鉆井柴油機(jī)非正常運(yùn)轉(zhuǎn)預(yù)防裝置及應(yīng)用

馬洪鐘 周孟建 楊硯杭 趙 文 呂衛(wèi)軍

一、概述

2008年某鉆井隊在生產(chǎn)過程中，使用兩臺柴油機(jī)作為鉆井動力，其中一臺柴油機(jī)潤滑油泵突然發(fā)生故障，自帶的欠壓自動停車裝置起作用，柴油機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。但是因為該柴油機(jī)的本車離合器未脫開，聯(lián)動機(jī)組上的力矩反傳回來，致使柴油機(jī)在無潤滑油潤滑情況下繼續(xù)被驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)，造成柴油機(jī)零部件磨損加劇、拉缸。經(jīng)操作人員及時操作氣開關(guān)，使離合器脫開，才避免事故繼續(xù)加劇。這種柴油機(jī)在違章和潤滑油路出現(xiàn)意外故障的情況下，受外力驅(qū)動非正常運(yùn)轉(zhuǎn)的故障現(xiàn)象稱為“車帶車”。

“車帶車”現(xiàn)象不僅發(fā)生在正運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)組上，也可能發(fā)生在正維修的機(jī)組上?！败噹к嚒爆F(xiàn)象造成柴油機(jī)零部件磨損加劇、拉缸、燒瓦、抱軸等嚴(yán)重故障，甚至機(jī)器報廢，如果處理不及時還會危及人身安全。國產(chǎn)190系列和2000系列柴油機(jī)沒有針對載荷的監(jiān)控和報警系統(tǒng)，“車帶車”現(xiàn)象在鉆井生產(chǎn)現(xiàn)場無法避免。

二、柴油機(jī)車帶車故障現(xiàn)象分析

在采用皮帶傳動的機(jī)械鉆機(jī)中，每臺柴油機(jī)通過萬向軸、減速箱、氣胎離合器和聯(lián)動機(jī)進(jìn)行并車和傳遞功率。氣胎離合器以壓縮空氣為操縱動力源，由鋼圈和橡膠與纖維制成的空心氣胎通過螺栓連接在一起組成。氣胎內(nèi)緣裝有摩擦片，在0.5～1MPa壓縮空氣作用下，氣胎膨脹使摩擦片向內(nèi)收縮壓緊鋼制摩擦轂，由此產(chǎn)生摩擦力，傳遞扭矩（圖1）。

當(dāng)兩臺或兩臺以上柴油機(jī)組在并車運(yùn)行過程時，其工作原理（圖 2）是：控制氣（壓縮空氣）經(jīng)氣開關(guān)輸出給控制本車離合器的繼氣器，繼氣器在控制氣的作用下迅速動作，離合器主氣源經(jīng)繼氣器輸給本車離合器，使離合器掛合，傳遞扭矩。斷開時，操作氣開關(guān)使控制氣斷開，氣開關(guān)與繼氣器之間的余氣經(jīng)氣開關(guān)上的放氣孔排放掉；繼氣器在沒有控制氣的情況下，依靠彈簧的作用力切斷離合器主氣源，離合器以及氣管線內(nèi)的壓縮空氣，經(jīng)繼氣器放氣孔和離合器快速放氣閥排放，從而達(dá)到快速分離和掛合的作用。

在生產(chǎn)過程中，一般使用兩臺或兩臺以上柴油機(jī)并車運(yùn)行（圖3），若其中一臺柴油機(jī)的潤滑油壓力因故障突然下降超過極限值或喪失，本車的欠壓自動停車裝置將進(jìn)行保護(hù)停車，此時該柴油機(jī)應(yīng)處于停機(jī)狀態(tài)。但由于此時本車離合器仍在掛合狀態(tài)，其他仍在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)輸出力矩經(jīng)傳動機(jī)組、本車離合器傳輸?shù)焦收喜裼蜋C(jī)上，導(dǎo)致故障柴油機(jī)在缺少潤滑油的情況下被外力帶動運(yùn)轉(zhuǎn)，造成機(jī)件磨損加劇，燒瓦、抱軸，甚至造成機(jī)器報廢等嚴(yán)重故障。

