兩種石油鉆機用液力變矩器試驗性能的分析

張衛麗 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、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、將動力機的功率傳遞給工作機的柔性傳動裝置。與傳統傳動裝置相比，具有減小甚至消除系統沖擊、避免超載時動力機熄火、隨外界負載變化自動調節輸出轉速和扭矩等優點。

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。我們的基本型液力變矩器是一種帶充調閥，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上，不增加工作腔直徑，通過更換泵輪、渦輪、導輪，研制生產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計計算得到，但由于在實際工況中，液流狀態非常復雜，與理論設計計算結果有出入。為此，我們通過加載試驗來驗證新型液力變矩器的設計性能。

2 試驗分析

2.1 試驗臺設備組成

試驗臺設備由1 000kW交流調頻電機、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 試驗臺設備組成圖

2.2 試驗步驟

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

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

2.3 試驗數據

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如表1所示。

表1 基本型液力變矩器參數表

2.3.2 新設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如表2所示。

2.4 試驗數據處理

特性數據：轉速比i、變矩系數k、效率η和輸入扭矩系數λB，按下列各式進行計算：

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

表2 增容型液力變矩器參數表

2.4.1 基本型液力變矩器

基本型液力變矩器的特性數據計算如表3所示。

表3 基本型液力變矩器的特性數據表

2.4.2 新設計的增容型液力變矩器

增容型液力變矩器的特性數據計算如表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據表

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速，變矩系數k=1時，轉速比約為0.62。

②增容型液力變矩器在試驗確定輸入轉速，變矩系數k=1時，轉速比約為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矩系數來評價。

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，泵輪扭矩系數為0.540。

（2）透穿性能：指液力變矩器渦輪軸上的扭矩和轉速變化時，泵輪軸上的扭矩和轉速變化的程度，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 結論

通過對比性能試驗可以看出，新設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，驗證了設計計算性能指標，達到了設計要求。

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

[2]朱經昌.液力變矩器的設計與計算[M].北京：國防工業出版社，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