毕小钧，刘雁蜀，张茄新，周天明，于浩，张虎山



柴油机与液力变速箱在修井机设计中的匹配计算

毕小钧1,2,3，刘雁蜀1，张茄新2,3，周天明2,3，于浩2,3，张虎山2,3

（1.西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002；3.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002）

液力变速箱通过液力变矩器和减速箱增大输出扭矩、降低转速来匹配工程设备输入特性要求。基于液力变速箱优良的输出性能，正确理解柴油机与液力变速箱的输出和输入特性，通过柴油机与液力变速箱的共同工作特性曲线，判断其是否达到最优工作特性，合理选择液力变速箱和柴油机，使液力变速箱具有最大初始扭矩，可有效提高修井机的行驶性能和钻修井作业性能。

液力变矩器；液力变速箱；柴油机；修井机；匹配分析

作为修井机设备的驱动原动机，柴油机存在扭矩范围较小、转速高等缺点，难以满足作业过程中要求的大载荷及适应外载荷频繁变化的工况，且长期在低负荷工况运行会降低柴油机的效率[1]。当采用液力变速箱后可使车载修井机获得较好的工作特性，液力变速箱中的主要部件液力变矩器对外载荷的急剧变化具有自适应性，且可减少外载荷引起的振动和冲击，使柴油机工作在高效工作区间获得最大的功率利用率；通过液力变速箱的档位调整可使修井机在满足提升设备最大钩载需求时达到柴油机满功率时的提升速度，提高修井机的提升作业效率以改善其运行燃油经济性。液力变速箱、柴油机与修井机设备之间的匹配合理性对修井机的整体性能具有重要意义。

本文以康明斯ISL9.5柴油机和BY502H液力变速箱的匹配分析为例，阐述车载修井机设计中液力变速箱、柴油机、修井机提升设备的合理匹配方法，使修井机提升系统性能满足要求，并对影响修井机整体性能的因素进行探讨。

1 柴油机及液力变矩器输出特性

1.1 柴油机的速度特性

柴油机的速度特性是指输出扭矩、功率及燃料消耗g与其转速之间的变化关系[2]。为改善柴油机的超速和怠速不稳定问题，通常车载修井机采用的是带全程调速的柴油机。当柴油机油门最大时所得到的速度特性称为柴油机的外特性，如图1所示。

图1 柴油机的外特性曲线

1.2 液力变矩器原始特性

液力变矩器的原始特性是指泵轮力矩系数λ、变矩比和效率与转速比之间的关系。λ＝()、＝()、＝()分别表示变矩器的负载特性、变矩特性和经济特性。如图2所示。

1.3 液力变矩器的输入特性

液力变矩器输入特性是指泵轮扭矩M与转速n之间的关系，也称负载特性，由扭矩方程M＝γλDn2决定[2]。当工作油粘度系数及变矩器泵轮直径确定时，在某转速比工况下，扭矩M随转速n的变化曲线是一条通过原点的二次抛物线，工况变化时它也随着变化，由此可绘制出一簇表示液力变矩器输入特性的抛物线。表1为液力变矩器的输入特性参数。

图2 液力变矩器的原始特性曲线

表1 液力变矩器输入特性参数

1.4 液力变矩器与柴油机的共同工作曲线

将液力变矩器的输入特性曲线和柴油机的输出特性曲线分别以横坐标为转速纵坐标为扭矩绘制在同一个图表中，称之为它们的共同工作特性曲线图。通常通过液力变矩器和柴油机的共同工作特性曲线来评价柴油机和液力变速箱的匹配是否合理，如图3所示。

2 液力变矩器与柴油机的匹配分析

柴油机源动力输出后首先是输入液力变速箱中的液力变矩单元。柴油机与液力变速箱的动力匹配主要是和液力变矩器的输入特性参数相匹配。柴油机与液力变矩器共同工作输出特性是液力变矩器输出轴上的扭矩M、功率N、柴油机耗油量G和比耗油量g及柴油机转速n随输出轴（涡轮轴）转速n变化的曲线。该输出特性是根据柴油机与液力变矩器共同工作输入特性计算得到的，是评价柴油机与液力变矩器匹配的重要特性[3]。柴油机的原始外特性曲线为柴油机原始的动力输出，柴油机净功率曲线为柴油机原始输出功率去除冷却水箱以及机械效率损耗后输入液力变速箱的净功率，去掉柴油机冷却水箱功率和机械传动损耗功率后，净功率取柴油机原始输出功率的75%～80%。

