變矩偶合器正車箱在石油鉆機上的應用

雷先革，付月永，張振明，徐遵宏，涂志威

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司，天津 300450）

0 引言

以ZJ50/3150LDB 鉆機為例，對選用什么形式的液力傳動裝置進行論述。目前，我國鏈條傳動石油鉆機采用3 種液力傳動裝置。

（1）YBLT900 變矩器[1]。由一個泵輪B、一個渦輪T 和一個導輪D 組成的單級渦輪變矩器，具有很大的變矩系數、較寬的高效范圍和使用可靠等優點，在鏈條傳動鉆機中獲得了廣泛的應用。但由于有如下缺點:一是傳動效率低，最高效率＜82%，在空負荷時效率為零的情況下，仍然從柴油機吸收很大的功率，而轉變成熱量消耗掉，為了降低空負荷功率損失，設計一套帶充油調節閥的氣控裝置，導致結構復雜。盡管如此，仍然無法使得在空負荷時燃油消耗率降至為零；二是在外在負荷突然變為零時，輸出轉速迅速提高，無法確保節能發電機轉速基本穩定，因此不考慮采用YBLT900 變矩器作為本鉆機的液力傳動裝置。

（2）YOZJ750 偶合器正車箱[2]。由一個泵輪B 和一個渦輪T以及兩級同軸式齒輪減速箱組成，應用在各型鏈條鉆機上，取得了顯著的節油效果。現場使用表明，帶有偶合器正車箱的鏈條鉆機，其燃油耗油量與皮帶鉆機基本相等。但隨之帶來如下問題:①提升效率低，操作不便；②絞車的提升能力有較大的下降；③提升空吊卡的速度有所下降；④絞車沖擊載荷增大；⑤在提升鉆具時，當滾筒離合器合上時，突然壓低柴油機轉速，使柴油機冒黑煙，燃油燃燒不完全，柴油機的使用可靠性和壽命降低。如果處理不當，甚至使柴油機熄火，鉆機瞬間停止工作。

（3）YBOZJ770 變矩偶合器正車箱[3]。是近年來研究成功的新型液力傳動裝置，并獲得國家專利（專利名稱:液力變矩器正車減速箱），在正常鉆進工況具有偶合器正車箱高效率的功能，可以大幅降低燃油消耗；在提升工況具有變矩器功能，大大提高鉆井功效，可以克服YBLT900 和YOZJ750 存在的缺點,取代第一種和第二種液力傳動裝置，在鏈條傳動鉆機上獲得了成功的應用，如圖1 所示。

YBOZJ770 變矩偶合器正車箱結構特征:由輸入部分的二相液力變矩偶合器和輸出部分的兩級同軸式齒輪減速器組成，變矩器的渦輪軸與兩級同軸式齒輪減速器的輸入軸為同一根軸。輸入部分的輸入軸與輸出部分的輸出軸位于同一軸心線，且兩者旋轉方向相同（即所謂“正車”功能），兩部分安裝在同一箱體內。

圖1 YBOZJ770 變矩偶合器正車箱結構和油路系統

就YBOZJ770 和YOZJ750 應用在鉆機ZJ50/3150LDB[4]上，并與AG12V190PZL 柴油機進行匹配，計算鉆進工況鉆井泵的最大排量和最大壓力及提升載荷F 和提升速度v，并繪制提升特性曲線，比較選擇最佳的液力傳動裝置。

1 配套的柴油機、鉆井泵和液力傳動裝置技術參數

1.1 柴油機技術參數（表1）

其中，**表示扣除柴油機的冷卻風扇、冷卻水泵和機油泵等輔助部件后的柴油機輸出的持續凈功率。

表1 AG12V190PZL 柴油機技術參數

1.2 鉆井泵技術參數（表2）

表2 蘭石F-1600 鉆井泵的技術參數[5]

1.3 兩種液力傳動裝置的特性曲線

通過專門的液力傳動試驗臺[6]，測定液力傳動元件（變矩偶合器、偶合器）的特性參數并繪制無因次特性曲線（圖2）。圖中:ib是轉速比（液力傳動元件渦輪轉速與泵輪轉速之比）；K 是變矩系數（液力傳動元件渦輪轉矩與泵輪轉矩之比；η 是液力傳動元件效率；ψ 是液力傳動元件（偶合器或變矩偶合器）能容系數。

圖2 YBOZJ770 和YOZJ750 無因次特性曲線

2 確定計算工況下液力元件的轉速比i

（1）液力傳動裝置的輸入轉矩（泵輪轉矩）[7]

式中 n1——液力傳動裝置的輸入轉速，r/min

D——變矩偶合器和偶合器的工作腔直徑，m

（2）計算工況下渦輪轉速與泵輪轉速之比i

由式（1）求得計算工況的能容系數ψ*。

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

ψ*770=1.09，ψ*750=1.244。再用ψ*770和ψ*750，從無因次特性曲線（圖2） 查得:YBOZJ770 在計算工況的轉速比i*770=0.94，YOZJ750 在計算工況的轉速比i*750=0.96。

3 確定液力傳動裝置的齒輪減速比ij

（1）減速比ij的計算關系式

式中 n1*——計算工況下，傳動裝置的輸入轉速，n1*=1400 r/min

q——鉆井泵最大缸套直徑（180 mm）時，每一沖的排量值，q=0.3878 L/沖

Smax——鉆井泵的最大沖次

i*——計算工況下，液力元件的轉速之比:i*770=0.94，i*750=0.96

則:

