液力轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)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(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

隨著近年來(lái)石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展和鉆采裝備性能要求的不斷提升，傳統(tǒng)石油鉆采機(jī)械——轉(zhuǎn)盤(pán)，也向著大功率、大轉(zhuǎn)矩方向迅速發(fā)展[1]。以某石油鉆采設(shè)備制造公司為例，目前研發(fā)的某型轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)臺(tái)通徑達(dá)60-1/2 in，齒輪副傳動(dòng)比為4.5385，轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為100 r/min，最大工作轉(zhuǎn)矩為78 230 N·m，試驗(yàn)功率為819.2 kW。根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)大綱要求，現(xiàn)需要一種大轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)盤(pán)的各項(xiàng)試驗(yàn)要求，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的完整性和計(jì)算的準(zhǔn)確性[2]。

目前常見(jiàn)的轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)方案多采取能量轉(zhuǎn)化法，試驗(yàn)設(shè)備由驅(qū)動(dòng)設(shè)備和加載設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)設(shè)備負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)產(chǎn)品并調(diào)整至所需的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，一般為電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)；加載設(shè)備實(shí)際上是一個(gè)負(fù)載，作用類似制動(dòng)器，以阻滯被試產(chǎn)品輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生加載轉(zhuǎn)矩[3]。

圖1 常見(jiàn)的轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)方案示意圖

此類試驗(yàn)方案實(shí)質(zhì)上都應(yīng)用了原動(dòng)機(jī)-從動(dòng)機(jī)-測(cè)功機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，只是測(cè)功機(jī)在試驗(yàn)功率、工作原理、對(duì)能量的轉(zhuǎn)換利用方面有所區(qū)別，如表1所示。

表1 常見(jiàn)轉(zhuǎn)矩加載方案對(duì)比

從理論角度分析，只要解決用功機(jī)能量的轉(zhuǎn)化問(wèn)題，所有大功率負(fù)載都能用來(lái)加載轉(zhuǎn)矩，這使以泥漿泵+調(diào)壓裝置加載（以下簡(jiǎn)稱：液力加載）轉(zhuǎn)矩的方案存在實(shí)現(xiàn)的可能。

1 液力轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)方案

為實(shí)現(xiàn)ZP605轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)矩加載連續(xù)試驗(yàn)要求，現(xiàn)以大功率交流變頻電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，經(jīng)減速器將動(dòng)力傳至轉(zhuǎn)盤(pán)水平方向的輸入軸，并保證轉(zhuǎn)盤(pán)的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)盤(pán)將水平方向傳動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)臺(tái)垂直方向的傳動(dòng)，再經(jīng)變速箱、聯(lián)軸器傳入泥漿泵輸入軸，驅(qū)動(dòng)泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)。為加載試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩，以泥漿作為能量載體（可用水代替），注入泥漿泵，經(jīng)泥漿泵活塞作用后變?yōu)閿y帶能量的高壓流體，經(jīng)調(diào)壓裝置調(diào)至低壓，攜帶的能量轉(zhuǎn)化為熱量后，回到水罐中自然冷卻，冷卻后的泥漿再次進(jìn)入泥漿泵，形成泥漿循環(huán)。加載原理如圖2所示。

圖2 液力轉(zhuǎn)矩加載方案原理圖

1.1 液力轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)方案的設(shè)備構(gòu)成

轉(zhuǎn)盤(pán)試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成如圖3所示。

圖3 液力轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成簡(jiǎn)圖

由于轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)方向垂直于地面（類似直角箱），方案中需要為轉(zhuǎn)臺(tái)下方的設(shè)備騰出空間，因而設(shè)計(jì)了二層臺(tái)架，上層布置電動(dòng)機(jī)、減速箱和試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤(pán)，下層為轉(zhuǎn)矩傳感器和直角變速箱，如圖4所示。

圖4 液力轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)設(shè)備圖

1.2 加載設(shè)備分析計(jì)算

1.2.1 泥漿泵

該方案的轉(zhuǎn)矩加載能力主要受負(fù)載設(shè)備性能限制，方案中選用某公司定型生產(chǎn)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(shù)如下：額定輸入功率為1193 kW；額定沖數(shù)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(guān)系如表2所示。

