CN102052442A - 液力变矩偶合器正车减速箱 - Google Patents
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Abstract
液力变矩偶合器正车减速箱，在机械传动石油钻机中，是柴油机与并车链条箱之间的传动装置；由输入部分的液力变矩偶合器和输出部分的两级同轴式齿轮减速器组成。输入部分是一个不带辅助腔的液力变矩偶合器，它与输出部分的两级同轴式齿轮减速器安装在同一箱体内，涡轮轴与两级同轴式齿轮减速器的输入轴为同一根轴，工作腔中的工作油与两级同轴式齿轮减速器中的润滑油采用同一油品，且共用一个带油泵和冷却器的油循环系统。这种传动装置具有传动效率高，可大幅降低燃油消耗；又具有变矩的功能，可大幅提高钻井功效；而且具有较小的透穿数，可改善柴油机的燃烧条件，提高其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及机械传动石油钻机中柴油机与并车链条箱之间的传动装置。
背景技术
1.在本发明所涉及的技术领域的背景技术
在机械传动石油钻机中，柴油机与并车链条箱之间的传动装置，迄今为止有以下两种型式：
第一.液力变矩器(见SY/T5141-2002标准)
它主要是由旋转的泵轮和涡轮及一个固定的导轮共三个叶轮组成的，此三个叶轮均为扭曲叶片。其主要性能特点是：具有变矩(即无级变速)功能，适合于各种(包括地质情况复杂，起下钻频繁，钻井深度超过5000米以上的)地区的钻井作业。其缺点是传动效率低，导致石油钻机的燃油消耗高。
第二.液力偶合器正车减速箱(见SY/T6664-2006标准)
它是由输入部分的液力偶合器和输出部分的两级同轴式齿轮减速器组成，两部分安装在同一箱体内。输入部分由直叶片的泵轮和直叶片的涡轮组成的两叶轮液力偶合器，其涡轮轴与输出部分的两级同轴式齿轮减速器的输入轴为一根轴，输出部分的中间轴位于输入轴的上方(或同一水平面内)，而输出轴与输入轴的轴心线位于同一中心线内。其优点是：传动效率高，可大幅降低石油钻机的燃油消耗，其缺陷和不足是：①.由于它不具备变矩(即无级变速)功能，不适合于在地质情况复杂，起下钻工况频繁，钻井深度超过5000米的地区的钻井作业；②.由于液力偶合器具有很大的透穿数，在石油钻机的起钻工况，当滚筒离合器突然合上时，钻具重量载荷通过绞车变速箱和并车链条箱，“透穿”液力偶合器施加到柴油机上，导致柴油机冒黑烟，甚至“熄火”，使得柴油机的燃烧条件恶化，降低其使用寿命。
2.在其它技术领域的背景技术
在已有文献(例如，《液力偶合器实用手册》化学工业出版社2008年12月)中，介绍了一种在煤矿输送、工程机械和轻型汽车等设备中使用的液力变矩偶合器，它是在无芯环的限矩型液力偶合器基础上改造而成，工作腔中为定量部分充油，充油率通常为72％～85％，其缺陷和不足是：①.必须在靠近泵轮的一侧设置辅助腔，当外界负荷增加时，涡轮(5)的转速降低，工作腔中的工作油进入辅助腔，才能获得较小的透穿数，但导致结构复杂且轴向尺寸增加；②.泵轮罩(3)和泵轮(6)的外壳必须裸露在外面旋转，依靠设置在外壳外面的筋板扰动空气形成的气流进行冷却，由于这种冷却方式的冷却效果差，无法满足在重负荷和外界环境温度大于40℃的条件下使用；③.