柴油機與液力變速箱在修井機設(shè)計中的匹配計算

畢小鈞，劉雁蜀，張茄新，周天明，于浩，張虎山

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柴油機與液力變速箱在修井機設(shè)計中的匹配計算

畢小鈞1,2,3，劉雁蜀1，張茄新2,3，周天明2,3，于浩2,3，張虎山2,3

（1.西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002；3.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002）

液力變速箱通過液力變矩器和減速箱增大輸出扭矩、降低轉(zhuǎn)速來匹配工程設(shè)備輸入特性要求?；谝毫ψ兯傧鋬?yōu)良的輸出性能，正確理解柴油機與液力變速箱的輸出和輸入特性，通過柴油機與液力變速箱的共同工作特性曲線，判斷其是否達到最優(yōu)工作特性，合理選擇液力變速箱和柴油機，使液力變速箱具有最大初始扭矩，可有效提高修井機的行駛性能和鉆修井作業(yè)性能。

液力變矩器；液力變速箱；柴油機；修井機；匹配分析

作為修井機設(shè)備的驅(qū)動原動機，柴油機存在扭矩范圍較小、轉(zhuǎn)速高等缺點，難以滿足作業(yè)過程中要求的大載荷及適應(yīng)外載荷頻繁變化的工況，且長期在低負荷工況運行會降低柴油機的效率[1]。當采用液力變速箱后可使車載修井機獲得較好的工作特性，液力變速箱中的主要部件液力變矩器對外載荷的急劇變化具有自適應(yīng)性，且可減少外載荷引起的振動和沖擊，使柴油機工作在高效工作區(qū)間獲得最大的功率利用率；通過液力變速箱的檔位調(diào)整可使修井機在滿足提升設(shè)備最大鉤載需求時達到柴油機滿功率時的提升速度，提高修井機的提升作業(yè)效率以改善其運行燃油經(jīng)濟性。液力變速箱、柴油機與修井機設(shè)備之間的匹配合理性對修井機的整體性能具有重要意義。

本文以康明斯ISL9.5柴油機和BY502H液力變速箱的匹配分析為例，闡述車載修井機設(shè)計中液力變速箱、柴油機、修井機提升設(shè)備的合理匹配方法，使修井機提升系統(tǒng)性能滿足要求，并對影響修井機整體性能的因素進行探討。

1 柴油機及液力變矩器輸出特性

1.1 柴油機的速度特性

柴油機的速度特性是指輸出扭矩、功率及燃料消耗g與其轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系[2]。為改善柴油機的超速和怠速不穩(wěn)定問題，通常車載修井機采用的是帶全程調(diào)速的柴油機。當柴油機油門最大時所得到的速度特性稱為柴油機的外特性，如圖1所示。

圖1 柴油機的外特性曲線

1.2 液力變矩器原始特性

液力變矩器的原始特性是指泵輪力矩系數(shù)λ、變矩比和效率與轉(zhuǎn)速比之間的關(guān)系。λ＝()、＝()、＝()分別表示變矩器的負載特性、變矩特性和經(jīng)濟特性。如圖2所示。

1.3 液力變矩器的輸入特性

液力變矩器輸入特性是指泵輪扭矩M與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，也稱負載特性，由扭矩方程M＝γλDn2決定[2]。當工作油粘度系數(shù)及變矩器泵輪直徑確定時，在某轉(zhuǎn)速比工況下，扭矩M隨轉(zhuǎn)速n的變化曲線是一條通過原點的二次拋物線，工況變化時它也隨著變化，由此可繪制出一簇表示液力變矩器輸入特性的拋物線。表1為液力變矩器的輸入特性參數(shù)。

圖2 液力變矩器的原始特性曲線

表1 液力變矩器輸入特性參數(shù)

1.4 液力變矩器與柴油機的共同工作曲線

將液力變矩器的輸入特性曲線和柴油機的輸出特性曲線分別以橫坐標為轉(zhuǎn)速縱坐標為扭矩繪制在同一個圖表中，稱之為它們的共同工作特性曲線圖。通常通過液力變矩器和柴油機的共同工作特性曲線來評價柴油機和液力變速箱的匹配是否合理，如圖3所示。

