马洪钟 周孟建 杨砚杭 赵 文 吕卫军

一、概述

2008年某钻井队在生产过程中，使用两台柴油机作为钻井动力，其中一台柴油机润滑油泵突然发生故障，自带的欠压自动停车装置起作用，柴油机停止运转。但是因为该柴油机的本车离合器未脱开，联动机组上的力矩反传回来，致使柴油机在无润滑油润滑情况下继续被驱动运转，造成柴油机零部件磨损加剧、拉缸。经操作人员及时操作气开关，使离合器脱开，才避免事故继续加剧。这种柴油机在违章和润滑油路出现意外故障的情况下，受外力驱动非正常运转的故障现象称为“车带车”。

“车带车”现象不仅发生在正运转的柴油机组上，也可能发生在正维修的机组上。“车带车”现象造成柴油机零部件磨损加剧、拉缸、烧瓦、抱轴等严重故障，甚至机器报废，如果处理不及时还会危及人身安全。国产190系列和2000系列柴油机没有针对载荷的监控和报警系统，“车带车”现象在钻井生产现场无法避免。

二、柴油机车带车故障现象分析

在采用皮带传动的机械钻机中，每台柴油机通过万向轴、减速箱、气胎离合器和联动机进行并车和传递功率。气胎离合器以压缩空气为操纵动力源，由钢圈和橡胶与纤维制成的空心气胎通过螺栓连接在一起组成。气胎内缘装有摩擦片，在0.5～1MPa压缩空气作用下，气胎膨胀使摩擦片向内收缩压紧钢制摩擦毂，由此产生摩擦力，传递扭矩（图1）。

当两台或两台以上柴油机组在并车运行过程时，其工作原理（图 2）是：控制气（压缩空气）经气开关输出给控制本车离合器的继气器，继气器在控制气的作用下迅速动作，离合器主气源经继气器输给本车离合器，使离合器挂合，传递扭矩。断开时，操作气开关使控制气断开，气开关与继气器之间的余气经气开关上的放气孔排放掉；继气器在没有控制气的情况下，依靠弹簧的作用力切断离合器主气源，离合器以及气管线内的压缩空气，经继气器放气孔和离合器快速放气阀排放，从而达到快速分离和挂合的作用。

在生产过程中，一般使用两台或两台以上柴油机并车运行（图3），若其中一台柴油机的润滑油压力因故障突然下降超过极限值或丧失，本车的欠压自动停车装置将进行保护停车，此时该柴油机应处于停机状态。但由于此时本车离合器仍在挂合状态，其他仍在继续运转的柴油机输出力矩经传动机组、本车离合器传输到故障柴油机上，导致故障柴油机在缺少润滑油的情况下被外力带动运转，造成机件磨损加剧，烧瓦、抱轴，甚至造成机器报废等严重故障。

另外，在钻井作业现场为保证生产继续进行，常有一边生产一边维修设备的现象。如果被修理的柴油机因误操作挂合了本车离合器，其他在运转柴油机的力矩也必然经联动机组、本车离合器传输到在修的柴油机上，导致在修柴油机突然运转，发生“车带车”现象。突然运转的柴油机会直接危害到维修人员的人身安全，防范不及时将会造成机毁人亡等重大安全事故。

三、柴油机车带车预防装置设计

“车带车”现象的根本原因是柴油机在违章操作和意外情况下，受外力驱动发生非正常运转的现象。柴油机只要运转就会产生机油压力，如果把柴油机的机油压力变化与本车离合器的控制相关联，就能防止“车带车”现象的发生。柴油机的机油压力变化是液态信号，本车离合器的控制是气态信号，关联液态信号与气态信号，即以柴油机的润滑油压力作为设计基本条件，以柴油机本车离合器的挂合、分离状态为反映状态。