在这些技术领域，液力变矩偶合器全部是以独立安装的带辅助腔的形式使用，为了解决其输出转速高而输出转矩小的问题，在其后面再设置一个齿轮减速器，两者通过联轴器联结起来；在工作腔中注入一定量的专用液力传动油，而齿轮减速器中注入专用的润滑油并设置带油泵的润滑油循环系统，以润滑齿轮、轴承等零部件。从而导致整个传动装置结构复杂，制造成本提高，使用可靠性下降。鉴于以上原因，现有的这种液力变矩偶合器目前尚无成功运用的范例。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明所属技术领域所涉及的现有技术——液力偶合器正车减速箱，相对于液力变矩器而言，虽然解决传动效率低的问题，但它不具备变矩功能，不适合于石油钻机在地质情况复杂、起下钻工况频繁、钻井深度超过5000米的地区进行作业；另外，它有很大的透穿数，在提升钻具工况，其重量载荷通过较车变速箱和并车链条箱，“透穿”液力偶合器施加到柴油机上，引起柴油机冒黑烟，甚至熄火，燃烧条件恶化，降低其使用寿命。本发明首先要解决的技术问题就是要获得一种新型液力变矩偶合器，它必须是具备结构紧凑，在额定工况像液力偶合器一样具有很高(96％～98％)的传动效率，而在低速工况像液力变矩器一样具有较大的输出转矩和较小的透穿数。它作为本发明的输入部分，替换现有技术(液力偶合器正车减速箱)中的输入部分的液力偶合器，组成本发明所述的液力变矩偶合器正车减速箱。但现有的液力变矩偶合器存在以下的问题和缺点，必须对其进行相应的技术改造：①.为了满足在重负荷和外界环境温度大于40℃的条件下使用，必须摒弃现有液力变矩偶合器依靠泵轮罩和泵轮外面的筋板扰动空气形成的气流进行冷却的方法，而改用冷却效率高的强制冷却方法，即设置一套工作油循环系统：一个专用的油泵，从油箱将工作油吸入并通过管路压入冷却器进行强制冷却，再压入液力变矩偶合器的工作腔，同时带走工作油在传递功率过程中所产生的热量，然后回到油箱。这一循环过程，使得冷却效果大大增加；而且大大减少了液力变矩偶合器的外型尺寸，整体降低了该传动装置的尺寸，使得结构更加紧凑。②.对于已有的液力变矩偶合器都是通过联轴器与其后面的减速箱实现联接，在前者的工作腔中注入定量的专用液力传动油，在后者的油箱中注入专用的润滑油并设置一个带油泵的润滑油循环系统，这不仅导致轴向尺寸特别大，而且结构复杂，使用可靠性降低。此技术方案对于轴向尺寸有严格要求的很多技术领域(尤其本发明所涉及的技术领域)是完全不可行的。必须取消前者的辅助腔及两者之间的联轴器，两者安放在同一箱体内，这样才能简化结构并缩短轴向尺寸；③.由于取消辅助腔以及工作腔中由部分定量充油改为充满油后，导致已有的液力变矩偶合器工作腔中原有的工作油流动状态的变化，但有了强制冷却系统，仍能确保“在额定工况具有很高的传动效率，而在低速工况具有较大涡轮转矩和较小的透穿数”的特性要求。
2.技术方案
本发明是一种液力变矩偶合器正车减速箱，在机械传动石油钻机中，是柴油机与并车链条箱之间的传动装置，采用的技术方案是：由输入部分的液力变矩偶合器和输出部分的两级同轴式齿轮减速器组成。输入部分的液力变矩偶合器是由一个直叶片的短泵轮(6)和一个直叶片的涡轮(5)及一个扭曲叶片的导轮(7)组成的，它不带辅助腔。液力变矩偶合器与两级同轴式齿轮减速器安装在同一箱体(15)内，液力变矩偶合器的涡轮轴(4)与两级同轴式齿轮减速器的输入轴(4)为同一根轴；液力变矩偶合器的工作腔中的工作油和两级同轴式齿轮减速器的润滑油采用同一油品且共用一个带油泵和冷却器的油循环系统，对工作油和润滑油采用强制冷却；输出部分的中间轴(11)位于输入轴(2)的上方，而输出轴(13)与输入轴(2)的轴心线位于同一中心线内。
