器總輸出功率1980KW，相比配套的G12V190PZL-3柴油機(jī)的輸出功率2430KW低了450KW，比ZJ30鉆機(jī)常用功率還少了150KW，這顯然是不合理的，從以上數(shù)據(jù)分析看出由于液力變矩器功率不足，造成了柴油機(jī)動力傳遞過程中的“瓶頸”，不能充分發(fā)揮鉆井設(shè)備應(yīng)有的工作效能。

3 改進(jìn)和效果

3.1 柴油機(jī)安裝油門氣動遙控裝置

司鉆是鉆井設(shè)備的直接控制者，設(shè)備、井下工況他能在第一時間最直觀的了解，同時他又是鉆井措施的第一執(zhí)行者，所以由司鉆根據(jù)鉆井工況、鉆井設(shè)備的載荷，對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制決定柴油機(jī)功率輸出多少，什么時候輸出，是較合理的。根據(jù)這樣的思路，筆者采取了給柴油機(jī)安裝油門氣動遙控裝置的措施，將機(jī)房司機(jī)使用手動油門對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，改為由司鉆通過手輪調(diào)壓閥和腳踏調(diào)壓閥，在司鉆操作臺上控制氣動油門，對柴油機(jī)進(jìn)行遙控。結(jié)構(gòu)上，手輪調(diào)壓閥和腳踏調(diào)壓閥并聯(lián)都可以對油門進(jìn)行控制，不需要頻繁調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速時使用手輪調(diào)壓閥，當(dāng)載荷頻繁變化（如：起下鉆作業(yè)）就使用腳踏調(diào)壓閥，同時液力變矩器充油閥與油門氣動遙控裝置并聯(lián)，司鉆操作臺與機(jī)房柴油機(jī)之間用一根專用氣管線連接，氣管線一頭連接司鉆操作臺的手動、腳踏調(diào)壓閥，另一頭連接機(jī)房液力變矩器和柴油機(jī)油門氣動遙控裝置，司鉆可以控制柴油機(jī)在700-1300轉(zhuǎn)/分鐘范圍內(nèi)，任一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。

氣動油門遙控裝置的安裝使用，使柴油機(jī)功率得到合理、充分的利用，實現(xiàn)了整套設(shè)備的平滑無級調(diào)速，徹底解決了液力變矩器過熱、設(shè)備超速的問題，大幅減少了柴油機(jī)功率的浪費。

3.2 將液力變矩器更換為液力耦合器

液力傳動設(shè)備負(fù)責(zé)柴油機(jī)動力的傳遞，同時起到防止柴油機(jī)超負(fù)荷保護(hù)柴油機(jī)的作用，它與柴油機(jī)搭配得合理與否直接影響到柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮。BY-900型液力變矩器，額定功率偏小，采用YOZJ750型液力耦合器正車箱替換BY-900型液力變矩器取得了較好的效果，其優(yōu)點是：

（1）傳動效率高。在耦合器額定輸入轉(zhuǎn)速和額定傳遞功率范圍內(nèi)，偶合器的渦輪轉(zhuǎn)速與泵輪轉(zhuǎn)速之比保持在 0.95-0.98 的范圍內(nèi)工作，而偶合器的效率等于轉(zhuǎn)速比，在鉆井工況，由于轉(zhuǎn)盤、鉆井泵和壓風(fēng)機(jī)等同時工作時所消耗的功率，均小于鉆機(jī)配備柴油機(jī)的總功率，而偶合器效率則在高于 95-98 %的范圍內(nèi)工作；在起鉆工況，隨著鉆具負(fù)載（或井深）的變化，適時地調(diào)整絞車變速箱的檔位，也能確保偶合器在效率≥95-98%范圍內(nèi)工作。而液力變矩器的平均效率只有 75-80%。因此，偶合器減速箱的平均效率比變矩器高15-20%。（2）冷卻工作油所消耗的輔助功率小。由于偶合器效率高，只需要在頂部安裝一個小的油冷器。而變矩器效率低，必須在其頂部安裝一個龐大的風(fēng)扇散熱裝置，消耗較大的輔助功率。（3）具有自動限速功能。由于石油鉆機(jī)配備的動力機(jī)功率均偏大，而在很多情況下，鉆機(jī)不在滿負(fù)荷，甚至在輕負(fù)荷工況下工作，如果不及時降低柴油機(jī)的油門則變矩器的輸出轉(zhuǎn)速升高，甚至使工作機(jī)（如鉆井泵）超速損壞，而對于偶合器，當(dāng)外界負(fù)荷減小時，從柴油機(jī)吸收的功率也較小，輸出轉(zhuǎn)速也不增加。（4）較好的節(jié)油效果。通過將ZJ50L鉆機(jī)BY-900型液力變矩器改造為YOZJ750型液力耦合器，油耗降低18.7%。

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）采用液力變矩器傳動的鉆機(jī)，柴油機(jī)必須安裝氣動油門遙控裝置，才能避免設(shè)備過熱、超速、能耗高等問題。（2）將液力變矩器更換為液力耦合器后，如果鉆機(jī)安裝節(jié)能發(fā)電機(jī)，柴油機(jī)可不必安裝氣動油門遙控裝置，柴油機(jī)可以采用定速方式運轉(zhuǎn)而不會造成設(shè)備超速、過熱等問題。（3）選用獨立風(fēng)冷散熱型液力耦合器，就不用對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，還能減輕夏季柴油機(jī)的散熱負(fù)擔(dān)，避免低溫散熱系統(tǒng)水溫過高影響中冷器冷卻效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 匡襄.液力傳動.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

作者簡介：王軍（1973—），男，云南宣威人，高級技師，主要從事石油鉆井柴油機(jī)及動力傳動系統(tǒng)工作。