兩種石油鉆機(jī)用液力變矩器試驗(yàn)性能的分析

張衛(wèi)麗 馬保樹 李雪松

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力總廠，濟(jì)南250063）

兩種石油鉆機(jī)用液力變矩器試驗(yàn)性能的分析

張衛(wèi)麗 馬保樹 李雪松

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力總廠，濟(jì)南250063）

通過對(duì)兩種液力變矩器進(jìn)行性能試驗(yàn)，將性能參數(shù)、試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了新研制的增容型液力變矩器，在不增加工作腔直徑，僅改變泵輪、導(dǎo)輪葉片角度的情況下，整體性能較基本型液力變矩器有大幅提高，滿足了設(shè)計(jì)要求。

液力變矩器 驗(yàn)對(duì)比 標(biāo)分析

1 概述

液力變矩器是一種安裝在動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)（如柴油機(jī)與鉆井泵）之間，以礦物油為工作介質(zhì)、將動(dòng)力機(jī)的功率傳遞給工作機(jī)的柔性傳動(dòng)裝置。與傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置相比，具有減小甚至消除系統(tǒng)沖擊、避免超載時(shí)動(dòng)力機(jī)熄火、隨外界負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩等優(yōu)點(diǎn)。

液力變矩器傳遞功率的能力與工作腔直徑的五次方成正比。欲提高液力變矩器的性能，一般通過加大工作腔直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們的基本型液力變矩器是一種帶充調(diào)閥，工作腔直徑為900毫米的離心渦輪變矩器。在基本型液力變矩器的基礎(chǔ)上，不增加工作腔直徑，通過更換泵輪、渦輪、導(dǎo)輪，研制生產(chǎn)了一種新的增容型液力變矩器。

液力變矩器的性能特性可以通過設(shè)計(jì)計(jì)算得到，但由于在實(shí)際工況中，液流狀態(tài)非常復(fù)雜，與理論設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果有出入。為此，我們通過加載試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證新型液力變矩器的設(shè)計(jì)性能。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備組成

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備由1 000kW交流調(diào)頻電機(jī)、輸入扭矩儀、輸入萬(wàn)向軸、液力變矩器、輸出萬(wàn)向軸、分動(dòng)箱（1:1）、輸出扭矩儀、SL1900水利測(cè)功機(jī)等組成。見圖1。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備組成圖

2.2 試驗(yàn)步驟

根據(jù)液力變矩器的具體使用工況，采用定轉(zhuǎn)速試驗(yàn)方法，在輸入轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，對(duì)變矩器進(jìn)行試驗(yàn)。

充調(diào)閥全開，此時(shí)，輸出端空載，提高輸入轉(zhuǎn)速到選定值，待運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后正式試驗(yàn)。將輸出端逐次加載，使輸出轉(zhuǎn)速遞減，逐次測(cè)量記錄各試驗(yàn)參數(shù)，直到轉(zhuǎn)速比降到最低。試驗(yàn)記錄的參數(shù)有泵輪轉(zhuǎn)速n1、渦輪轉(zhuǎn)速n2、泵輪轉(zhuǎn)矩M1、渦輪轉(zhuǎn)矩M2、液力變矩器入口壓力、油溫等。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3.1 作為對(duì)比的基本型液力變矩器

試驗(yàn)記錄的基本型液力變矩器各參數(shù)如表1所示。

表1 基本型液力變矩器參數(shù)表

2.3.2 新設(shè)計(jì)的增容型液力變矩器

試驗(yàn)記錄的增容型液力變矩器各參數(shù)如表2所示。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

特性數(shù)據(jù)：轉(zhuǎn)速比i、變矩系數(shù)k、效率η和輸入扭矩系數(shù)λB，按下列各式進(jìn)行計(jì)算：

式中，n1為輸入轉(zhuǎn)速，r/min；n2為輸出轉(zhuǎn)速，r/min；M1為輸入扭矩，kN·m；M2為輸出扭矩，kN·m；ρ為工作介質(zhì)密度，kg/m3；D為有效直徑，m。