目前可采取的方法有液—电—气控制和液—气控制。液—电—气控制，控制精度高，可扩展相应的报警功能，但是钻井队施工是露天作业，没有固定场所，搬家频繁，经常拆装设备，使用液—电—气控制，给现场增加拆装工作量，增加了安全用电的风险，而且成本较高，环境因素故障率相对较高；液—气控制，结构简单，成本低，组件易于安装，安装空间小，安装一次就可永久性使用，不会增加钻井队设备搬迁时的工作量，其控制精度完全可以满足现场需要。

油控阀是预防装置中利用液态信号来控制气态信号的元件。通过设计油控阀的动作来控制本车离合器的挂合分离，实现柴油机自动阻隔外来载荷力矩。如图4所示，油控阀的下端通过油管线与柴油机润滑油路相连，利用柴油机的压力润滑油进入油腔内实现通断。当油压大于限定值时，活塞在油压作用下，克服弹簧的弹力作用向上移动，同时通过活塞杆将阀门向上移动，使阀门上部气室与下部气室的压缩空气贯通。当油压小于或等于限定值时，阀门在调压弹簧的作用力下向下移动，关闭阀门，阻断压缩空气通路，保证后续气控元件不能动作。

设计方案1 如图5所示，在气开关与控制本车离合器的继气器之间设置油控阀，油控阀的润滑油管线与柴油机润滑油路相连。正常情况下，挂合气开关后，控制气进入油控阀，油控阀在正常机油压力作用下保持在打开状态，使压缩空气通过油控阀进入继气器，驱动继气器动作，保证主气源顺利通过继气器，送往本车离合器的气胎，使离合器挂合。

当柴油机机油压力故障或压力丧失，油控阀由于没有润滑油压力来源，阀门在弹簧的作用下关闭气路，断开通往继气器的控制气，使主气源不能到达本车离合器的气胎，并保持分离状态，柴油机不能受外力驱动发生非正常运转。

设计方案2 如图6所示，在压缩空气通往气开关之前设置油控阀，油控阀的机油管线与柴油机润滑油路相连。正常情况下，油控阀在正常润滑油压力作用下保持在打开状态，使压缩空气进入气开关。操作气开关，压缩空气进入继气器，驱动继气器动作，并保证主气源顺利通过继气器，送往本车离合器的气胎，使离合器挂合。

当柴油机机油压力故障或压力丧失，油控阀由于没有机油压力来源，阀门在弹簧的作用下关闭气路，断开通往气开关的控制气，使主气源不能到达本车离合器的气胎，并保持分离状态，柴油机不能受外力驱动发生非正常运转。

以上两种方案均能保证柴油机不受外力驱动发生非正常运转现象。因为油控阀结构较复杂，使方案1中的压缩空气流经油控阀阀门处受到一定限制，改变了压缩空气流速，延长大约2～3s的时间，不能保证继气器动作与操作气开关同步，改变了原工作方式，造成本车离合器挂合反映迟缓。分离时继气器的控制气源由于油控阀的原因不能及时的放气，造成继气器断气不及时，离合器放气也缓慢，大约在3s左右。方案2中，柴油机正常运转过程中产生的恒定油压使油控阀始终保持在常开状态，控制气源在油控阀内始终处于畅通状态，保证了气开关的输入气压恒定。操作气开关，压缩空气直接进入继气器，再输送到离合器，保证本车离合器在不到1s的时间内迅速挂合。分断时继气器的控制气能够及时的从气开关放气孔排放掉，从而保证了继气器主气源迅速断开，实现了离合器在不到1s内迅速分离，在防止柴油机车带车现象的同时不影响正常操作。

四、应用

1.油控阀动作值的设定

在柴油机运转过程中，润滑油压力是利用本车机油泵和被润滑机件之间的间隙而产生的。如果机油压力过高，将会造成油管刺漏和破坏密封，使润滑效能降低；如果润滑油压力过低，则摩擦表面得不到很好的润滑，使机件早期损坏，以至于发生烧瓦、抱轴等严重故障。

