固井水泥车固井作业动力传动系统研究

郭　炯（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北　荆州　434000）



固井水泥车固井作业动力传动系统研究

郭炯（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北荆州434000）

固井水泥车是固井作业动力系统中很重要的组成部分。在系统中为了能够实现动力之间可以有效的传递通常借助液力机械变速器，在不同固井作业所要求流量以及压力有区别时通过档位变换来满足要求。所以本文主要对固井水泥车固井作业动力传动系统进行研究的，也讨论了固井水泥车固井作业动力传动系统的优化。

固井水泥车；优化；柴油发动机；液力变矩器

引言

随着油田深井、超深井开发工作量的增加，固井作业动力系统的优化成为了我们首要关注的问题。我们知道固井作业动力传动系统是固井水泥车必不可少的环节，所以在能够更好地满足不同固井作业要求的前提就是对固井作业动力系统的控制，对它进行合理的优化分配，来保障和提高整个固井作业的效率。本文主要是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，来具体分析固井水泥车的固井作业动力系统。

1　系统介绍

1.1系统概述

固井作业传动系统主要由发动机、离合器、万向轴、液力机械变速器、齿式联轴器以及三缸柱塞泵等组成，然而动力系统性能的好坏不仅仅是由组成部件来决定的，它主要是依靠各个部件之间的匹配程度是否合理来判断的，其中最主要是指柴油发动机与液力变矩器的匹配和二者组成的新动力装置与传动系数的匹配。下面就主要对所举例中某型号双机双泵固井水泥车的固井作业动力传动系统的柴油发动机与液力变矩器的匹配做详细分析。

1.2柴油发动机的速度特性分析

①柴油机的功能主要就是为固井作业提供能力源，所以为了能够实现它的作用有效提高固井作业的能力性、经济性、可靠性等特点，所以在选择柴油机上，要选择一台性能能够相适宜的柴油机；②要考虑柴油发动机的速度特性，在考虑速度之前还要做到能够与液力变矩器进行匹配，这里所提到的速度特性是指当供油量一定时，柴油机的性能指标随转速变化的关系。当油量调节机构限定在标定功率的循环供油量时测量的速度特性，就是外特性。外特性就表示柴油机可以达到的最高性能。当油量调节机构或程序限定在小于标定功率循环供油量时，所得的速度特性为部分速度特性。通俗点说速度特性是柴油机在一定转速下可以输出的功率，从反面说不同型号的柴油机在拉相同的的货物时，有的能跑80有的只能跑60，这就是由于速度特性不同造成的。以CAT3406六缸涡轮增压柴油机为例，其发动机转矩Te随着实际转速ne的增大先增后减，然而总体变化趋势趋于平缓；功率Pe随着实际转速ne的增加而增加，且在额定转速时达到最大值；油耗量ge随着实际转速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，主要包括三种分别为包括内特性、外特性、无因次特性。

1.3.1内特性

内特性概括了变矩器内部液体流动过程的所有参数，比如液体的流动快慢、速度场和压力场、入口冲击角、出口偏离角、泵轮出口偏离修正系数、冲击损失系数、通流损失系数、循环流量（及比流量）、轴面速度系数、雷诺数等，主要为叶栅系统的设计提供依据。

1.3.2外特性

外特性变矩器泵轮力矩、涡轮力矩、效率与涡轮转速的关系，实际上是变矩器的输出特性。是根据变矩器在一定工作条件下在试验台上测出或理论计算出来的，称为试验外特性或预期外特性，其工作条件是变矩器的几何参数（即某个确定的变矩器）、泵轮转速、工作油的品种（即密度）和工作温度一定。因此在外特性曲线表中均要注明工作条件。他的计算过程是可以通过对某具体的液力变矩器进行实验得到，因此，当尺寸或者泵轮转速二者中有任意一者发生改变时，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。

1.3.3无因次特性

无因次特性是根据外特性转换而来的，无因次通过相似理论来对外特性进行无因次化所计算出的特性。①相似理论可以概括为，如果两个变矩器满足几何相似、运动相似、动力相似，则他们的无因次特性相同。②几何相似应满足对应的循环圆几何尺寸为同一比例——相似比，而叶片数和叶片倾斜角对应相等；运动相似是在几何相似且满足速比相等的条件下，两变矩器内部的流动运动相似，即速度方向相同，大小为同一比例；动力相似是在运动相似且满足雷诺数相等的条件下，对应空间点上的流体质点所受同名力的多边形相似，由此可导出两变矩器具有相同的无因次特性。③对于无因次特性含义：a.对两个循环圆直径大小不等，但循环圆几何相似（即一个是另一个的放大或缩小）的变矩器，只要满足雷诺数相等的条件，那么，在同一速比下的各无因次参数对应相等；b.对同一个变矩器（可视为相似比为 1），由不同工作条件下的外特性导出的无因次特性相同。因此说，无因次特性是实物与模型或不同工作条件下的外特性之间的联系。

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是否能够满足最佳匹配位置要求的依据标准是涡轮轴输出功率PT值，当输出功率的PT达到最大值时属于最合适的匹配位置。这里的PT值指的是涡轮轴转速在nTmin～nTmax一定范围之间变化时，柴油发动机和液力变矩器共同工作时的输出功率，对于涡轮轴输出功率达到最大的点是在输入特性曲线中液力变矩器达到最高效率时与额定功率的交点处。然而变矩器达到最高效率时在输入特性曲线并没有通过发动机所对应的额定功率点，由此可见，柴油发动机和液力变矩器共同工作的匹配位置有待进一步优化。

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

固井水泥车固井作业动力传动系统的优化方法是指在对产品进行设计的过程中为了能够显著提升以及保证设计质量与效率，从若干设计方案中选取较为理想的设计方案。对于工程中优化设计的做法主要是将一般的问题转化为数学模型问题来计算，并且借助数学表达式对工程问题进行准确的描述，依靠数学的特点来选择更合理的优化方法，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

①装载机的发动机一方面可以驱动液力变矩器为行走装置提供动力，另一方面驱动液压油泵为工作装置提供了动力；②利用匹配优化数学模型进行优化，可以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。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。

图1　

2.3油发动机与液力变矩器匹配原则

（1）在起步性能上，将液力变矩器在低速比上的负荷抛物线达到发动机的最大转折点。

（2）在使用效率上，在一定工作范围内充分利用发动机的最大功率，要求综合式液力矩的复合抛物线达到发动机最大功率矩点。

（3）燃油经济性，将范围定在发动机燃油消耗量最低附近。

3　结束语

总的来说，固井作业动力传动系统在固井水泥车中处于的重要环节，所以固井作业传动系统得到很好地完善是我们现在需要研究的问题，最根本的方法是立足于做好柴油发动机与液力变矩器的匹配优化工作，来提高固井水泥车的工作效率以及质量，通过匹配的合理性，进一步优化固井作业传动系统。

［1］曹卫华，郭 正.最优化技术方法及MATLAB的实现［M］.北京；化学工业出版社，2005.

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2016-4-10

TE925.2

A

2095-2066（2016）12-0109-02