图3 液力变矩器与柴油机的共同工作特性曲线

在柴油机与液力变矩器共同工作特性曲线上可得到液力变矩器的典型工况[3]（0、1、*、i、2、i等）在柴油机全油门时共同工作点（0、1、*、A、2、A等）及其对应的共同工作转速n、扭矩M。柴油机的净功率曲线和液力变矩器的输入特性曲线0相交的点为共同工作点起点。从共同工作起点之后液力变矩器才会有转速输出。因此柴油机与液力变矩器共同工作阶段为与0交点后的输出段。

液力变矩器与柴油机的匹配原则主要有：

（1）为了使变矩器具有最大的初始扭矩，液力变矩器零工况下的输入特性曲线即0应通过柴油机净功率曲线的最高点；

（2）为了使变矩器在整机工作范围内充分利用柴油机的功率，应使液力变矩器的最高效工况输入特性曲线通过柴油机的额定功率点[4]；

（3）为了具有良好的燃油经济性液力变矩器与柴油机的共同工作范围应处在柴油机燃油消耗率最低点附近。

为增大修井机的扭矩，依据原则（1）（2）对液力变矩器和柴油机进行匹配分析。从图3看出柴油机转速达1500 r/min时和液力变矩器零工况下的输入特性曲线即0相交，这意味柴油机在转速高于共同工作点转速1500 r/min之后液力变矩器会进入变矩工况工作。且在共同工作点时柴油机的输出扭矩为最大扭矩，满足匹配原则（1）。柴油机的最大功率输出点为1900 r/min，由图3看出柴油机的净功率曲线与液力变矩器的最高效率特性曲线相交点在最大功率点附近，满足匹配原则（2）。由此得出柴油机和液力变速箱的变矩器匹配是合理的。钻井设备在整机工作范围之内即可以获得最大启动扭矩和可利用的柴油机最大功率。

3 修井设备与液力变速箱的传动计算

车载式修井机作业设备驱动力均来自液力变速箱，液力变速箱输出动力通过分动箱后经过角箱、链条箱后驱动绞车滚筒进行提升作业，从绞车滚筒取动力后经过链条箱及转盘驱动箱后驱动转盘进行旋转作业。

根据液力变矩器和柴油机的共同工作特性曲线取得共同工作点转速和柴油机输入净扭矩，柴油机净功率及扭矩取按机械效率80%计算。由变矩器＝柴油机×、变矩器＝柴油机×计算得出液力变矩器输入净功率和扭矩，如表2所示。

液力变速箱的输出动力是经液力变矩器变矩后经过变速箱内的减速箱减速增扭后得到的。由变速箱＝柴油机×转速比÷减速比、变速箱＝变矩器×变距比×减速比×变矩器计算得出液力变速箱各档的输出转速和扭矩，如表3所示。

根据修井机提升系统最大钩载要求设置角传动箱和链条箱合理的传动比后，由公式钩载＝输出扭矩×传动×传动×游吊×滚筒半径×有效绳数、钩载＝输出转速÷传动×滚筒直径×π游吊÷有效绳数计算得出液力变速箱各档位下的提升系统钩载和钩速参数，如表4所示。

根据表4得到钻机的提升系统曲线，如图4所示。

表2 液力变矩器净输入功率和扭矩

表3 液力变速箱各档输出参数

4 结语

通过对柴油机和液力变速箱的输出特性分析，绘制了柴油机和液力变矩器的共同工作特性曲线。并对修井机设计中柴油机和液力变矩器匹配应遵循的原则进行了阐述。并对此次设计中的匹配结果进行了分析。给出了在修井机设计中柴油机和液力变速箱的匹配方法，并对提升系统钩载和钩速进行了计算并得出了修井机提升系统曲线。

通过合理的匹配原则使修井机提升设备得到最大初始扭矩和最高的功率利用率，从而使修井机设备的提升性能得到进一步优化，提升了修井机的性能和效率。

表4 提升系统钩载钩速参数

图4 提升系统特性曲线

[1]黄风清. 浅谈柴油机与液力变矩器的匹配[J]. 柴油机设计与制造，2008，15（125）：28-30，39.

[2]郑兰霞. 柴油发动机与液力变矩器匹配研究[J]. 黄河水利职业技术学院学报，2005，17（1）：38-40.

[3]张惠林，李武幸，等. 柴油机与液力变矩器的参数匹配计算软件开发[J]. 石油矿场机械，2007，36（5）：54-57.

[4]梁艳红，吕新民，刘雪艳. 发动机与液力变矩器匹配优化[J].机械设计与制造，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

毕小钧（1983－），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，工程师，主要从事石油钻井装备研发工作。