190系列柴油机规定：柴油机启动预供油压不低于98kPa，正常运行油压490～784kPa，最高机油温度不大于90℃，加载时最低油温不小于45℃。190系列柴油机安装有两台机油泵，每台机油泵的出口油压力是250kPa，若一台润滑油泵发生故障，润滑油压力将低于350kPa；2000系列柴油机安装一台机油泵，出口压力是350kPa，若机油泵发生故障，则润滑油压力瞬间丧失。考虑车带车保护装置的通用性，所以设定190系列和2000系列柴油机350kPa的润滑油压力为油控阀动作的临界点。

2.机油压力采集点的设定

柴油机工作时，通过润滑油泵将油底壳中的润滑油吸出，并以一定的压力送到润滑油泵支架内部油腔内，然后分成两路：一路经离心滤清器滤清后又流回油底壳内；另一路则打开单向-调压阀，经机油冷却器和机油滤清器送往主油道。由此可见，机油冷却器是距离润滑油压力源最近的零部件，选择机油冷却器作为机油压力采集点，既不影响其他部件的正常运行和柴油机操作维护，也不影响美观。而且当柴油机机油压力变化时，可以准确及时地将变化信号传递给油控阀。

3.现场应用

2010年3月，在渤海钻探40555钻井队的雁60-28井作业现场对车带车预防装置设计方案1进行了试验。

当柴油机润滑油压力升至500kPa时，油控阀开始动作，控制离合器的继气器动作，约3.5s后本车离合器挂合。手动释放机油压力至420kPa时，油控阀开始动作，控制离合器的继气器开始漏气；继续泄压，当润滑油压力降至330kPa时，油控阀完全关闭，离合器分离。

试验证明：虽然330kPa的动作值小于设定值350kPa，但是能实现液体控制气体，说明在不添加其他动力源的情况下选择液—气控制方案可行，油控阀关联柴油机的润滑油压力变化与本车离合器的控制是可行的。

2010年8月，在渤海钻探30602钻井队的ZP02-1V井现场更换了油控阀的调压弹簧后按照方案1再进行试验。

当柴油机机油压力在350～400kPa时，操作气开关，本车离合器被完全挂合需要约2.24s，完全分离本车离合器时间约1.08s。保持气开关在供气状态，调整油控阀油腔润滑油开启压力，当机油压力低于350kPa时，本车离合器完全分离需要约3.01s。

试验证明：虽然柴油机正常运转情况下本车离合器的挂合速度有所提高，但是仍不能最大削减本车离合器的磨损。研究发现造成本车离合器挂合迟缓的原因是继气器控制管线供、断气缓慢。原因是油控阀结构复杂，压缩空气要克服弹簧的压力和柱塞与套筒的摩擦力才能导通，成为气路上的阻力点，压缩空气经过气开关进入油控阀后，在阀门处受阻，改变了压缩空气流速，造成继气器、离合器气胎动作缓慢。

2011年5月在渤海钻探40665钻井队的间29-2X井现场对车带车预防装置设计方案2进行了试验。

在压缩空气通往气开关之前设置油控阀，柴油机正常运转时，操作气开关，本车离合器迅速挂合，挂合时间约0.8s。当柴油机机油压力临界350kPa时，油控阀动作，自动阻断通往气开关的压缩空气，本车离合器能迅速完全分离，并保持分离状态，保证柴油机不受到外力驱动发生非正常运转，有效防止车带车和带载荷停车现象。

五、结论

钻井柴油机车带车预防装置以距离柴油机润滑油压力源最近的部件——机油冷却器为装置的润滑油压力采集点,以油控阀反映柴油机机油压力的变化,加以合适的管线连接，将柴油机的机油压力变化与本车离合器的动作控制相关联。在柴油机正常运转过程中，该装置能保持原有的柴油机本车离合器挂合、分离操作特性；能应对柴油机润滑油压力突然发生的变化；能保证柴油机欠压自动停车装置的正常动作，保证柴油机的安全；能对生产提出预警，减少设备故障对生产造成的影响。

W13.04-25