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DQZJ-20Y液力传动钻机驱动特性分析 |
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作者：大庆石油管理局 吕创军 胡文国 |
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【论文摘要】DQZJ—20Y液力传动钻机采用液力机械变速箱，传动柔和，适应外载荷变化的能力强，可实现无级变速变矩及反转制动。现场试验表明，钻机功率利用率高，起升速度快；反转制动特性减轻了带刹车的载荷；变矩特性加强了处理事故的能力。通过液力变矩器驱动钻井泵可同时保护原动机和工作机；在保持柴油机额定转速的条件下，可实现泵压的全过程控制。针对散热装置、倒挡离合器和过滤器等方面暴露的问题提出了改进意见。
大庆石油管理局钻井三公司使用一种可钻井深2000m的新型DQZJ—20Y液力传动钻机，钻机的钻台部分由河南柴油机厂、铁道部大连内燃机研究所和宝鸡石油机械厂研制的动力设备、传动设备和钻机系统组成。目前，通过试验和使用，这种钻机表现出了优良的性能，特别是在动力驱动特性方面较为突出，但也暴露出一些问题。笔者根据驱动方案和现场试验结果，分析该型钻机的驱动特性，并针对出现的问题提出改进意见。
驱动方案
我国目前在用中型钻机（可钻井深1500～2500m）多采用柴油机或交流电动机作为原动机，通过单独的机械变速箱变速，分别驱动绞车和转盘。钻井泵则采用单独的动力机直接驱动。DQZJ—20Y液力传动钻机将普通的机械变速箱改为集液力变矩器、液力偶合器及机械传动于一体的液力机械变速箱，钻井泵也通过液力变矩器驱动。钻机的核心部件是液力变速箱，它类似于加拿大K—650钻机和美国Wilson—65B钻机上采用的阿里森传动箱，其结构和工作原理如图1所示。
图1液力变速箱示意图
1—启动液力变矩器；2—离心泵；3、6—油泵；4—输入轴；5—倒挡摩擦离合器；
7—散热风扇；8—高速挡液力偶合器；9—输出轴；10—中速挡液力偶合器
液力变速箱设有3个液力挡和1个机械倒挡。各挡的动力传递路线如下。
Ⅰ挡：输入轴→Z1→Z2→启动液力变矩器→Z6→Z5→输出轴；
Ⅱ挡：输入轴→Z1→Z2→中速挡液力偶合器→Z6→Z5→输出轴；
Ⅲ挡：输入轴→Z1→Z3→高速挡液力偶合器→Z7→Z5→输出轴；
倒挡：输入轴→Z9→Z10→Z11→倒挡摩擦离合器→Z7→Z5→输出轴。
驱动特性
1.Ⅰ挡和泵组的驱动特性
图2所示是Ⅰ挡和泵组的驱动特性，实际上是柴油机和液力变矩器的联合工作输出特性(涡轮轴力矩MW、泵轮轴力矩MB、变矩器效率η与涡轮轴转速nw的关系)［1］。其优越性主要表现在3个方面：一是能根据外载荷的变化自动实现无级变速和变矩。Ⅰ挡主要用于起钻，因而可以明显地提高功率利用率，从而提高钻机的起升工效。二是不论外载荷如何变化，柴油机始终在最佳工况点运行，这一点对载荷变化较大的机泵组来说表现得更为突出。三是变矩器的变矩能力使机组适应外载变化能力大大加强，解除事故和承载启动的能力强。
图2柴油机-变矩器联合工作输出特性
2.Ⅱ挡和Ⅲ挡驱动特性
图3所示是Ⅱ挡和Ⅲ挡驱动特性，即柴油机和偶合器的联合工作输出特性(涡轮轴力矩MW、偶合器效率η与涡轮轴转速nw的关系)［1］。其主要优越性是涡轮的转速范围比泵轮的扩大了很多。从理论上讲，涡轮可在任意转速下运转，甚至可以停转，泵轮转速则取决于柴油机的允许转速范围。但这种转速范围的扩大以功率损失为代价，因此为保证较高的传动效率，一般不宜将偶合器作为调速装置使用。
图3柴油机-偶合器联合工作输出特性
3.钻机的提升特性
根据柴油机-变矩器和柴油机-偶合器的联合工作特性曲线，以及钻机的具体性能参数，可以得到DQZJ—20Y液力传动钻机的提升特性(如图4所示)。整个提升曲线为ABCDEF。理论上，Ⅰ挡、Ⅱ挡和Ⅲ挡的工作范围分别为EF段、CDE段和ABC段。实际上，为了保证偶合器有较高的工作效率，最好让Ⅰ挡工作在D′EF段，Ⅱ挡工作在B′CD段，Ⅲ挡工作在AB段。
图4钻机提升特性
4.变矩器的反转制动特性
在下钻和下套管过程中，钻机挂合液力Ⅰ挡，此时变矩器处于反转制动工况，柴油机带动泵轮正转，钻具或套管柱带动涡轮反转。变矩器内的液体作用于涡轮的力矩方向与涡轮转向相反，这种力矩起阻止涡轮反转的作用［1］。这样利用变矩器的反转制动特性就起到了等同于钻机辅助刹车（如水刹车）的作用，减小了带刹车的载荷。反转制动力的大小与充油量成正比，通过控制进入Ⅰ挡变矩器的充油量，可以控制制动力的大小。适当提高柴油机的转速，使泵轮的转速提高，也可使反转制动力增大。再辅以带刹车，即可根据钩载的大小，随意调节制动力的大小，从而获得满意的下放速度。