另外，在鉆井作業(yè)現(xiàn)場為保證生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行，常有一邊生產(chǎn)一邊維修設(shè)備的現(xiàn)象。如果被修理的柴油機(jī)因誤操作掛合了本車離合器，其他在運(yùn)轉(zhuǎn)柴油機(jī)的力矩也必然經(jīng)聯(lián)動機(jī)組、本車離合器傳輸?shù)皆谛薜牟裼蜋C(jī)上，導(dǎo)致在修柴油機(jī)突然運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)生“車帶車”現(xiàn)象。突然運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)會直接危害到維修人員的人身安全，防范不及時將會造成機(jī)毀人亡等重大安全事故。

三、柴油機(jī)車帶車預(yù)防裝置設(shè)計

“車帶車”現(xiàn)象的根本原因是柴油機(jī)在違章操作和意外情況下，受外力驅(qū)動發(fā)生非正常運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。柴油機(jī)只要運(yùn)轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生機(jī)油壓力，如果把柴油機(jī)的機(jī)油壓力變化與本車離合器的控制相關(guān)聯(lián)，就能防止“車帶車”現(xiàn)象的發(fā)生。柴油機(jī)的機(jī)油壓力變化是液態(tài)信號，本車離合器的控制是氣態(tài)信號，關(guān)聯(lián)液態(tài)信號與氣態(tài)信號，即以柴油機(jī)的潤滑油壓力作為設(shè)計基本條件，以柴油機(jī)本車離合器的掛合、分離狀態(tài)為反映狀態(tài)。

目前可采取的方法有液—電—?dú)饪刂坪鸵骸獨(dú)饪刂?。液—電—?dú)饪刂?，控制精度高，可擴(kuò)展相應(yīng)的報警功能，但是鉆井隊施工是露天作業(yè)，沒有固定場所，搬家頻繁，經(jīng)常拆裝設(shè)備，使用液—電—?dú)饪刂疲o現(xiàn)場增加拆裝工作量，增加了安全用電的風(fēng)險，而且成本較高，環(huán)境因素故障率相對較高；液—?dú)饪刂?，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，組件易于安裝，安裝空間小，安裝一次就可永久性使用，不會增加鉆井隊設(shè)備搬遷時的工作量，其控制精度完全可以滿足現(xiàn)場需要。

油控閥是預(yù)防裝置中利用液態(tài)信號來控制氣態(tài)信號的元件。通過設(shè)計油控閥的動作來控制本車離合器的掛合分離，實現(xiàn)柴油機(jī)自動阻隔外來載荷力矩。如圖4所示，油控閥的下端通過油管線與柴油機(jī)潤滑油路相連，利用柴油機(jī)的壓力潤滑油進(jìn)入油腔內(nèi)實現(xiàn)通斷。當(dāng)油壓大于限定值時，活塞在油壓作用下，克服彈簧的彈力作用向上移動，同時通過活塞桿將閥門向上移動，使閥門上部氣室與下部氣室的壓縮空氣貫通。當(dāng)油壓小于或等于限定值時，閥門在調(diào)壓彈簧的作用力下向下移動，關(guān)閉閥門，阻斷壓縮空氣通路，保證后續(xù)氣控元件不能動作。

設(shè)計方案1 如圖5所示，在氣開關(guān)與控制本車離合器的繼氣器之間設(shè)置油控閥，油控閥的潤滑油管線與柴油機(jī)潤滑油路相連。正常情況下，掛合氣開關(guān)后，控制氣進(jìn)入油控閥，油控閥在正常機(jī)油壓力作用下保持在打開狀態(tài)，使壓縮空氣通過油控閥進(jìn)入繼氣器，驅(qū)動繼氣器動作，保證主氣源順利通過繼氣器，送往本車離合器的氣胎，使離合器掛合。

當(dāng)柴油機(jī)機(jī)油壓力故障或壓力喪失，油控閥由于沒有潤滑油壓力來源，閥門在彈簧的作用下關(guān)閉氣路，斷開通往繼氣器的控制氣，使主氣源不能到達(dá)本車離合器的氣胎，并保持分離狀態(tài)，柴油機(jī)不能受外力驅(qū)動發(fā)生非正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

