CN102619952A - 液力变矩器正车减速箱 - Google Patents

Abstract

一种液力变矩器正车减速箱，在链条传动石油钻机中，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。输入部分是一个有内环的二相或三相或带闭锁离合器的单级向心涡轮变矩器，与输出部分安装在同一箱体内，其涡轮轴与输出部分的输入轴为同一根轴。额定工况效率高达92％～98％，效率≥75％时的高效范围达到4～6，大幅降低燃油消耗；零速工况的最大输出转矩与输入转矩的比值等于6～7，大幅提高钻具的提升速度；额定工况与空负载工况的输出转速之比1～1.08，避免工作机构超极限转速而损坏。

Description

液力变矩器正车减速箱

技术领域

本发明涉及一种链条传动石油钻机，特别涉及链条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.本发明所涉及的技术领域的背景技术

在链条传动石油钻机中，迄今为止，柴油机与并车链条箱之间的液力传动装置，有以下三种背景技术：

第一.石油钻机用充油调节离心涡轮变矩器(SY/T5141-2002标准)

它是由旋转的离心泵轮和离心涡轮及固定的向心导轮共三个叶轮组成，三个叶轮均为扭曲叶片并带有内环。其主要缺点和不足是：①.额定工况时最高效率(η^*≤85％)较低，效率η≥75％时的高效范围(G_0.75＝2.4～2.8)较窄，轻负荷时效率很低，空负荷时效率等于零。由于石油钻机有较长的时间处于轻、空负载工况下运转，因此采用液力变矩器的链条传动石油钻机比皮带传动和电传动的石油钻机燃油消耗率要高15％～25％。②.由于液力变矩器空负载时的输出转速与最高效率工况的输出转速的比值i＝1.5～2.2，当石油钻机突然运行到空负载时，如果操作人员不能及时降低柴油机转速，将导致工作机构(如泥浆泵)在1.5～2.2倍额定转速超极限转速运转(即“飞车”)，极易造成传动部件和工作机构的机械事故，甚至严重损坏。

第二.液力偶合器正车箱(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。输入部分是由无内环的直叶片离心泵轮和直叶片向心涡轮组成的两叶轮液力偶合器，其涡轮轴与输出部分的输入轴为同一根轴，且输入部分的输入轴与输出部分的输出轴轴心线位于同一中心线内。其不足和缺点是：①.由于液力偶合器不具备变矩功能，仅通过其后面的两级同轴式齿轮减速器(其齿轮减速比为2左右，但减速比不能太大，否则输出转速太低)，最大输出转矩与输入转矩的比值(i＝2.0～2.2)很低，其高效范围(G_0.75≈2)很窄。与第一种背景技术相比，提升速度慢，因此不能满足在地质情况复杂，起下钻工况频繁，钻井深度超过5000米的油田的钻井作业；②.由于液力偶合器在零速工况的透穿数(T°＝6～8)很大，在石油钻机起钻工况，当滚筒离合器突然合上时，钻具重量负载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。

第三.液力变矩偶合器正车减速箱(见专利号：ZL 200920247758.X)

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。输入部分是由一个旋转的直叶片离心泵轮和一个旋转的直叶片向心涡轮及一个空间扭曲叶片的固定导轮组成，而泵轮、涡轮和导轮均不带内环。其缺点和不足是：①.零速变矩系数K°≈2，通过其后面的两级同轴式齿轮减速器，最大输出转矩与输入转矩的比值(i＝4～4.6)较小，低于第一种背景技术的比值(i＝5～5.3)，在提升钻具时的加速性能和钻井工况处理事故的能力不如第一种背景技术。②.低速工况的透穿数(其T＝2～3)，大于第一种背景技术的透穿数(T≈1)。因此，在提升钻具工况时，仍然不能完全避免突然压低柴油机转速，而导致冒黑烟的弊端。③.与第二种背景技术相比，额定工况的效率相对较低，尚未完全达到第二种背景技术的节能效果。

2.在其它技术领域的背景技术(第四种背景技术)