综上所述，液力传动钻机的3个正挡都以液力传动方式传递动力，能吸收并减小来自发动机和工作机的振动和冲击，使传动系统传动柔和，提高了柴油机、传动零部件以及工作机的使用寿命。
现场试验结果
1.液力传动钻机现场试验
试验井井深1950m。现场试验表明，DQZJ—20Y型液力传动钻机具有如下优点。
(1)起升Ⅰ挡的无级变速特性，将功率利用率提高到90%左右，保证较高的起升速度，比传统的机械传动钻机节省起升时间20%～30%。
(2)下钻时利用液力变矩器的反转制动特性，下钻均匀，且不用刹把就可实现全程速度控制，操作简单，减小了刹车毂和刹带摩擦块的磨损。
(3)由于变矩器有较大的变矩系数，在处理钻井事故时动力设备功率足，传动设备传动力矩大。
(4)甩掉猫头，强化井口机械化装置的使用，使操作安全性得到提高。
(5)变速和传动装置的噪音有一定程度的降低，且可以在运转过程中换挡，简化了换挡操作。
该型钻机在试验过程中也暴露出如下问题。
(1)使用Ⅰ挡变矩器传动时,液力传动箱的传动油温度上升较快，一般温升很快达到90°C，然后散热装置保持温度基本恒定。这说明变矩器的使用效率不高，有部分动能转化为热能。
(2)传动油的散热装置设计不合理，造成液力传动箱体积过于庞大，而且风扇及电动机不便于现场维修更换。
(3)机械式倒挡离合器不能满足处理井下事故或复杂的工艺要求，摩擦片极易变形而失效。
(4)传动油过滤器位置及过滤方式不太合理，尤其是离心泵和过滤器的现场拆装清洗十分困难。
(5)液力传动箱的正、倒挡之间存在运动的相互干扰问题，在正、倒挡之间缺乏互锁装置。
2.液力传动泵组试验
在整个钻井过程中对通过液力变矩器传动的机泵组进行了现场试验。钻井深度在718.36m之前柴油机转速一直稳定在1200r/min，泵的冲次约为106min-1，随着钻井深度增加，泵压从5MPa逐渐上升至12MPa。之后采取降低柴油机转速的方法，使泵压稳定在10～11MPa。在157h的连续运转中，除液力变矩器轴头发生漏油外，其它一切正常。试验表明，液力传动机泵组具有如下优点。
(1)可有效保护原动机。与泵及变矩器配套使用的12V190柴油机，在通过调节充油阀给其加载时，其载荷是缓慢均匀地增加的，避免了柴油机突然增加或减去很大载荷。据现场观察，在使用调压阀调节泵压时，柴油机的转速、声音及排烟情况均无明显的变化。这样可杜绝柴油机的“飞车”现象，延长柴油机的使用寿命。
(2)可有效保护工作机。经过变矩器输出的转速是从零开始逐步升高而达到工作需要的转速（泵压）的，避免了工作机钻井泵的转速突然增加到原动机的转速。
(3)省去了气胎离合器装置，提高了泵组工作的可靠性。气胎、摩擦片、摩擦毂和传动胶带是泵组工作的薄弱环节，容易发生故障和损坏，特别是冬季气路结冰常引起气囊烧坏事故，影响钻井生产的连续性。使用液力变矩器解决了这一问题。根据变矩器的传动特性，完全可以甩掉胶带轮而采用直接传动，也易实现自动化。
(4)在保持柴油机的额定转速条件下，可实现泵压的全过程控制，满足钻井工艺在各种复杂情况下的要求，在复杂区块将更能显示其优越性。
液力传动泵组在试验及现场使用过程中也暴露出如下问题。
(1)由于增加了液力变矩器，泵组的整体质量及传动过程中的能耗也相应增加。
(2)在现场条件较差时，泵、柴油机传动装置的安装和校正较为困难，影响钻机整拖时效。
(3)钻机尚未推广使用，配件供应较为紧张。
改进意见
(1)以反向变矩器或其它先进可靠的传动方式取代机械式倒挡离合器。
(2)用水冷方式代替目前的风冷方式，或采用传动箱本身的动力代替电动机作为动力的冷却方式(因为电动机的更换十分不便)，冷却系统最好采用自动控制，以保证可靠的冷却效果。
(3)将离心泵和过滤器分开，建议离心泵选用市场上的成型产品，以便现场维修和清洗过滤器。
(4)将YB—900液力变矩器积极推广到电动机直接驱动的泵组中，利用变矩器的变矩、调速特性，更好地满足钻井工艺要求。(end)
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(4/20/2005) |
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