关于固井水泥车固井作业动力传动系统研究

黄富春

摘要：对于固井水泥车而言，固井作业动力传动系统属于不可或缺的组成部分，借助液力机械变速器以实现对动力的有效传递，并通过档位变换以满足不同固井作业所要求的流量以及压力等要求。本文围绕固井水泥车固井作业动力传动系统进行研究，首先分析了该系统的柴油发动机的速度特性、液力变矩器的特性以及二者协同工作特性，其次讨论了固井水泥车固井作业动力传动系统的优化，以期为业内人士提供有益参考。

关键词：固井水泥车；固井作业动力传动系统；研究；优化

引言

固井作业动力传动系统是固井水泥车的重要组成部分。对固井作业动力传动系统进行合理的优化匹配能够更好地满足不同固井作业的相关要求，保障和提高整个固井作业的效率性、可靠性以及经济性。

1.固井水泥车固井作业动力传动系统

以某型号双机双泵固井水泥车的固井作业动力传动系统为例进行介绍和讨论[1]。

1.1系统概述

动力设备和固井泵之间的全部传动部件被称之为传动系。某型号双机双泵固井水泥车的固井作业动力传动系统主要包括：发动机、液力变矩器、自动变速箱、万向轴、柱塞泵。

1.2柴油发动机的速度特性分析

柴油机为固井作业提供动力源，所以选配1台适宜的柴油机，能够显著提升固井作业的动力性、经济性以及可靠性。为液力变矩器匹配适宜的柴油发动机时，一般考虑柴油发动机的速度特性。所谓速度特性指的是，发动机转矩Te、功率Pe以及比油耗量ge随其实际转速ne变化的规律[2]。以CAT3406六缸涡轮增压柴油机为例，其Te随着ne的增大先增后减，然而总体变化趋势趋于平缓；Pe随着ne的增加而增加，且在额定转速时达到最大值；ge随着ne的增大先减后增，然而总体上没有发生过大变化。

1.3液力变矩器的特性分析

所谓液力变矩器的特性指的是，反映该装置的一系列性能参数的变化规律，通常包括两种，一是静态特性，二是动态特性。对于液力变矩器而言，其外特性是通过对某具体的液力变矩器进行相应试验得到的，因此，当尺寸以及泵轮转速有所改变时，即便是同一类型的该装置，也会呈现出完全不一样的外特性曲线。因此，对该装置的性能进行分析时通常采用原始特性，而针对该装置进行发动机的匹配计算时通常采用输入特性。该固井水泥车配备的ALLISON TC-496型液力变矩器的性能参数如下：1）转速比i=0.00、变矩系数K=2.81、效率η=0.00、公称转矩Tbg=395.198N·m；2）转速比i=0.50、变矩系数K=1.74、效率η=0.93、公称转矩Tbg=336.579N·m；3）转速比i=1.00、变矩系数K=0.69、效率η=0.69、公称转矩Tbg=50.955N·m。该液力变矩器表现出一定的混合透穿性，高效率范围宽，提示其具有理想的經济性。

1.4柴油发动机和液力变矩器共同工作的匹配分析

柴油发动机和液力变矩器共同工作时，当后者涡轮轴输出功率PT达到最大值时，二者满足最佳匹配位置要求。PT指的是涡轮轴转速在nTmin～nTmax之间变化时，二者共同工作时所对应的输出功率。即液力变矩器达到最高效率工况时所对应的输入特性曲线和柴油发动机所对应的额定功率点相交时，涡轮轴输出功率将达到最大。实际情况是，变矩器达到最高效率工况时所对应的输入特性曲线未能通过发动机所对应的额定功率点，由此可见，有必要对二者共同工作状态下的匹配位置予以相应优化。

2.固井水泥车固井作业动力传动系统的优化

2.1优化理论概述

所谓优化设计方法指的是，对产品进行设计时，从若干设计方案中优选出最为理想的设计方案，运用这一方法能够明显提升和保障设计质量以及设计效率。具体工程问题的优化设计的一般做法是，经由相应的精简方法将该问题转化成对应的数学模型，换而言之，借助数学表达式以实现对具体工程问题的准确描述，接下来立足于数学模型本身特点选择理想的优化方法，编制相应的计算程序，并进行准确求解，从而获得最理想的设计方案。

2.2柴油发动机与液力变矩器匹配优化

利用匹配优化数学模型进行优化，优化得到的变矩器循环圆有效直径D=0.3819m，圆整后取D=0.380m[3]。柴油发动机和优化之后的液力变矩器的共同工作输入曲线详见图1。由图1可知：液力变矩器达到最高效率工况点时对应的输入特性曲线相较原来发生了左移，从而实现了对固井泵压力以及流量的更好利用，另外，也显著强化了混浆系统的工作性能；失速工况点时对应的输入特性曲线同样发生了左移，如此一来，能够大幅提升固井泵的工作压力。三种匹配方案：1）有效直径D=0.36187m、共同工作输出功率P=201.21kW；2）有效直径D=0.376m、共同工作输出功率P=224.27kW；3）有效直径D=0.3819m、共同工作输出功率P=232.78kW。可知，方案3在发动机有效功率利用方面表现出一定的优势。所以，建议变矩器循环圆有效直径D取0.380m。

图1 优化后共同工作输入特性

3.结束语

总而言之，固井作业动力传动系统是固井水泥车的重要组成部分，应对其进行深入研究，尤其要做好柴油发动机与液力变矩器的匹配优化工作，从而保障和提升固井水泥车的工作效率以及质量，为企业创造更大的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]杨秀花.基于CRUISE的整车动力传动系统的优化匹配[D].重庆大学，2011.

[2]周海红，黄颖，张敏，张俊峰.整车动力传动系统优化匹配试验[J].汽车实用技术，2012，05：58-60.

[3]周旭.矿用纯电动轻型防爆胶轮车动力传动系统参数匹配[J].矿山机械，2014，01：21-25.