注入頭馬達(dá)殼體高溫實(shí)驗(yàn)分析及液壓系統(tǒng)優(yōu)化

劉平國(guó)， 楊高， 段文益，胡志強(qiáng)， 康凱

（中石油江漢機(jī)械研究所有限公司，武漢430000）

0 引言

連續(xù)管技術(shù)以其高效、安全環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在油氣田得到廣泛應(yīng)用。注入頭是連續(xù)管作業(yè)機(jī)的核心部件，主要對(duì)連續(xù)管進(jìn)行起/下管，其驅(qū)動(dòng)及控制均由液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前連續(xù)管作業(yè)機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)注入頭驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)殼體溫度高的情況，超過(guò)液壓馬達(dá)正常使用溫度，為改善整機(jī)性能采用不同實(shí)驗(yàn)方案現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并得出最優(yōu)方案，使整機(jī)能更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性。

1 注入頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

閉式液壓系統(tǒng)為液壓泵輸出的油液直接進(jìn)入液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)的回油直接與液壓泵的吸油管連接，液壓油在整個(gè)封閉的系統(tǒng)管路中進(jìn)行循環(huán)[1]。閉式液壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)、液壓沖擊小、變量靈敏度高、功率損失小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械；但閉式液壓系統(tǒng)中由于油液基本都是在封閉回路內(nèi)循環(huán)，因此油液溫升較快，一般都需在回路中設(shè)置補(bǔ)油及沖洗進(jìn)行油液循環(huán)交換，使系統(tǒng)油液維持在合適的溫度范圍內(nèi)。

連續(xù)管作業(yè)機(jī)注入頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用閉式液壓系統(tǒng)，利用軸向柱塞泵與軸向柱塞馬達(dá)兩者都能通過(guò)調(diào)節(jié)變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行變量。當(dāng)泵處于最大排量、馬達(dá)處于最小排量時(shí)能獲得最大輸出速度，當(dāng)泵處于最大排量、馬達(dá)也處于最大排量時(shí)能獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩[2-3]。通過(guò)對(duì)泵進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)馬達(dá)速度變化，同時(shí)馬達(dá)通過(guò)自身排量調(diào)節(jié)也可實(shí)現(xiàn)速度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，注入頭驅(qū)動(dòng)閉式液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1中液壓泵7為力士樂(lè)A4VG系列，排量180 mL/r，液壓泵內(nèi)部的補(bǔ)油泵3一方面補(bǔ)充整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)泄的油液，另一方面為液壓泵內(nèi)部提供控制油液。壓力切斷閥10設(shè)定壓力低于高壓溢流閥8的開(kāi)啟壓力，系統(tǒng)壓力增加時(shí)首先達(dá)到壓力切斷閥10的開(kāi)啟壓力，從而使壓力切斷閥10進(jìn)行開(kāi)啟，只有當(dāng)負(fù)載變化較大，瞬間壓力達(dá)到高壓溢流閥8的開(kāi)啟壓力時(shí)，高壓溢流閥8才開(kāi)啟。這種壓力切斷閥10與高壓溢流閥8的順序開(kāi)啟使整個(gè)閉式液壓系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)達(dá)到最優(yōu)，按照此種方式，高壓溢流閥8只在負(fù)載變化較大時(shí)進(jìn)行短暫開(kāi)啟，對(duì)壓力進(jìn)行消峰使馬達(dá)發(fā)熱量最小，因此能很好地減少溢流閥大量發(fā)熱引起液壓油過(guò)熱問(wèn)題。液壓馬達(dá)為力士樂(lè)A6VM系列，馬達(dá)本體未配裝沖洗閥，在泵的主動(dòng)力A、B油口附近安裝沖洗閥4，將系統(tǒng)中的熱油置換出去，使整個(gè)閉式系統(tǒng)能維持正常的工作溫度[4-8]。

圖1 閉式液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析

注入頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原沖洗方案為在液壓泵主動(dòng)力A、B油口附近的管路上連接20 L/min的沖洗閥。目前出現(xiàn)的問(wèn)題為：注入頭在45 m/min以上速度進(jìn)行起/下管作業(yè)時(shí)，0.5 h內(nèi)2個(gè)注入頭液壓馬達(dá)殼體溫度很快超過(guò)90 ℃，而整機(jī)其余部分的溫度都在正常范圍之類，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)運(yùn)行一段時(shí)間后需停機(jī)，等待注入頭液壓馬達(dá)殼體溫度降到正常范圍內(nèi)再進(jìn)行作業(yè)。針對(duì)以上問(wèn)題制定不同實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)實(shí)物照片如圖2和圖3所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)物照片

圖3 流量計(jì)連接及數(shù)據(jù)顯示照片

2.1 試驗(yàn)方案1

注入頭端不另加沖洗閥，只將原來(lái)2個(gè)液壓馬達(dá)的泄油合并后回油箱改成單獨(dú)回油箱，觀察到液壓馬達(dá)的泄油量很小（如圖4），測(cè)量2個(gè)液壓馬達(dá)殼體溫度如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案2

注入頭本體增加一個(gè)流量為8 L/min的沖洗閥，分別從注入頭動(dòng)力管線2個(gè)高壓過(guò)濾器的出口取油到?jīng)_洗閥進(jìn)口，沖洗閥出口通過(guò)三通接頭分別接至2個(gè)液壓馬達(dá)的底部泄油口，2個(gè)液壓馬達(dá)的頂部泄油口仍單獨(dú)回油箱，測(cè)得2個(gè)液壓馬達(dá)殼體的溫度如表2所示。

圖4 注入頭不加沖洗閥時(shí)單個(gè)液壓馬達(dá)泄油量

表1 液壓馬達(dá)單獨(dú)回油箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 液壓馬達(dá)泄油單獨(dú)回油箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 實(shí)驗(yàn)方案3