（2）鉆機最大排量Qmax

為了提高鉆井速度，在“一開”時，2 臺鉆井泵通常選擇直徑180 mm 缸套，在常用工況95 沖/min 時，由（4）式求得液力傳動裝置的齒輪減速比為:

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

鉆井泵的排量Qmax=2q·Smax=7307 L/沖。計算結果遠高于通常設計要求的60 L/s。

4 液力傳動裝置與柴油機的匹配計算

（1）YBOZJ770 和YOZJ750 與AG12V190PZL 的匹配計算

由式（1）可知，液力傳動裝置的輸入轉矩T1與輸入轉速n1的關系曲線是一條二次拋物線。對于YBOZJ770，將D=0.77 代入式（1）得:

根據式（5，6，7，8），用YBOZJ770 和YOZJ750 在不同轉速比i 及對應的ψ 值（表3），計算輸入轉矩T1與輸入轉速n1，分別做出二次拋物曲線，它與柴油機的外特性曲線的交點就是它們的聯合工作點。為了簡化計算，認定柴油機轉矩（即傳動裝置的輸入轉矩）與柴油機轉速的關系曲線是一條水平線（圖3）。由于YBOZJ770 和YOZJ750 的泵輪無因次力矩系數ψ 隨轉速比i 變化，所以在每個轉速比i 下均有一條二次拋物線和一個聯合工作點。

AB（水平線）/BC（垂線）是柴油機油門在轉速1400 r/min 時的轉矩與轉速的關系曲線；a/a 是YOZJ750 在最大能容系數=6.312 時的負載二次拋物線；b/b 是YBOZJ770 在最大能容系數=1.64 時的負載二次拋物線；c/c 是YBOZJ770 和YOZJ750 在計算工況時的負載二次拋物線。

由圖3 可知，采用YBOZJ770 時，在能容系數ψmax=1.64 時，n1=1142 r/min，大于柴油機最低穩定工作轉速n1min=900 r/min；采用YOZJ750 時，在能容系數ψmax=6.312 時，n1=621 r/min，遠小于柴油機最低穩定工作轉速n1min=900 r/min，此時導致柴油機熄火。

（2）泥漿泵的最高泵壓pbmax

表3 YBOZJ770 和YOZJ750 與AG12V190PZL 的聯合工作點（n1 和T1）

圖3 YBOZJ770 和YOZJ750 與柴油機聯合工作特性曲線

式中 K*——計算工況（偶合器工況）的變矩系數，K*=1

T1*——計算工況（偶合器工況）的輸入轉矩，T1*=6344 N·m

m——柴油機臺數

n——鉆井泵的臺數

三機雙泵時泵的壓力pbmax

對于YBOZJ770，pbmax=1.58×10-3T1*/q；對于YOZJ750，pbmax=1.61×10-3T1*/q。計算結果見表4。

由表5 可知，本鉆機采用2 臺鉆井泵，缸套直徑180 mm 時的最大排量值為73.7 L/s；3 臺柴油機的鉆井泵的最大壓力為28.1 MPa；當缸套直徑為130 mm 時的排量值為38.4 L/s,3 臺柴油機的鉆井泵的最大壓力為53.8 MPa。

5 大鉤提升速度v 和提升載荷[8]F 的計算

大鉤平均提升速度:

表4 泥漿泵的排量Qmax 和泵壓pbmax

式中 Z——有效繩數，Z=12

滾筒的平均纏繩直徑:

式中 n——纏繩層數，一般纏繩層數在1～2 之間，取n=2

dsh——鉆井繩直徑，dsh=35 mm

dtO——滾筒直徑，dto=685 mm

由式（11）得，對于YBOZJ770，v=1.71×10-3·i·n1/iD；對于YOZJ750，v=1.67×10-3·i·n1/iD只開一號柴油機時，大鉤平均提升載荷:

式中 E——游動系統效率，E=0.783

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

計算分別得到表5、表6，并結合圖4。

圖4 ZJ50/3150LDB 鉆機的提升特性曲線

表5 YBOZJ770 不同檔位大鉤平均提升速度v（m/s）與載荷F（kN）

表6 YOZJ750 不同檔位大鉤平均提升速度v（m/s）與載荷F（kN）

由圖4 可知，ZJ50/3150LDB 鉆機選用YBOZJ770 作為傳動裝置與選用YOZJ750 相比，具有更高的提升功效，將絞車變速箱掛在第Ⅱ檔（ID2=7.497）就能提起最大鉤載3150 kN。而后者絞車變速箱必須掛在第Ⅰ檔（iD1=14.098）才能提升最大鉤載3150 kN。

6 結論

（1）采用YOZJ750 在提升鉆具時，如果操作不當，將導致柴油機轉速壓低到621 r/min，遠小于柴油機最低穩定工作轉速n1=900 r/min，導致柴油機熄火；從提升特性曲線可知，如果采用YBOZJ770，在提升鉆具重量3150 kN，用Ⅱ擋即可實現，提升效率大大提高；如果采用YOZJ750，必須采用Ⅰ擋（iD1=14.098）才能提升最大載荷3150 kN。因此，本鉆機決定采用YBOZJ770變矩偶合器正車箱，其型號為YBOZJ770-21DDf[3]。

（2）為了最大限度滿足鉆井工況的需要，在“一開”（井段0～2000 m）鉆進時，2 臺鉆井泵的最大沖次Smax=95 沖/min，此時，柴油機的轉速n1=1400 r/min，YBOZJ770 的齒輪減速比為i*j-770=2.097，2 臺鉆井泵的最大排量為74 L/s，遠高于通常設計要求的60 L/s，能夠滿足現場使用要求。