DQZJ-20Y液力傳動鑽機驅動特性分析

【論文摘要】DQZJ—20Y液力傳動鑽機採用液力機械變速箱，傳動柔和，適應外載荷變化的能力強，可實現無級變速變矩及反轉制動。現場試驗表明，鑽機功率利用率高，起升速度快；反轉制動特性減輕了帶剎車的載荷；變矩特性加強了處理事故的能力。通過液力變矩器驅動鑽井泵可同時保護原動機和工作機；在保持柴油機額定轉速的條件下，可實現泵壓的全過程式控制制。針對散熱裝置、倒擋離合器和過濾器等方面暴露的問題提出了改進意見。
大慶石油管理局鑽井三公司使用一種可鑽井深2000m的新型DQZJ—20Y液力傳動鑽機，鑽機的鑽台部分由河南柴油機廠、鐵道部大連內燃機研究所和寶雞石油機械廠研製的動力設備、傳動設備和鑽機系統組成。目前，通過試驗和使用，這種鑽機表現出了優良的性能，特別是在動力驅動特性方面較為突出，但也暴露出一些問題。筆者根據驅動方案和現場試驗結果，分析該型鑽機的驅動特性，並針對出現的問題提出改進意見。
驅動方案
我國目前在用中型鑽機（可鑽井深1500～2500m）多採用柴油機或交流電動機作為原動機，通過單獨的機械變速箱變速，分別驅動絞車和轉盤。鑽井泵則採用單獨的動力機直接驅動。DQZJ—20Y液力傳動鑽機將普通的機械變速箱改為集液力變矩器、液力偶合器及機械傳動於一體的液力機械變速箱，鑽井泵也通過液力變矩器驅動。鑽機的核心部件是液力變速箱，它類似於加拿大K—650鑽機和美國Wilson—65B鑽機上採用的阿里森傳動箱，其結構和工作原理如圖1所示。

　液力變速箱示意圖
1—啟動液力變矩器；2—離心泵；3、6—油泵；4—輸入軸；5—倒擋摩擦離合器；
7—散熱風扇；8—高速擋液力偶合器；9—輸出軸；10—中速擋液力偶合器液力變速箱設有3個液力擋和1個機械倒擋。各擋的動力傳遞路線如下。
Ⅰ擋：輸入軸→Z1→Z2→啟動液力變矩器→Z6→Z5→輸出軸；
Ⅱ擋：輸入軸→Z1→Z2→中速擋液力偶合器→Z6→Z5→輸出軸；
Ⅲ擋：輸入軸→Z1→Z3→高速擋液力偶合器→Z7→Z5→輸出軸；
倒擋：輸入軸→Z9→Z10→Z11→倒擋摩擦離合器→Z7→Z5→輸出軸。
驅動特性
1.Ⅰ擋和泵組的驅動特性
是Ⅰ擋和泵組的驅動特性，實際上是柴油機和液力變矩器的聯合工作輸出特性(渦輪軸力矩MW、泵輪軸力矩MB、變矩器效率η與渦輪軸轉速nw的關係)［1］。其優越性主要表現在3個方面：一是能根據外載荷的變化自動實現無級變速和變矩。Ⅰ擋主要用於起鑽，因而可以明顯地提高功率利用率，從而提高鑽機的起升工效。二是不論外載荷如何變化，柴油機始終在最佳工況點運行，這一點對載荷變化較大的機泵組來說表現得更為突出。三是變矩器的變矩能力使機組適應外載變化能力大大加強，解除事故和承載啟動的能力強。
　柴油機-變矩器聯合工作輸出特性2.Ⅱ擋和Ⅲ擋驅動特性
是Ⅱ擋和Ⅲ擋驅動特性，即柴油機和偶合器的聯合工作輸出特性(渦輪軸力矩MW、偶合器效率η與渦輪軸轉速nw的關係)［1］。其主要優越性是渦輪的轉速範圍比泵輪的擴大了很多。從理論上講，渦輪可在任意轉速下運轉，甚至可以停轉，泵輪轉速則取決於柴油機的允許轉速範圍。但這種轉速範圍的擴大以功率損失為代價，因此為保證較高的傳動效率，一般不宜將偶合器作為調速裝置使用。
　柴油機-偶合器聯合工作輸出特性3.鑽機的提升特性
根據柴油機-變矩器和柴油機-偶合器的聯合工作特性曲線，以及鑽機的具體性能參數，可以得到DQZJ—20Y液力傳動鑽機的提升特性(如圖4所示)。整個提升曲線為ABCDEF。理論上，Ⅰ擋、Ⅱ擋和Ⅲ擋的工作範圍分別為EF段、CDE段和ABC段。實際上，為了保證偶合器有較高的工作效率，最好讓Ⅰ擋工作在D′EF段，Ⅱ擋工作在B′CD段，Ⅲ擋工作在AB段。
　鑽機提升特性4.變矩器的反轉制動特性
在下鑽和下套管過程中，鑽機掛合液力Ⅰ擋，此時變矩器處於反轉制動工況，柴油機帶動泵輪正轉，鑽具或套管柱帶動渦輪反轉。變矩器內的液體作用於渦輪的力矩方向與渦輪轉向相反，這種力矩起阻止渦輪反轉的作用［1］。這樣利用變矩器的反轉制動特性就起到了等同於鑽機輔助剎車（如水剎車）的作用，減小了帶剎車的載荷。反轉制動力的大小與充油量成正比，通過控制進入Ⅰ擋變矩器的充油量，可以控制制動力的大小。適當提高柴油機的轉速，使泵輪的轉速提高，也可使反轉制動力增大。再輔以帶剎車，即可根據鉤載的大小，隨意調節制動力的大小，從而獲得滿意的下放速度。