兩種石油鉆機用液力變矩器試驗性能的分析

張衛(wèi)麗 馬保樹 李雪松

（中國石油集團濟柴動力總廠，濟南250063）

兩種石油鉆機用液力變矩器試驗性能的分析

張衛(wèi)麗 馬保樹 李雪松

（中國石油集團濟柴動力總廠，濟南250063）

通過對兩種液力變矩器進行性能試驗，將性能參數(shù)、試驗指標進行對比分析，驗證了新研制的增容型液力變矩器，在不增加工作腔直徑，僅改變泵輪、導輪葉片角度的情況下，整體性能較基本型液力變矩器有大幅提高，滿足了設(shè)計要求。

液力變矩器 驗對比 標分析

1 概述

液力變矩器是一種安裝在動力機與工作機（如柴油機與鉆井泵）之間，以礦物油為工作介質(zhì)、將動力機的功率傳遞給工作機的柔性傳動裝置。與傳統(tǒng)傳動裝置相比，具有減小甚至消除系統(tǒng)沖擊、避免超載時動力機熄火、隨外界負載變化自動調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩等優(yōu)點。

液力變矩器傳遞功率的能力與工作腔直徑的五次方成正比。欲提高液力變矩器的性能，一般通過加大工作腔直徑來實現(xiàn)。我們的基本型液力變矩器是一種帶充調(diào)閥，工作腔直徑為900毫米的離心渦輪變矩器。在基本型液力變矩器的基礎(chǔ)上，不增加工作腔直徑，通過更換泵輪、渦輪、導輪，研制生產(chǎn)了一種新的增容型液力變矩器。

液力變矩器的性能特性可以通過設(shè)計計算得到，但由于在實際工況中，液流狀態(tài)非常復雜，與理論設(shè)計計算結(jié)果有出入。為此，我們通過加載試驗來驗證新型液力變矩器的設(shè)計性能。

2 試驗分析

2.1 試驗臺設(shè)備組成

試驗臺設(shè)備由1 000kW交流調(diào)頻電機、輸入扭矩儀、輸入萬向軸、液力變矩器、輸出萬向軸、分動箱（1:1）、輸出扭矩儀、SL1900水利測功機等組成。見圖1。

圖1 試驗臺設(shè)備組成圖

2.2 試驗步驟

根據(jù)液力變矩器的具體使用工況，采用定轉(zhuǎn)速試驗方法，在輸入轉(zhuǎn)速為1000r/min時，對變矩器進行試驗。

充調(diào)閥全開，此時，輸出端空載，提高輸入轉(zhuǎn)速到選定值，待運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后正式試驗。將輸出端逐次加載，使輸出轉(zhuǎn)速遞減，逐次測量記錄各試驗參數(shù)，直到轉(zhuǎn)速比降到最低。試驗記錄的參數(shù)有泵輪轉(zhuǎn)速n1、渦輪轉(zhuǎn)速n2、泵輪轉(zhuǎn)矩M1、渦輪轉(zhuǎn)矩M2、液力變矩器入口壓力、油溫等。

2.3 試驗數(shù)據(jù)

2.3.1 作為對比的基本型液力變矩器

試驗記錄的基本型液力變矩器各參數(shù)如表1所示。

表1 基本型液力變矩器參數(shù)表

2.3.2 新設(shè)計的增容型液力變矩器

試驗記錄的增容型液力變矩器各參數(shù)如表2所示。

2.4 試驗數(shù)據(jù)處理

特性數(shù)據(jù)：轉(zhuǎn)速比i、變矩系數(shù)k、效率η和輸入扭矩系數(shù)λB，按下列各式進行計算：

式中，n1為輸入轉(zhuǎn)速，r/min；n2為輸出轉(zhuǎn)速，r/min；M1為輸入扭矩，kN·m；M2為輸出扭矩，kN·m；ρ為工作介質(zhì)密度，kg/m3；D為有效直徑，m。