3.有益效果
采用上述技术方案，使得本发明获得如下新的功能：
第一.本发明在额定工况的传动效率可达到93％～95％以上，与液力变矩器相比，传动效率提高了10％～15％，从而大幅降低石油钻机的燃油消耗。
第二.本发明适合在各种(包括地质情况复杂，起下钻频繁，钻井深度超过5000米的)地区的钻井作业。
第三.本发明与液力偶合器正车减速箱相比，具有较小的透穿数。在石油钻机的提升钻具工况，大幅降低钻具重量施加于柴油机的负荷，避免柴油机冒黑烟，甚至“熄火”，改善工作条件，提高使用寿命。
第四.本发明取消了辅助腔，且两部分的工作油和润滑油采用同一油品并共用一个带油泵和冷却器的强迫冷却油循环系统，不仅使轴向尺寸缩小，结构简化，使用可靠性提高，而且可以满足在重负荷和外界环境温度大于40℃的条件下使用。
附图说明
附图1表示了本发明所述的液力变矩偶合器正车减速箱的结构简图，图中：1.输入法兰 2.输入轴 3.泵轮罩 4.涡轮轴 5.涡轮 6.泵轮 7.导轮 8.第I级齿轮对从动齿轮 9.第I级齿轮对主动齿轮 10.第II级齿轮对主动齿轮 11.中间轴 12.第II级齿轮对从动齿轮 13.输出轴 14.输出法兰 15.箱体
附图2表示了本发明所述的液力变矩偶合器正车减速箱的工作油和润滑油循环系统的原理图，图中：16.油箱 17.油泵 18.冷却器 19.两级同轴式齿轮减速器 20.液力变矩偶合器(注：“细实线”表示工作油循环系统，“点划线”表示润滑油循环系统，“粗实线”表示本发明的结构原理)
具体实施方式
本发明为液力变矩偶合器正车减速箱，其结构简图如附图1所示，它是由输入部分的液力变矩偶合器和输出部分的两级同轴式齿轮减速器组成。输入部分是由一个具有直叶片的短泵轮(6)和一个具有直叶片的涡轮(5)及一个具有扭曲叶片的导轮(7)组成的三叶轮液力变矩偶合器，它不带辅助腔，其主要零部件有：输入法兰(1)、输入轴(2)、泵轮罩(3)、泵轮(6)、涡轮(5)和导轮(7)及涡轮轴(4)等。输出部分由输入轴(即液力变矩偶合器的涡轮轴)(4)、第I级齿轮对的主动齿轮(9)和从动齿轮(8)、中间轴(11)、第II级齿轮对的主动齿轮(10)和从动齿轮(12)、输出轴(13)、输出法兰(14)及箱体(15)组成的两级同轴式齿轮减速器。两部分安装在同一箱体(15)内。其工作过程如下：
第一.在额定工况 柴油机在额定转速(例如，1000r/min)下运转，通过液力变矩偶合器的输入法兰(1)、输入轴(2)和泵轮罩(3)驱动泵轮(6)旋转，泵轮(6)中的工作油在离心力的作用下，由芯部向外周流动，然后向心地进入涡轮(5)并冲动涡轮(5)旋转；当石油钻机的工作机构(泥浆泵、铰车和转盘)处于额定工况下运转时，其载荷通过两级同轴式齿轮减速器施加于涡轮(5)上，阻止涡轮转速升高。当涡轮转速nT与泵轮转速nB之比为0.96～0.98，即nT＝(0.96～0.98)nB＝960r/min～980r/min时，涡轮(5)旋转时对工作油的离心力作用相对较大，但与泵轮(6)的离心力作用相反，进入涡轮(5)的工作油流避开导轮(7)又折反回到泵轮(6)的芯部，而在导轮(7)中的工作油静止不动，此时液力变矩偶合器处于偶合器工况运转，具有很高(96％～98％)的传动效率η。
