液力轉矩加載試驗方案研究

張波 ，卞志楠 ，周華妮 ，金澤秦 ，葉銳 ,2，解艷維

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

隨著近年來石油勘探開發技術的發展和鉆采裝備性能要求的不斷提升，傳統石油鉆采機械——轉盤，也向著大功率、大轉矩方向迅速發展[1]。以某石油鉆采設備制造公司為例，目前研發的某型轉盤，轉臺通徑達60-1/2 in，齒輪副傳動比為4.5385，轉臺試驗轉速為100 r/min，最大工作轉矩為78 230 N·m，試驗功率為819.2 kW。根據產品試驗大綱要求，現需要一種大轉矩加載試驗方案，實現該轉盤的各項試驗要求，以驗證設計的完整性和計算的準確性[2]。

目前常見的轉矩加載試驗方案多采取能量轉化法，試驗設備由驅動設備和加載設備構成，如圖1所示。驅動設備負責驅動試驗產品并調整至所需的試驗轉速，一般為電動機或柴油機；加載設備實際上是一個負載，作用類似制動器，以阻滯被試產品輸出端的轉動來產生加載轉矩[3]。

圖1 常見的轉矩加載試驗方案示意圖

此類試驗方案實質上都應用了原動機-從動機-測功機的整體結構，只是測功機在試驗功率、工作原理、對能量的轉換利用方面有所區別，如表1所示。

表1 常見轉矩加載方案對比

從理論角度分析，只要解決用功機能量的轉化問題，所有大功率負載都能用來加載轉矩，這使以泥漿泵+調壓裝置加載（以下簡稱：液力加載）轉矩的方案存在實現的可能。

1 液力轉矩加載試驗方案

為實現ZP605轉盤的轉矩加載連續試驗要求，現以大功率交流變頻電動機作為原動機，經減速器將動力傳至轉盤水平方向的輸入軸，并保證轉盤的試驗轉速，轉盤將水平方向傳動變為轉臺垂直方向的傳動，再經變速箱、聯軸器傳入泥漿泵輸入軸，驅動泥漿泵運轉。為加載試驗轉矩，以泥漿作為能量載體（可用水代替），注入泥漿泵，經泥漿泵活塞作用后變為攜帶能量的高壓流體，經調壓裝置調至低壓，攜帶的能量轉化為熱量后，回到水罐中自然冷卻，冷卻后的泥漿再次進入泥漿泵，形成泥漿循環。加載原理如圖2所示。

圖2 液力轉矩加載方案原理圖

1.1 液力轉矩加載試驗方案的設備構成

轉盤試驗設備構成如圖3所示。

圖3 液力轉矩加載試驗設備構成簡圖

由于轉盤轉臺傳動方向垂直于地面（類似直角箱），方案中需要為轉臺下方的設備騰出空間，因而設計了二層臺架，上層布置電動機、減速箱和試驗轉盤，下層為轉矩傳感器和直角變速箱，如圖4所示。

圖4 液力轉矩加載試驗設備圖

1.2 加載設備分析計算

1.2.1 泥漿泵

該方案的轉矩加載能力主要受負載設備性能限制，方案中選用某公司定型生產的F-1600型泥漿泵，屬油田用三缸單作用活塞泵，主要性能參數如下：額定輸入功率為1193 kW；額定沖數為120沖/min；最大工作壓力為34.5 MPa；沖程為305 mm；最大缸徑為180 mm；齒輪速比為4.206。缸徑、排量、壓力關系如表2所示。

表2 F-1600鉆井泵缸徑、排量與壓力關系

泥漿泵的輸出功率計算公式為

式中：N為泵的輸出功率，kW；p泵為排出壓力；Q為泵排量。

選用較大直徑的缸套，使泥漿泵工作壓力相對較低，降低試驗風險。按表2選用φ170的缸套，取泵的額定工作壓力為25.9 MPa，若不計加載設備機械損失，該工況下,泥漿泵實際最大輸出功率按式（1）計算可得

N=25.9×10－6×41.16×10－3×10－3=1066 kW＞819.2 kW。

忽略機械損失，則轉盤轉臺輸出功率等于泥漿泵輸出功率，均為1066 kW。轉臺轉矩T的計算公式為

式中：P為轉盤功率；n為轉臺轉速。

1.2.2 調壓裝置

調壓裝置通過調整泥漿泵排出的鉆井液壓力，也直接控制了加載轉矩的大小。水力學縮孔局部阻力公式[4]為

式中：F為噴嘴截面積；d0為噴嘴計算直徑；γ為泥漿重度；μ為流量系數（其大小取決于噴嘴的結構型式）。

根據式（3）得噴嘴直徑計算公式為

但考慮到理論計算與實際試驗存在差距，應采用可調節的噴嘴結構，方便試驗中對加載轉矩進行調整。

1.2.3 泥漿罐

由于轉盤、變速器、泥漿泵運轉過程中，除了機械摩擦產生少量損耗以外，本身并不消耗能量，能量在這些設備中僅發生了“傳遞”。根據能量守恒定律，由試驗裝置產生的能量傳至泥漿泵，產生的高能泥漿并經過調壓裝置進入泥漿罐的過程中，泥漿與管壁、泥漿與泥漿間發生劇烈摩擦，使泥漿攜帶的機械能轉化為熱能，并被泥漿帶走。高溫泥漿流入泥漿罐內自然冷卻，熱能傳給外界環境，待冷卻后再次流入泥漿泵，繼續參與能量傳遞和泥漿的循環。加載設備的能量轉化示意圖如圖5所示。

圖5 加載設備的能量轉化示意圖

2 液力加載的轉矩波動分析和計算

由于三缸泥漿泵排量是按一定規律變化的，這勢必會給轉矩加載帶來一定影響。假定加載中無機械損失，泥漿泵瞬時輸出功率N應等于轉盤的瞬時加載功率P，將式（1）、式（3）分別代入式（2），得到轉盤的瞬時加載轉矩為

將直徑d0、泥漿重度γ、流量系數μ等常數用常數K表示，則瞬時轉矩為

可見，瞬時轉矩加載與泥漿泵排量的三次方成正比。未安裝空氣包的情況下，三缸活塞泵的排量是一條周期性波動的曲線（如圖6），瞬時排量在平均排量的上下波動分別為6.64%和18.42%[5]，瞬時加載轉矩受排量三次方影響，波動將更為劇烈。但實際上，泥漿泵空氣包能有效緩解產生的轉矩波動。

轉矩波動對轉矩加載試驗的不利之處顯而易見：輕則使轉矩控制精度受到影響，重則會造成試驗產品損壞。所以該液力轉矩加載試驗方案在實施過程中，應配置轉矩傳感器實時監控轉矩波動，避免損壞試驗設備。

3 結論

1）經過以上計算分析，以液力轉矩加載方案實現各種原動機、從動機的轉矩加載試驗理論上可行。由于該方案以石油鉆采行業通用設備實現了專用設備的功能，特別適合僅需要進行一次定型試驗的產品，試驗完成后，各設備可轉作它用，試驗投入小，節約效果顯著。

2）由于三缸單作用泥漿泵的排量不均，會造成轉矩加載波動，對試驗產生不利影響。該方案在具體實施中應注意監控加載轉矩的波動范圍，必要時采取緩解泥漿泵流量不均的手段，保證方案的實施。