固井水泥車(chē)固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)研究

郭　炯（中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北　荊州　434000）

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固井水泥車(chē)固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)研究

郭炯（中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北荊州434000）

固井水泥車(chē)是固井作業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)中很重要的組成部分。在系統(tǒng)中為了能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力之間可以有效的傳遞通常借助液力機(jī)械變速器，在不同固井作業(yè)所要求流量以及壓力有區(qū)別時(shí)通過(guò)檔位變換來(lái)滿足要求。所以本文主要對(duì)固井水泥車(chē)固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究的，也討論了固井水泥車(chē)固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化。

固井水泥車(chē)；優(yōu)化；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；液力變矩器

引言

隨著油田深井、超深井開(kāi)發(fā)工作量的增加，固井作業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化成為了我們首要關(guān)注的問(wèn)題。我們知道固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是固井水泥車(chē)必不可少的環(huán)節(jié)，所以在能夠更好地滿足不同固井作業(yè)要求的前提就是對(duì)固井作業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)的控制，對(duì)它進(jìn)行合理的優(yōu)化分配，來(lái)保障和提高整個(gè)固井作業(yè)的效率。本文主要是以某型號(hào)雙機(jī)雙泵固井水泥車(chē)的固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹和討論，來(lái)具體分析固井水泥車(chē)的固井作業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)介紹

1.1系統(tǒng)概述

固井作業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、萬(wàn)向軸、液力機(jī)械變速器、齒式聯(lián)軸器以及三缸柱塞泵等組成，然而動(dòng)力系統(tǒng)性能的好壞不僅僅是由組成部件來(lái)決定的，它主要是依靠各個(gè)部件之間的匹配程度是否合理來(lái)判斷的，其中最主要是指柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的匹配和二者組成的新動(dòng)力裝置與傳動(dòng)系數(shù)的匹配。下面就主要對(duì)所舉例中某型號(hào)雙機(jī)雙泵固井水泥車(chē)的固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的匹配做詳細(xì)分析。

1.2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性分析

①柴油機(jī)的功能主要就是為固井作業(yè)提供能力源，所以為了能夠?qū)崿F(xiàn)它的作用有效提高固井作業(yè)的能力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等特點(diǎn)，所以在選擇柴油機(jī)上，要選擇一臺(tái)性能能夠相適宜的柴油機(jī)；②要考慮柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性，在考慮速度之前還要做到能夠與液力變矩器進(jìn)行匹配，這里所提到的速度特性是指當(dāng)供油量一定時(shí)，柴油機(jī)的性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。當(dāng)油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)限定在標(biāo)定功率的循環(huán)供油量時(shí)測(cè)量的速度特性，就是外特性。外特性就表示柴油機(jī)可以達(dá)到的最高性能。當(dāng)油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或程序限定在小于標(biāo)定功率循環(huán)供油量時(shí)，所得的速度特性為部分速度特性。通俗點(diǎn)說(shuō)速度特性是柴油機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下可以輸出的功率，從反面說(shuō)不同型號(hào)的柴油機(jī)在拉相同的的貨物時(shí)，有的能跑80有的只能跑60，這就是由于速度特性不同造成的。以CAT3406六缸渦輪增壓柴油機(jī)為例，其發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Te隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速ne的增大先增后減，然而總體變化趨勢(shì)趨于平緩；功率Pe隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速ne的增加而增加，且在額定轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最大值；油耗量ge隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速ne的增大先減后增，然而總體上沒(méi)有發(fā)生過(guò)大變化。

1.3液力變矩器的特性分析

所謂液力變矩器的特性指的是，反映該裝置的一系列性能參數(shù)的變化規(guī)律，主要包括三種分別為包括內(nèi)特性、外特性、無(wú)因次特性。

1.3.1內(nèi)特性

內(nèi)特性概括了變矩器內(nèi)部液體流動(dòng)過(guò)程的所有參數(shù)，比如液體的流動(dòng)快慢、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)、入口沖擊角、出口偏離角、泵輪出口偏離修正系數(shù)、沖擊損失系數(shù)、通流損失系數(shù)、循環(huán)流量（及比流量）、軸面速度系數(shù)、雷諾數(shù)等，主要為葉柵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.3.2外特性

外特性變矩器泵輪力矩、渦輪力矩、效率與渦輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系，實(shí)際上是變矩器的輸出特性。是根據(jù)變矩器在一定工作條件下在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)出或理論計(jì)算出來(lái)的，稱(chēng)為試驗(yàn)外特性或預(yù)期外特性，其工作條件是變矩器的幾何參數(shù)（即某個(gè)確定的變矩器）、泵輪轉(zhuǎn)速、工作油的品種（即密度）和工作溫度一定。因此在外特性曲線表中均要注明工作條件。他的計(jì)算過(guò)程是可以通過(guò)對(duì)某具體的液力變矩器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到，因此，當(dāng)尺寸或者泵輪轉(zhuǎn)速二者中有任意一者發(fā)生改變時(shí)，即便是同一類(lèi)型的該裝置，也會(huì)呈現(xiàn)出完全不一樣的外特性曲線。因此，對(duì)該裝置的性能進(jìn)行分析時(shí)通常采用原始特性，而針對(duì)該裝置進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配計(jì)算時(shí)通常采用輸入特性。