第二.在低速和零速工况 柴油机仍在额定转速下运转，随着工作机构负载的增加，迫使涡轮转速nT降低，涡轮(5)对工作油流的离心力作用减小；当工作机构负载继续增加到迫使涡轮(5)转速nT降至零时，涡轮(5)的离心力作用等于零。工作油流在泵轮(6)的离心力作用下，向心地进入涡轮(5)，通过导轮(7)再回到泵轮(6)的芯部。此时在工作腔中产生很大的循环流量Q，由于导轮(7)叶栅的作用，在泵轮(6)的进口产生工作油流环量Γ1B，使泵轮出口环量Γ2B与进口环量Γ1B之差ΔΓB(Γ2B-Γ1B)减小。而泵轮转矩MB与循环流量Q和泵轮进出口环量差ΔΓB的乘积成正比(MB∞Q·ΔΓB)，循环流量Q增加使泵轮转矩增加，而出口环量差ΔΓB减小又使泵轮转矩减小，也就是说泵轮转矩增加相对较小，本发明获得较小的透穿数，避免柴油机冒黑烟，甚至熄火，改善工作条件，提高其使用寿命；另外，由于循环流量Q的增加，可获得更大的涡轮转矩及输出转矩，提高石油钻机的钻井功效，此时液力变矩偶合器处于变矩器工况运转。
对于现有的液力变矩偶合器，在低速和零速工况，由于带辅助和定量部分充油，工作腔中的工作油进入辅助腔，使得循环流量Q减小，从而减小了泵轮转矩，获得较小的透穿数。但同时减小了涡轮转矩，从而降低了石油钻机的钻井功效。
输入部分的工作腔中的工作油与输出部分的润滑油采用同一油品且共用一个带油泵和冷却器的循环系统：如附图2所示，油循环系统的油泵(17)和冷却器(18)串联，箱体(15)底部为油箱，油泵(17)的入口通过管路与油箱联通，冷却器(18)出口管路分成两路，一路与润滑管路联通，另一路与液力变矩偶合器(20)的工作腔入口联通，液力变矩偶合器(20)的工作腔出口与油箱联通。由输入部分驱动的油泵(17)将工作油从油箱(16)吸入，通过管路(“细实线”所示)压入冷却器(18)进行强制冷却，再压入液力变矩偶合器的工作腔，同时带走在传递功率过程中所产生的热量，最后回到油箱(16)；另外，从冷却器(18)出来的工作油通过另外较细的管路(“点划线”所示)，去分别润滑齿轮和轴承等零部件，工作油通常是一种专用的液力传动油，它既是液力变矩偶合器传递功率的工作介质，又是齿轮和轴承等的润滑介质。
Claims (2)
1.一种液力变矩偶合器正车减速箱，在机械传动石油钻机中，是柴油机与并车链条箱之间的传动装置，其特征在于：由输入部分的液力变矩偶合器(20)和输出部分的两级同轴式齿轮减速器(19)组成；输入部分是一个不带辅助腔的液力变矩偶合器，它与输出部分的两级同轴式齿轮减速器安装在同一箱体(15)内；液力变矩偶合器的涡轮轴(4)与两级同轴式齿轮减速器的输入轴(4)为同一根轴，液力变矩偶合器工作腔中的工作油与两级同轴式齿轮减速器中的润滑油采用同一油品，且共用一个带油泵和冷却器的油循环系统。
2.如权利要求1所述的液力变矩偶合器正车减速箱，其特征在于：油循环系统的油泵(17)和冷却器(18)串联，箱体(15)底部为油箱，油泵(17)的入口通过管路与油箱联通，冷却器(18)出口管路分成两路，一路与润滑管路联通，另一路与液力变矩偶合器(20)的工作腔入口联通，液力变矩偶合器(20)的工作腔出口与油箱联通。
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