2 液力變矩器與柴油機的匹配分析

柴油機源動力輸出后首先是輸入液力變速箱中的液力變矩單元。柴油機與液力變速箱的動力匹配主要是和液力變矩器的輸入特性參數(shù)相匹配。柴油機與液力變矩器共同工作輸出特性是液力變矩器輸出軸上的扭矩M、功率N、柴油機耗油量G和比耗油量g及柴油機轉(zhuǎn)速n隨輸出軸（渦輪軸）轉(zhuǎn)速n變化的曲線。該輸出特性是根據(jù)柴油機與液力變矩器共同工作輸入特性計算得到的，是評價柴油機與液力變矩器匹配的重要特性[3]。柴油機的原始外特性曲線為柴油機原始的動力輸出，柴油機凈功率曲線為柴油機原始輸出功率去除冷卻水箱以及機械效率損耗后輸入液力變速箱的凈功率，去掉柴油機冷卻水箱功率和機械傳動損耗功率后，凈功率取柴油機原始輸出功率的75%～80%。

圖3 液力變矩器與柴油機的共同工作特性曲線

在柴油機與液力變矩器共同工作特性曲線上可得到液力變矩器的典型工況[3]（0、1、*、i、2、i等）在柴油機全油門時共同工作點（0、1、*、A、2、A等）及其對應(yīng)的共同工作轉(zhuǎn)速n、扭矩M。柴油機的凈功率曲線和液力變矩器的輸入特性曲線0相交的點為共同工作點起點。從共同工作起點之后液力變矩器才會有轉(zhuǎn)速輸出。因此柴油機與液力變矩器共同工作階段為與0交點后的輸出段。

液力變矩器與柴油機的匹配原則主要有：

（1）為了使變矩器具有最大的初始扭矩，液力變矩器零工況下的輸入特性曲線即0應(yīng)通過柴油機凈功率曲線的最高點；

（2）為了使變矩器在整機工作范圍內(nèi)充分利用柴油機的功率，應(yīng)使液力變矩器的最高效工況輸入特性曲線通過柴油機的額定功率點[4]；

（3）為了具有良好的燃油經(jīng)濟性液力變矩器與柴油機的共同工作范圍應(yīng)處在柴油機燃油消耗率最低點附近。

為增大修井機的扭矩，依據(jù)原則（1）（2）對液力變矩器和柴油機進行匹配分析。從圖3看出柴油機轉(zhuǎn)速達1500 r/min時和液力變矩器零工況下的輸入特性曲線即0相交，這意味柴油機在轉(zhuǎn)速高于共同工作點轉(zhuǎn)速1500 r/min之后液力變矩器會進入變矩工況工作。且在共同工作點時柴油機的輸出扭矩為最大扭矩，滿足匹配原則（1）。柴油機的最大功率輸出點為1900 r/min，由圖3看出柴油機的凈功率曲線與液力變矩器的最高效率特性曲線相交點在最大功率點附近，滿足匹配原則（2）。由此得出柴油機和液力變速箱的變矩器匹配是合理的。鉆井設(shè)備在整機工作范圍之內(nèi)即可以獲得最大啟動扭矩和可利用的柴油機最大功率。

3 修井設(shè)備與液力變速箱的傳動計算

車載式修井機作業(yè)設(shè)備驅(qū)動力均來自液力變速箱，液力變速箱輸出動力通過分動箱后經(jīng)過角箱、鏈條箱后驅(qū)動絞車滾筒進行提升作業(yè)，從絞車滾筒取動力后經(jīng)過鏈條箱及轉(zhuǎn)盤驅(qū)動箱后驅(qū)動轉(zhuǎn)盤進行旋轉(zhuǎn)作業(yè)。