設(shè)計方案2 如圖6所示，在壓縮空氣通往氣開關(guān)之前設(shè)置油控閥，油控閥的機(jī)油管線與柴油機(jī)潤滑油路相連。正常情況下，油控閥在正常潤滑油壓力作用下保持在打開狀態(tài)，使壓縮空氣進(jìn)入氣開關(guān)。操作氣開關(guān)，壓縮空氣進(jìn)入繼氣器，驅(qū)動繼氣器動作，并保證主氣源順利通過繼氣器，送往本車離合器的氣胎，使離合器掛合。

當(dāng)柴油機(jī)機(jī)油壓力故障或壓力喪失，油控閥由于沒有機(jī)油壓力來源，閥門在彈簧的作用下關(guān)閉氣路，斷開通往氣開關(guān)的控制氣，使主氣源不能到達(dá)本車離合器的氣胎，并保持分離狀態(tài)，柴油機(jī)不能受外力驅(qū)動發(fā)生非正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

以上兩種方案均能保證柴油機(jī)不受外力驅(qū)動發(fā)生非正常運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因為油控閥結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使方案1中的壓縮空氣流經(jīng)油控閥閥門處受到一定限制，改變了壓縮空氣流速，延長大約2～3s的時間，不能保證繼氣器動作與操作氣開關(guān)同步，改變了原工作方式，造成本車離合器掛合反映遲緩。分離時繼氣器的控制氣源由于油控閥的原因不能及時的放氣，造成繼氣器斷氣不及時，離合器放氣也緩慢，大約在3s左右。方案2中，柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的恒定油壓使油控閥始終保持在常開狀態(tài)，控制氣源在油控閥內(nèi)始終處于暢通狀態(tài)，保證了氣開關(guān)的輸入氣壓恒定。操作氣開關(guān)，壓縮空氣直接進(jìn)入繼氣器，再輸送到離合器，保證本車離合器在不到1s的時間內(nèi)迅速掛合。分?jǐn)鄷r繼氣器的控制氣能夠及時的從氣開關(guān)放氣孔排放掉，從而保證了繼氣器主氣源迅速斷開，實現(xiàn)了離合器在不到1s內(nèi)迅速分離，在防止柴油機(jī)車帶車現(xiàn)象的同時不影響正常操作。

四、應(yīng)用

1.油控閥動作值的設(shè)定

在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，潤滑油壓力是利用本車機(jī)油泵和被潤滑機(jī)件之間的間隙而產(chǎn)生的。如果機(jī)油壓力過高，將會造成油管刺漏和破壞密封，使?jié)櫥芙档?；如果潤滑油壓力過低，則摩擦表面得不到很好的潤滑，使機(jī)件早期損壞，以至于發(fā)生燒瓦、抱軸等嚴(yán)重故障。

190系列柴油機(jī)規(guī)定：柴油機(jī)啟動預(yù)供油壓不低于98kPa，正常運(yùn)行油壓490～784kPa，最高機(jī)油溫度不大于90℃，加載時最低油溫不小于45℃。190系列柴油機(jī)安裝有兩臺機(jī)油泵，每臺機(jī)油泵的出口油壓力是250kPa，若一臺潤滑油泵發(fā)生故障，潤滑油壓力將低于350kPa；2000系列柴油機(jī)安裝一臺機(jī)油泵，出口壓力是350kPa，若機(jī)油泵發(fā)生故障，則潤滑油壓力瞬間喪失?？紤]車帶車保護(hù)裝置的通用性，所以設(shè)定190系列和2000系列柴油機(jī)350kPa的潤滑油壓力為油控閥動作的臨界點(diǎn)。

2.機(jī)油壓力采集點(diǎn)的設(shè)定

柴油機(jī)工作時，通過潤滑油泵將油底殼中的潤滑油吸出，并以一定的壓力送到潤滑油泵支架內(nèi)部油腔內(nèi)，然后分成兩路：一路經(jīng)離心濾清器濾清后又流回油底殼內(nèi)；另一路則打開單向-調(diào)壓閥，經(jīng)機(jī)油冷卻器和機(jī)油濾清器送往主油道。由此可見，機(jī)油冷卻器是距離潤滑油壓力源最近的零部件，選擇機(jī)油冷卻器作為機(jī)油壓力采集點(diǎn)，既不影響其他部件的正常運(yùn)行和柴油機(jī)操作維護(hù)，也不影響美觀。而且當(dāng)柴油機(jī)機(jī)油壓力變化時，可以準(zhǔn)確及時地將變化信號傳遞給油控閥。

