關于固井水泥車固井作業動力傳動系統研究

黃富春

摘要：對于固井水泥車而言，固井作業動力傳動系統屬于不可或缺的組成部分，借助液力機械變速器以實現對動力的有效傳遞，并通過檔位變換以滿足不同固井作業所要求的流量以及壓力等要求。本文圍繞固井水泥車固井作業動力傳動系統進行研究，首先分析了該系統的柴油發動機的速度特性、液力變矩器的特性以及二者協同工作特性，其次討論了固井水泥車固井作業動力傳動系統的優化，以期為業內人士提供有益參考。

關鍵詞：固井水泥車；固井作業動力傳動系統；研究；優化

引言

固井作業動力傳動系統是固井水泥車的重要組成部分。對固井作業動力傳動系統進行合理的優化匹配能夠更好地滿足不同固井作業的相關要求，保障和提高整個固井作業的效率性、可靠性以及經濟性。

1.固井水泥車固井作業動力傳動系統

以某型號雙機雙泵固井水泥車的固井作業動力傳動系統為例進行介紹和討論[1]。

1.1系統概述

動力設備和固井泵之間的全部傳動部件被稱之為傳動系。某型號雙機雙泵固井水泥車的固井作業動力傳動系統主要包括：發動機、液力變矩器、自動變速箱、萬向軸、柱塞泵。

1.2柴油發動機的速度特性分析

柴油機為固井作業提供動力源，所以選配1臺適宜的柴油機，能夠顯著提升固井作業的動力性、經濟性以及可靠性。為液力變矩器匹配適宜的柴油發動機時，一般考慮柴油發動機的速度特性。所謂速度特性指的是，發動機轉矩Te、功率Pe以及比油耗量ge隨其實際轉速ne變化的規律[2]。以CAT3406六缸渦輪增壓柴油機為例，其Te隨著ne的增大先增后減，然而總體變化趨勢趨于平緩；Pe隨著ne的增加而增加，且在額定轉速時達到最大值；ge隨著ne的增大先減后增，然而總體上沒有發生過大變化。

1.3液力變矩器的特性分析

所謂液力變矩器的特性指的是，反映該裝置的一系列性能參數的變化規律，通常包括兩種，一是靜態特性，二是動態特性。對于液力變矩器而言，其外特性是通過對某具體的液力變矩器進行相應試驗得到的，因此，當尺寸以及泵輪轉速有所改變時，即便是同一類型的該裝置，也會呈現出完全不一樣的外特性曲線。因此，對該裝置的性能進行分析時通常采用原始特性，而針對該裝置進行發動機的匹配計算時通常采用輸入特性。該固井水泥車配備的ALLISON TC-496型液力變矩器的性能參數如下：1）轉速比i=0.00、變矩系數K=2.81、效率η=0.00、公稱轉矩Tbg=395.198N·m；2）轉速比i=0.50、變矩系數K=1.74、效率η=0.93、公稱轉矩Tbg=336.579N·m；3）轉速比i=1.00、變矩系數K=0.69、效率η=0.69、公稱轉矩Tbg=50.955N·m。該液力變矩器表現出一定的混合透穿性，高效率范圍寬，提示其具有理想的經濟性。

1.4柴油發動機和液力變矩器共同工作的匹配分析

柴油發動機和液力變矩器共同工作時，當后者渦輪軸輸出功率PT達到最大值時，二者滿足最佳匹配位置要求。PT指的是渦輪軸轉速在nTmin～nTmax之間變化時，二者共同工作時所對應的輸出功率。即液力變矩器達到最高效率工況時所對應的輸入特性曲線和柴油發動機所對應的額定功率點相交時，渦輪軸輸出功率將達到最大。實際情況是，變矩器達到最高效率工況時所對應的輸入特性曲線未能通過發動機所對應的額定功率點，由此可見，有必要對二者共同工作狀態下的匹配位置予以相應優化。

2.固井水泥車固井作業動力傳動系統的優化

2.1優化理論概述

所謂優化設計方法指的是，對產品進行設計時，從若干設計方案中優選出最為理想的設計方案，運用這一方法能夠明顯提升和保障設計質量以及設計效率。具體工程問題的優化設計的一般做法是，經由相應的精簡方法將該問題轉化成對應的數學模型，換而言之，借助數學表達式以實現對具體工程問題的準確描述，接下來立足于數學模型本身特點選擇理想的優化方法，編制相應的計算程序，并進行準確求解，從而獲得最理想的設計方案。

2.2柴油發動機與液力變矩器匹配優化

利用匹配優化數學模型進行優化，優化得到的變矩器循環圓有效直徑D=0.3819m，圓整后取D=0.380m[3]。柴油發動機和優化之后的液力變矩器的共同工作輸入曲線詳見圖1。由圖1可知：液力變矩器達到最高效率工況點時對應的輸入特性曲線相較原來發生了左移，從而實現了對固井泵壓力以及流量的更好利用，另外，也顯著強化了混漿系統的工作性能；失速工況點時對應的輸入特性曲線同樣發生了左移，如此一來，能夠大幅提升固井泵的工作壓力。三種匹配方案：1）有效直徑D=0.36187m、共同工作輸出功率P=201.21kW；2）有效直徑D=0.376m、共同工作輸出功率P=224.27kW；3）有效直徑D=0.3819m、共同工作輸出功率P=232.78kW。可知，方案3在發動機有效功率利用方面表現出一定的優勢。所以，建議變矩器循環圓有效直徑D取0.380m。

圖1 優化后共同工作輸入特性

3.結束語

總而言之，固井作業動力傳動系統是固井水泥車的重要組成部分，應對其進行深入研究，尤其要做好柴油發動機與液力變矩器的匹配優化工作，從而保障和提升固井水泥車的工作效率以及質量，為企業創造更大的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]楊秀花.基于CRUISE的整車動力傳動系統的優化匹配[D].重慶大學，2011.

[2]周海紅，黃穎，張敏，張俊峰.整車動力傳動系統優化匹配試驗[J].汽車實用技術，2012，05：58-60.

[3]周旭.礦用純電動輕型防爆膠輪車動力傳動系統參數匹配[J].礦山機械，2014，01：21-25.