注入頭端增加2個(gè)流量為8 L/min的沖洗閥分別對(duì)2個(gè)液壓馬達(dá)殼體進(jìn)行沖洗，仍然是從注入頭動(dòng)力管線的2個(gè)高壓過(guò)濾器出口取油至兩沖洗閥進(jìn)口，沖洗閥出口分別接液壓馬達(dá)底部泄油口，液壓馬達(dá)頂部泄油口仍單獨(dú)回油箱。在一個(gè)液壓馬達(dá)的泄油管上接壓力傳感器，另一個(gè)液壓馬達(dá)的泄油管上接流量計(jì)，測(cè)得具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 液壓馬達(dá)泄油單獨(dú)回油箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 實(shí)驗(yàn)方案4

沖洗閥按照實(shí)驗(yàn)方案2進(jìn)行連接，只是將兩液壓馬達(dá)頂部泄油口合并后回油箱。在空載情況下運(yùn)轉(zhuǎn)注入頭，為模擬夏天環(huán)境溫度較高的工況，先將散熱器風(fēng)扇關(guān)閉，并將滾筒溢流閥調(diào)到3 MPa使?jié)L筒泵溢流發(fā)熱，注入頭速度由1 m/min逐漸增加到45 m/min，待液壓油箱油溫達(dá)到47℃時(shí)將注入頭速度提高到50 m/min，并通過(guò)開(kāi)關(guān)散熱器風(fēng)扇將液壓油箱油溫控制在50 ℃左右，測(cè)得具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 空載工況模擬夏天溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.5 實(shí)驗(yàn)方案5

注入頭端增加1個(gè)20 L/min的沖洗閥，沖洗閥的具體連接方式為從注入頭動(dòng)力管線兩高壓過(guò)濾器出口取油，沖洗閥出口不對(duì)液壓馬達(dá)殼體進(jìn)行沖洗，直接與主系統(tǒng)回油合并，測(cè)得具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 沖洗閥出口直接回油實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.6 實(shí)驗(yàn)分析及系統(tǒng)優(yōu)化

通過(guò)以上5個(gè)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)比，實(shí)驗(yàn)方案1得出：馬達(dá)自身泄油量很小，注入頭端不安裝沖洗閥對(duì)馬達(dá)殼體進(jìn)行沖洗，高速起下管1400 m液壓馬達(dá)殼體溫度基本達(dá)到100℃。實(shí)驗(yàn)方案2得出：注入頭端增加1個(gè)流量為8 L/min的沖洗閥，對(duì)2個(gè)液壓馬達(dá)殼體分別進(jìn)行沖洗，高速起下管4000 m左右液壓馬達(dá)殼體溫度基本能穩(wěn)定在80 ℃以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)方案3得出：注入頭端用2個(gè)流量為8 L/min的沖洗閥分別對(duì)2個(gè)液壓馬達(dá)殼體進(jìn)行沖洗，雖然液壓馬達(dá)殼體溫度能很好地控制在正常范圍內(nèi)，但液壓馬達(dá)殼體泄油壓力超過(guò)0.2 MPa這一正常壓力值，對(duì)液壓馬達(dá)軸封的壽命影響很大。實(shí)驗(yàn)方案4得出：注入頭端用1個(gè)流量為8 L/min的沖洗閥對(duì)兩液壓馬達(dá)殼體分別進(jìn)行沖洗，在液壓油箱油溫為50 ℃左右的情況下也基本能將液壓馬達(dá)殼體溫度維持在90 ℃左右，但還是存在液壓馬達(dá)殼體泄油壓力超過(guò)正常值的情況。實(shí)驗(yàn)方案5得出：注入頭端用1個(gè)流量為20 L/min的沖洗閥，沖洗閥不對(duì)液壓馬達(dá)殼體進(jìn)行沖洗，而是直接將沖洗回油通過(guò)回油管線回油箱，既能很好地將液壓馬達(dá)殼體溫度控制在90 ℃以內(nèi)，又能使液壓馬達(dá)殼體壓力維持在正常范圍以內(nèi)。

基于以上實(shí)驗(yàn)對(duì)比，將注入頭驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)優(yōu)化為在注入頭端增加1個(gè)20 L/min的沖洗閥，且沖洗油液直接回液壓油箱，如圖5所示。目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況反饋效果良好，未出現(xiàn)高溫問(wèn)題。驗(yàn)證此次實(shí)驗(yàn)取得良好效果，使連續(xù)管作業(yè)機(jī)能安全可靠地進(jìn)行作業(yè)，有效地降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 優(yōu)化后閉式液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析后對(duì)注入頭驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，得出以下結(jié)論：

1）力士樂(lè)A6VM系列馬達(dá)容積效率較高，自身殼體泄油量較小，但對(duì)于連續(xù)管作業(yè)機(jī)液壓系統(tǒng)供油管線較長(zhǎng)的工況未能良好地進(jìn)行自身冷卻，容易使殼體溫度超過(guò)正常范圍。

2）增加沖洗閥對(duì)液壓馬達(dá)殼體進(jìn)行沖洗，能很好地控制液壓馬達(dá)殼體溫度，但容易導(dǎo)致液壓馬達(dá)殼體泄油壓力過(guò)高影響軸封壽命。

3）針對(duì)連續(xù)管作業(yè)機(jī)供油管線較長(zhǎng)的應(yīng)用工況，閉式液壓系統(tǒng)在液壓泵端及液壓馬達(dá)端分別安裝沖洗閥，對(duì)于維持整機(jī)液壓系統(tǒng)在合適的溫度范圍有較好作用。