3.現(xiàn)場應(yīng)用

2010年3月，在渤海鉆探40555鉆井隊的雁60-28井作業(yè)現(xiàn)場對車帶車預(yù)防裝置設(shè)計方案1進(jìn)行了試驗。

當(dāng)柴油機(jī)潤滑油壓力升至500kPa時，油控閥開始動作，控制離合器的繼氣器動作，約3.5s后本車離合器掛合。手動釋放機(jī)油壓力至420kPa時，油控閥開始動作，控制離合器的繼氣器開始漏氣；繼續(xù)泄壓，當(dāng)潤滑油壓力降至330kPa時，油控閥完全關(guān)閉，離合器分離。

試驗證明：雖然330kPa的動作值小于設(shè)定值350kPa，但是能實現(xiàn)液體控制氣體，說明在不添加其他動力源的情況下選擇液—?dú)饪刂品桨缚尚?，油控閥關(guān)聯(lián)柴油機(jī)的潤滑油壓力變化與本車離合器的控制是可行的。

2010年8月，在渤海鉆探30602鉆井隊的ZP02-1V井現(xiàn)場更換了油控閥的調(diào)壓彈簧后按照方案1再進(jìn)行試驗。

當(dāng)柴油機(jī)機(jī)油壓力在350～400kPa時，操作氣開關(guān)，本車離合器被完全掛合需要約2.24s，完全分離本車離合器時間約1.08s。保持氣開關(guān)在供氣狀態(tài)，調(diào)整油控閥油腔潤滑油開啟壓力，當(dāng)機(jī)油壓力低于350kPa時，本車離合器完全分離需要約3.01s。

試驗證明：雖然柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下本車離合器的掛合速度有所提高，但是仍不能最大削減本車離合器的磨損。研究發(fā)現(xiàn)造成本車離合器掛合遲緩的原因是繼氣器控制管線供、斷氣緩慢。原因是油控閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓縮空氣要克服彈簧的壓力和柱塞與套筒的摩擦力才能導(dǎo)通，成為氣路上的阻力點(diǎn)，壓縮空氣經(jīng)過氣開關(guān)進(jìn)入油控閥后，在閥門處受阻，改變了壓縮空氣流速，造成繼氣器、離合器氣胎動作緩慢。

2011年5月在渤海鉆探40665鉆井隊的間29-2X井現(xiàn)場對車帶車預(yù)防裝置設(shè)計方案2進(jìn)行了試驗。

在壓縮空氣通往氣開關(guān)之前設(shè)置油控閥，柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，操作氣開關(guān)，本車離合器迅速掛合，掛合時間約0.8s。當(dāng)柴油機(jī)機(jī)油壓力臨界350kPa時，油控閥動作，自動阻斷通往氣開關(guān)的壓縮空氣，本車離合器能迅速完全分離，并保持分離狀態(tài)，保證柴油機(jī)不受到外力驅(qū)動發(fā)生非正常運(yùn)轉(zhuǎn)，有效防止車帶車和帶載荷停車現(xiàn)象。

五、結(jié)論

鉆井柴油機(jī)車帶車預(yù)防裝置以距離柴油機(jī)潤滑油壓力源最近的部件——機(jī)油冷卻器為裝置的潤滑油壓力采集點(diǎn),以油控閥反映柴油機(jī)機(jī)油壓力的變化,加以合適的管線連接，將柴油機(jī)的機(jī)油壓力變化與本車離合器的動作控制相關(guān)聯(lián)。在柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，該裝置能保持原有的柴油機(jī)本車離合器掛合、分離操作特性；能應(yīng)對柴油機(jī)潤滑油壓力突然發(fā)生的變化；能保證柴油機(jī)欠壓自動停車裝置的正常動作，保證柴油機(jī)的安全；能對生產(chǎn)提出預(yù)警，減少設(shè)備故障對生產(chǎn)造成的影響。

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