表2 增容型液力變矩器參數(shù)表

2.4.1 基本型液力變矩器

基本型液力變矩器的特性數(shù)據(jù)計(jì)算如表3所示。

表3 基本型液力變矩器的特性數(shù)據(jù)表

2.4.2 新設(shè)計(jì)的增容型液力變矩器

增容型液力變矩器的特性數(shù)據(jù)計(jì)算如表4所示。

2.5 繪制特性曲線

原始特性曲線坐標(biāo)圖中，橫坐標(biāo)代表i，縱坐標(biāo)代表k、η、λB。

表4 增容型液力變矩器的特性數(shù)據(jù)表

外特性曲線坐標(biāo)圖中，橫坐標(biāo)代表n2，縱坐標(biāo)代表M1、M2、η。

2.5.1 基本型液力變矩器

基本型液力變矩器的外特性曲線及原始特性曲線如圖2、圖3所示。

圖2 基本型液力變矩器的外特性曲線圖

圖3 基本型液力變矩器的原始特性曲線圖

2.5.2 增容型液力變矩器

增容型液力變矩器外特性曲線及原始特性曲線如圖4、圖5所示。

3 性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過性能試驗(yàn)，我們得到了兩種變矩器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1 變矩性能

指液力變矩器在牽引工況時(shí)，改變由泵輪軸傳至渦輪軸的扭矩值的能力。由于我們的試驗(yàn)臺(tái)不能測(cè)量靜扭矩，無(wú)法計(jì)算啟動(dòng)工況變矩比k0，因此，采用偶合器工況點(diǎn)（k=1時(shí)）的轉(zhuǎn)速比iM作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖4 增容型液力變矩器的外特性曲線圖

圖5 增容型液力變矩器的原始特性曲線圖

①基本型液力變矩器在試驗(yàn)確定輸入轉(zhuǎn)速，變矩系數(shù)k=1時(shí)，轉(zhuǎn)速比約為0.62。

②增容型液力變矩器在試驗(yàn)確定輸入轉(zhuǎn)速，變矩系數(shù)k=1時(shí)，轉(zhuǎn)速比約為0.70。

3.2 效率特性

（1）基本型液力變矩器最高效率為0.75。

（2）增容型液力變矩器最高效率達(dá)到0.93以上，高效區(qū)效率曲線較平直，高效范圍較寬。

3.3 負(fù)荷特性

指液力變矩器傳遞動(dòng)力裝置負(fù)荷及液力變矩器反加于動(dòng)力裝置負(fù)荷的能力。常從能容性能和透穿性兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）能容性能：指液力變矩器吸收動(dòng)力裝置能量的能力，用最大效率工況時(shí)的泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。

①基本型液力變矩器在最大效率工況時(shí)，泵輪扭矩系數(shù)為0.532。

②增容型液力變矩器在最大效率工況時(shí)，泵輪扭矩系數(shù)為0.540。

（2）透穿性能：指液力變矩器渦輪軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速變化時(shí)，泵輪軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速變化的程度，即表示外界阻力矩變化時(shí)，動(dòng)力機(jī)工況變化的程度，常用透穿系數(shù)п=λB0/λBM評(píng)價(jià)。由于我們的試驗(yàn)臺(tái)不能測(cè)量靜扭矩，無(wú)法計(jì)算啟動(dòng)工況（i=0）時(shí)的泵輪扭矩系數(shù)λB0，所以我們只做定性比較。

①基本型液力變矩器當(dāng)渦輪負(fù)荷由911N·m增大到4 748N·m，i減小時(shí)，泵輪上負(fù)荷由2424N.m增大到2631N·m，正透穿性不明顯。

②增容型液力變矩器當(dāng)渦輪負(fù)荷由2180N·m增大到5560N·m，i減小時(shí)，泵輪上負(fù)荷由2515N·m增大到2664N·m，正透穿性不明顯。

4 結(jié)論

通過對(duì)比性能試驗(yàn)可以看出，新設(shè)計(jì)制造的增容型液力變矩器的變矩性能、效率特性、能容性能三個(gè)方面均好于基本型液力變矩器，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算性能指標(biāo)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

[1]國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).Y/T5141-2002,石油鉆機(jī)用離心渦輪液力變矩器[S].

[2]朱經(jīng)昌.液力變矩器的設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991.

Analysis of Test Performance of Two Types of Petroleum Drilling Machine with Hydraulic Torque Converter

ZHANG Weili, MA Baoshu, LI Xuesong
（CNPC Jichai Power Equipment Company，Jinan 250063）

B y the performance test of two types of fluid torque converter, the whole performance of new type have greatly improved and met the des ign requirements compare to the bas ic type, which, without increase working chamber diameter, onl y change the paddle angle of pump wheel an guide wheel.

fluid tor que converter, tes t comparison, index analysis