表2 F-1600鉆井泵缸徑、排量與壓力關(guān)系

泥漿泵的輸出功率計(jì)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(duì)較低，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。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(jì)加載設(shè)備機(jī)械損失，該工況下,泥漿泵實(shí)際最大輸出功率按式（1）計(jì)算可得

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

忽略機(jī)械損失，則轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)臺(tái)輸出功率等于泥漿泵輸出功率，均為1066 kW。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)矩T的計(jì)算公式為

式中：P為轉(zhuǎn)盤(pán)功率；n為轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速。

1.2.2 調(diào)壓裝置

調(diào)壓裝置通過(guò)調(diào)整泥漿泵排出的鉆井液壓力，也直接控制了加載轉(zhuǎn)矩的大小。水力學(xué)縮孔局部阻力公式[4]為

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

根據(jù)式（3）得噴嘴直徑計(jì)算公式為

但考慮到理論計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)存在差距，應(yīng)采用可調(diào)節(jié)的噴嘴結(jié)構(gòu)，方便試驗(yàn)中對(duì)加載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整。

1.2.3 泥漿罐

由于轉(zhuǎn)盤(pán)、變速器、泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，除了機(jī)械摩擦產(chǎn)生少量損耗以外，本身并不消耗能量，能量在這些設(shè)備中僅發(fā)生了“傳遞”。根據(jù)能量守恒定律，由試驗(yàn)裝置產(chǎn)生的能量傳至泥漿泵，產(chǎn)生的高能泥漿并經(jīng)過(guò)調(diào)壓裝置進(jìn)入泥漿罐的過(guò)程中，泥漿與管壁、泥漿與泥漿間發(fā)生劇烈摩擦，使泥漿攜帶的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，并被泥漿帶走。高溫泥漿流入泥漿罐內(nèi)自然冷卻，熱能傳給外界環(huán)境，待冷卻后再次流入泥漿泵，繼續(xù)參與能量傳遞和泥漿的循環(huán)。加載設(shè)備的能量轉(zhuǎn)化示意圖如圖5所示。

圖5 加載設(shè)備的能量轉(zhuǎn)化示意圖

2 液力加載的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析和計(jì)算

由于三缸泥漿泵排量是按一定規(guī)律變化的，這勢(shì)必會(huì)給轉(zhuǎn)矩加載帶來(lái)一定影響。假定加載中無(wú)機(jī)械損失，泥漿泵瞬時(shí)輸出功率N應(yīng)等于轉(zhuǎn)盤(pán)的瞬時(shí)加載功率P，將式（1）、式（3）分別代入式（2），得到轉(zhuǎn)盤(pán)的瞬時(shí)加載轉(zhuǎn)矩為

將直徑d0、泥漿重度γ、流量系數(shù)μ等常數(shù)用常數(shù)K表示，則瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩為

可見(jiàn)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)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(dòng)的曲線（如圖6），瞬時(shí)排量在平均排量的上下波動(dòng)分別為6.64%和18.42%[5]，瞬時(shí)加載轉(zhuǎn)矩受排量三次方影響，波動(dòng)將更為劇烈。但實(shí)際上，泥漿泵空氣包能有效緩解產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)的不利之處顯而易見(jiàn)：輕則使轉(zhuǎn)矩控制精度受到影響，重則會(huì)造成試驗(yàn)產(chǎn)品損壞。所以該液力轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)方案在實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)配置轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，避免損壞試驗(yàn)設(shè)備。

3 結(jié)論

1）經(jīng)過(guò)以上計(jì)算分析，以液力轉(zhuǎn)矩加載方案實(shí)現(xiàn)各種原動(dòng)機(jī)、從動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)理論上可行。由于該方案以石油鉆采行業(yè)通用設(shè)備實(shí)現(xiàn)了專用設(shè)備的功能，特別適合僅需要進(jìn)行一次定型試驗(yàn)的產(chǎn)品，試驗(yàn)完成后，各設(shè)備可轉(zhuǎn)作它用，試驗(yàn)投入小，節(jié)約效果顯著。

2）由于三缸單作用泥漿泵的排量不均，會(huì)造成轉(zhuǎn)矩加載波動(dòng)，對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生不利影響。該方案在具體實(shí)施中應(yīng)注意監(jiān)控加載轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)范圍，必要時(shí)采取緩解泥漿泵流量不均的手段，保證方案的實(shí)施。