根據(jù)液力變矩器和柴油機的共同工作特性曲線取得共同工作點轉(zhuǎn)速和柴油機輸入凈扭矩，柴油機凈功率及扭矩取按機械效率80%計算。由變矩器＝柴油機×、變矩器＝柴油機×計算得出液力變矩器輸入凈功率和扭矩，如表2所示。

液力變速箱的輸出動力是經(jīng)液力變矩器變矩后經(jīng)過變速箱內(nèi)的減速箱減速增扭后得到的。由變速箱＝柴油機×轉(zhuǎn)速比÷減速比、變速箱＝變矩器×變距比×減速比×變矩器計算得出液力變速箱各檔的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，如表3所示。

根據(jù)修井機提升系統(tǒng)最大鉤載要求設(shè)置角傳動箱和鏈條箱合理的傳動比后，由公式鉤載＝輸出扭矩×傳動×傳動×游吊×滾筒半徑×有效繩數(shù)、鉤載＝輸出轉(zhuǎn)速÷傳動×滾筒直徑×π游吊÷有效繩數(shù)計算得出液力變速箱各檔位下的提升系統(tǒng)鉤載和鉤速參數(shù)，如表4所示。

根據(jù)表4得到鉆機的提升系統(tǒng)曲線，如圖4所示。

表2 液力變矩器凈輸入功率和扭矩

表3 液力變速箱各檔輸出參數(shù)

4 結(jié)語

通過對柴油機和液力變速箱的輸出特性分析，繪制了柴油機和液力變矩器的共同工作特性曲線。并對修井機設(shè)計中柴油機和液力變矩器匹配應(yīng)遵循的原則進行了闡述。并對此次設(shè)計中的匹配結(jié)果進行了分析。給出了在修井機設(shè)計中柴油機和液力變速箱的匹配方法，并對提升系統(tǒng)鉤載和鉤速進行了計算并得出了修井機提升系統(tǒng)曲線。

通過合理的匹配原則使修井機提升設(shè)備得到最大初始扭矩和最高的功率利用率，從而使修井機設(shè)備的提升性能得到進一步優(yōu)化，提升了修井機的性能和效率。

表4 提升系統(tǒng)鉤載鉤速參數(shù)

圖4 提升系統(tǒng)特性曲線

[1]黃風清. 淺談柴油機與液力變矩器的匹配[J]. 柴油機設(shè)計與制造，2008，15（125）：28-30，39.

[2]鄭蘭霞. 柴油發(fā)動機與液力變矩器匹配研究[J]. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學院學報，2005，17（1）：38-40.

[3]張惠林，李武幸，等. 柴油機與液力變矩器的參數(shù)匹配計算軟件開發(fā)[J]. 石油礦場機械，2007，36（5）：54-57.

[4]梁艷紅，呂新民，劉雪艷. 發(fā)動機與液力變矩器匹配優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造，2009（6）：132-134.

Analysis on Diesel Engine with Hydraulic Transmission Matched for Work-over Rig

BI Xiaojun1,2,3，LIU Yanshu1，ZHANG Jiaxin2,3，ZHOU Tianming2,3，YU Hao2,3，ZHANG Hushan2,3

( 1.Mechanical Engineering College, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065,China; 2.National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center, Baoji 721002,China;3.Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd, Baoji 721002,China)

Through hydraulic torque converter and reducer, the hydraulic transmission increases output torque and reduces the rotation speed to match the input characteristics requirements of engineering equipments. Based on the excellent output performance of hydraulic transmission, the output and input characteristics were correctly understood. By the together working characteristics curves of diesel engine and hydraulic transmission, whether its reaching the optimum working characteristics was defined. Reasonable choice of hydraulic transmission and diesel engine could make the hydraulic transmission have the maximum initial torque, also could effectively improve the driving and operating performance for work-over rig.

hydraulic torque converter；hydraulic transmission；diesel engine；work-over rig；matching analysis

TE92

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.004

1006－0316 (2018) 03－0014－04

2017－09－18

畢小鈞（1983－），男，陜西寶雞人，碩士研究生，工程師，主要從事石油鉆井裝備研發(fā)工作。