表2 增容型液力變矩器參數(shù)表

2.4.1 基本型液力變矩器

基本型液力變矩器的特性數(shù)據(jù)計算如表3所示。

表3 基本型液力變矩器的特性數(shù)據(jù)表

2.4.2 新設(shè)計的增容型液力變矩器

增容型液力變矩器的特性數(shù)據(jù)計算如表4所示。

2.5 繪制特性曲線

原始特性曲線坐標圖中，橫坐標代表i，縱坐標代表k、η、λB。

表4 增容型液力變矩器的特性數(shù)據(jù)表

外特性曲線坐標圖中，橫坐標代表n2，縱坐標代表M1、M2、η。

2.5.1 基本型液力變矩器

基本型液力變矩器的外特性曲線及原始特性曲線如圖2、圖3所示。

圖2 基本型液力變矩器的外特性曲線圖

圖3 基本型液力變矩器的原始特性曲線圖

2.5.2 增容型液力變矩器

增容型液力變矩器外特性曲線及原始特性曲線如圖4、圖5所示。

3 性能試驗評價指標

通過性能試驗，我們得到了兩種變矩器的性能評價指標。

3.1 變矩性能

指液力變矩器在牽引工況時，改變由泵輪軸傳至渦輪軸的扭矩值的能力。由于我們的試驗臺不能測量靜扭矩，無法計算啟動工況變矩比k0，因此，采用偶合器工況點（k=1時）的轉(zhuǎn)速比iM作為評價指標。

圖4 增容型液力變矩器的外特性曲線圖

圖5 增容型液力變矩器的原始特性曲線圖

①基本型液力變矩器在試驗確定輸入轉(zhuǎn)速，變矩系數(shù)k=1時，轉(zhuǎn)速比約為0.62。

②增容型液力變矩器在試驗確定輸入轉(zhuǎn)速，變矩系數(shù)k=1時，轉(zhuǎn)速比約為0.70。

3.2 效率特性

（1）基本型液力變矩器最高效率為0.75。

（2）增容型液力變矩器最高效率達到0.93以上，高效區(qū)效率曲線較平直，高效范圍較寬。

3.3 負荷特性

指液力變矩器傳遞動力裝置負荷及液力變矩器反加于動力裝置負荷的能力。常從能容性能和透穿性兩方面進行評價。

（1）能容性能：指液力變矩器吸收動力裝置能量的能力，用最大效率工況時的泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)來評價。

①基本型液力變矩器在最大效率工況時，泵輪扭矩系數(shù)為0.532。

②增容型液力變矩器在最大效率工況時，泵輪扭矩系數(shù)為0.540。

（2）透穿性能：指液力變矩器渦輪軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速變化時，泵輪軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速變化的程度，即表示外界阻力矩變化時，動力機工況變化的程度，常用透穿系數(shù)п=λB0/λBM評價。由于我們的試驗臺不能測量靜扭矩，無法計算啟動工況（i=0）時的泵輪扭矩系數(shù)λB0，所以我們只做定性比較。

①基本型液力變矩器當渦輪負荷由911N·m增大到4 748N·m，i減小時，泵輪上負荷由2424N.m增大到2631N·m，正透穿性不明顯。

②增容型液力變矩器當渦輪負荷由2180N·m增大到5560N·m，i減小時，泵輪上負荷由2515N·m增大到2664N·m，正透穿性不明顯。

4 結(jié)論

通過對比性能試驗可以看出，新設(shè)計制造的增容型液力變矩器的變矩性能、效率特性、能容性能三個方面均好于基本型液力變矩器，驗證了設(shè)計計算性能指標，達到了設(shè)計要求。

[1]國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.Y/T5141-2002,石油鉆機用離心渦輪液力變矩器[S].

[2]朱經(jīng)昌.液力變矩器的設(shè)計與計算[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

Analysis of Test Performance of Two Types of Petroleum Drilling Machine with Hydraulic Torque Converter

ZHANG Weili, MA Baoshu, LI Xuesong
（CNPC Jichai Power Equipment Company，Jinan 250063）

B y the performance test of two types of fluid torque converter, the whole performance of new type have greatly improved and met the des ign requirements compare to the bas ic type, which, without increase working chamber diameter, onl y change the paddle angle of pump wheel an guide wheel.

fluid tor que converter, tes t comparison, index analysis