柴油機與液力變速箱在修井機設計中的匹配計算

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、降低轉速來匹配工程設備輸入特性要求。基于液力變速箱優良的輸出性能，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

作為修井機設備的驅動原動機，柴油機存在扭矩范圍較小、轉速高等缺點，難以滿足作業過程中要求的大載荷及適應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間獲得最大的功率利用率；通過液力變速箱的檔位調整可使修井機在滿足提升設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效率以改善其運行燃油經濟性。液力變速箱、柴油機與修井機設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，闡述車載修井機設計中液力變速箱、柴油機、修井機提升設備的合理匹配方法，使修井機提升系統性能滿足要求，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與其轉速之間的變化關系[2]。為改善柴油機的超速和怠速不穩定問題，通常車載修井機采用的是帶全程調速的柴油機。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λ、變矩比和效率與轉速比之間的關系。λ＝()、＝()、＝()分別表示變矩器的負載特性、變矩特性和經濟特性。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與轉速n之間的關系，也稱負載特性，由扭矩方程M＝γλDn2決定[2]。當工作油粘度系數及變矩器泵輪直徑確定時，在某轉速比工況下，扭矩M隨轉速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。

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

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及柴油機轉速n隨輸出軸（渦輪軸）轉速n變化的曲線。該輸出特性是根據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）及其對應的共同工作轉速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充分利用柴油機的功率，應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濟性液力變矩器與柴油機的共同工作范圍應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，這意味柴油機在轉速高于共同工作點轉速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。鉆井設備在整機工作范圍之內即可以獲得最大啟動扭矩和可利用的柴油機最大功率。

3 修井設備與液力變速箱的傳動計算

車載式修井機作業設備驅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過角箱、鏈條箱后驅動絞車滾筒進行提升作業，從絞車滾筒取動力后經過鏈條箱及轉盤驅動箱后驅動轉盤進行旋轉作業。

根據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液力變矩器變矩后經過變速箱內的減速箱減速增扭后得到的。由變速箱＝柴油機×轉速比÷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速和扭矩，如表3所示。

根據修井機提升系統最大鉤載要求設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、鉤載＝輸出轉速÷傳動×滾筒直徑×π游吊÷有效繩數計算得出液力變速箱各檔位下的提升系統鉤載和鉤速參數，如表4所示。

根據表4得到鉆機的提升系統曲線，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

4 結語

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。并對修井機設計中柴油機和液力變矩器匹配應遵循的原則進行了闡述。并對此次設計中的匹配結果進行了分析。給出了在修井機設計中柴油機和液力變速箱的匹配方法，并對提升系統鉤載和鉤速進行了計算并得出了修井機提升系統曲線。

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

表4 提升系統鉤載鉤速參數

圖4 提升系統特性曲線

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

[2]鄭蘭霞. 柴油發動機與液力變矩器匹配研究[J]. 黃河水利職業技術學院學報，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匹配計算軟件開發[J]. 石油礦場機械，2007，36（5）：54-57.

[4]梁艷紅，呂新民，劉雪艷. 發動機與液力變矩器匹配優化[J].機械設計與制造，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工作。