1.3.3無(wú)因次特性

無(wú)因次特性是根據(jù)外特性轉(zhuǎn)換而來(lái)的，無(wú)因次通過(guò)相似理論來(lái)對(duì)外特性進(jìn)行無(wú)因次化所計(jì)算出的特性。①相似理論可以概括為，如果兩個(gè)變矩器滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似，則他們的無(wú)因次特性相同。②幾何相似應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)的循環(huán)圓幾何尺寸為同一比例——相似比，而葉片數(shù)和葉片傾斜角對(duì)應(yīng)相等；運(yùn)動(dòng)相似是在幾何相似且滿足速比相等的條件下，兩變矩器內(nèi)部的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)相似，即速度方向相同，大小為同一比例；動(dòng)力相似是在運(yùn)動(dòng)相似且滿足雷諾數(shù)相等的條件下，對(duì)應(yīng)空間點(diǎn)上的流體質(zhì)點(diǎn)所受同名力的多邊形相似，由此可導(dǎo)出兩變矩器具有相同的無(wú)因次特性。③對(duì)于無(wú)因次特性含義：a.對(duì)兩個(gè)循環(huán)圓直徑大小不等，但循環(huán)圓幾何相似（即一個(gè)是另一個(gè)的放大或縮小）的變矩器，只要滿足雷諾數(shù)相等的條件，那么，在同一速比下的各無(wú)因次參數(shù)對(duì)應(yīng)相等；b.對(duì)同一個(gè)變矩器（可視為相似比為 1），由不同工作條件下的外特性導(dǎo)出的無(wú)因次特性相同。因此說(shuō)，無(wú)因次特性是實(shí)物與模型或不同工作條件下的外特性之間的聯(lián)系。

1.4柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作的匹配分析

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作時(shí)是否能夠滿足最佳匹配位置要求的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是渦輪軸輸出功率PT值，當(dāng)輸出功率的PT達(dá)到最大值時(shí)屬于最合適的匹配位置。這里的PT值指的是渦輪軸轉(zhuǎn)速在nTmin～nTmax一定范圍之間變化時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作時(shí)的輸出功率，對(duì)于渦輪軸輸出功率達(dá)到最大的點(diǎn)是在輸入特性曲線中液力變矩器達(dá)到最高效率時(shí)與額定功率的交點(diǎn)處。然而變矩器達(dá)到最高效率時(shí)在輸入特性曲線并沒(méi)有通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)所對(duì)應(yīng)的額定功率點(diǎn)，由此可見(jiàn)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作的匹配位置有待進(jìn)一步優(yōu)化。

2　固井水泥車(chē)固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化

2.1優(yōu)化理論概述

固井水泥車(chē)固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化方法是指在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中為了能夠顯著提升以及保證設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，從若干設(shè)計(jì)方案中選取較為理想的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于工程中優(yōu)化設(shè)計(jì)的做法主要是將一般的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型問(wèn)題來(lái)計(jì)算，并且借助數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，依靠數(shù)學(xué)的特點(diǎn)來(lái)選擇更合理的優(yōu)化方法，編制相應(yīng)的計(jì)算程序，并進(jìn)行準(zhǔn)確求解，從而獲得最理想的設(shè)計(jì)方案。

2.2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配優(yōu)化

①裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)一方面可以驅(qū)動(dòng)液力變矩器為行走裝置提供動(dòng)力，另一方面驅(qū)動(dòng)液壓油泵為工作裝置提供了動(dòng)力；②利用匹配優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，可以優(yōu)化得到的變矩器循環(huán)圓有效直徑D=0.3819m，圓整后取D=0.380m。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和優(yōu)化之后的液力變矩器的共同工作輸入曲線詳見(jiàn)圖1。

圖1　

2.3油發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配原則

（1）在起步性能上，將液力變矩器在低速比上的負(fù)荷拋物線達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

（2）在使用效率上，在一定工作范圍內(nèi)充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，要求綜合式液力矩的復(fù)合拋物線達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率矩點(diǎn)。

（3）燃油經(jīng)濟(jì)性，將范圍定在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量最低附近。

3　結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，固井作業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在固井水泥車(chē)中處于的重要環(huán)節(jié)，所以固井作業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)得到很好地完善是我們現(xiàn)在需要研究的問(wèn)題，最根本的方法是立足于做好柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的匹配優(yōu)化工作，來(lái)提高固井水泥車(chē)的工作效率以及質(zhì)量，通過(guò)匹配的合理性，進(jìn)一步優(yōu)化固井作業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)。

［1］曹衛(wèi)華，郭 正.最優(yōu)化技術(shù)方法及MATLAB的實(shí)現(xiàn)［M］.北京；化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］王國(guó)彪.發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作點(diǎn)的優(yōu)化算法［J］.工程機(jī)械，1998（3）.

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2016-4-10

TE925.2

A

2095-2066（2016）12-0109-02