一种将柴油机、传动装置、绞车和转盘及井架等部件安装在载重汽车上的石油钻机(见《车装钻机》石油工业出版社2002.9)，在柴油机与工作机构(包括用来提升和下放钻具的绞车和带动钻杆旋转的转盘)与载重汽车的走行部分(前、后桥和车轮)之间，安装有一种美国阿里森(Allison)液力机械变速箱。它是由以下三部分组成：输入部分是带闭锁的二相单级向心涡轮液力变矩器，中间部分是行星齿轮变速器，输出部分是一个分动齿轮箱，三部分安装在同一箱体内。分动齿轮箱有两根输出轴和相应的离合器，当车装钻机钻井作业时，其中的一根输出轴上的离合器合上，驱动绞车和转盘；另一根输出轴上的离合器脱开，汽车停在油田井场。这种大功率的液力机械变速箱应用在载重汽车上(见《汽车液压与液力传动装置的构造与维修》辽宁科学技术出版社1999年6月第1版)，小功率的液力机械变速箱应用在小汽车上(见《机械设计手册》液力传动单行本机械工业出版社2007年3月)。第四种背景技术应用在链条传动石油钻机上，存在如下的缺点和不足：①.对于链条传动石油钻机，按钻井深度分为4000米、5000米、7000米、9000米和12000米五种型号(见《钻井、完井工程基础知识手册》石油工业出版社2002.12)，采用3～5台、功率为800kW～1100kW的中速(1200r/min～1300r/min)柴油机(随着钻井深度的增加，柴油机台数相应增加)，通过各自的传动装置同时与并车链条箱相连。而并车链条箱有3～5根输出轴，分别驱动2～3台大功率(1000kW～1650kW)的泥浆泵、空压机，输出(即爬坡)链条箱运转，而爬坡链条箱通过绞车变速箱等分别驱动绞车和转盘。钻井作业时间长(最短半年，最长两年甚至三年)，每天24小时连续作业，中间不允许停机，否则油井报废，造成最多达上亿元的经济损失。因此，对柴油机和传动装置的使用可靠性要求极高。当并车的多台柴油机机组中的一台或二台出现故障时，在钻井作业不间断的情况下，对出现故障的机组进行维修；而车装钻机只应用在钻井深度3000米以下的油田，钻井作业时间短(最短10天，最长不超过一个月)，而且只驱动负载较轻的绞车和转盘。为了减轻车载的重量，采用重量轻、功率(260kW～600kW)小的高速(2100r/min)柴油机，并要求配备尺寸小、重量轻的第四种背景技术。由于其结构极其复杂(行星齿轮变速器有6个前进档、1个倒档、8个湿式摩擦离合器和自动换档系统等部件)，不能满足链条传动石油钻机对传动装置的可靠性要求。

3.第四种背景技术的单级行星减速器，由于结构的原因，其减速比不得小于4；为了获得2～2.2的减速比，必须设置4套行星齿轮排，结构极为复杂。对于链条传动石油钻机，从柴油机到并车链条箱之间的液力传动装置，减速比＝2.0～2.2为最佳(太小，工作机构超速；太大，工作机构转速偏低，不能充分利用功率)。

4.结构复杂，造价昂贵。

综上所述，柴油机与并车链条箱之间的多种传动装置存在如下缺点和不足：在低速工况的输出转矩低，高效范围窄，在额定工况时液力变矩器的最高效率低，空负载工况的输出转速与最高效率工况的输出转速之比(i＝1.50～2.20)大，导致工作机构(如泥浆泵)在1.5～2.2倍额定转速超极限转速运转(即“飞车”)，极易造成传动部件和工作机构的机械事故，甚至严重损坏。

发明内容

1.要解决的技术问题

本发明的目的就是要克服现有的传动装置的上述缺点和不足，提供一种新型的传动装置，以适应现代石油钻机对各种工况的要求。因此，要解决的具体技术问题是：

①.在低速工况实现有尽可能大的输出转矩，零速工况的输出转矩与输入转矩的比值要达到6～7以上。

②.额定工况的最高效率要达到92％～98％，在效率η≥75％时的高效范围G_0.75≥4～6。

③.在零速工况的透穿数T°≤1.2。

④.空负载工况的输出转速与最高效率工况的输出转速之比控制在1.00～1.08。

⑤.与第四种背景技术相比，简化结构，降低造价。

2.技术方案

本发明所述的一种液力变矩器正车减速箱，是布置在链条传动石油钻机中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器和输出部分的两级同轴式齿轮减速器组成；输入部分液力变矩器是一种有内环的单级向心涡轮液力变矩器。它是由一个旋转的离心泵轮(7)和一个旋转的向心涡轮(5)以及一个或两个轴流导轮(6)组成；轴流导轮(6)通过超越离合器(8)安装在液力变矩器的壳体上。当涡轮(5)零速和低速运转时，导轮(6)被超越离合器(8)楔紧不旋转，液力变矩器处于变矩相；当涡轮高速运转时，超越离合器(8)松脱，导轮(6)自由旋转且不承受转矩，液力变矩器处于偶合相。这样导轮(6)设置为一个或两个，就可以形成二相或三相的单级向心涡轮液力变矩器与两级同轴式齿轮减速器组合，构成不同类型的液力变矩器正车减速箱。这样由输入部分的液力变矩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，液力变矩器的涡轮轴(3)与两级同轴式齿轮减速器的输入轴(3)为同一根轴。输入部分的输入轴(2)与输出部分的输出轴(14)位于同一轴心线内，且两者旋转方向相同(即所谓“正车”功能)。

输入部分是一种有内环的二相或三相或带闭锁离合器的单级向心涡轮液力变矩器：

①.按权利要求2的技术方案(见附图1)是：输入部分的液力变矩器有内环，不带闭锁离合器，它是由一个旋转的、具有空间扭曲叶片的离心泵轮(7)和一个旋转的、具有空间扭曲叶片的向心涡轮(5)以及一个具有空间扭曲叶片轴流导轮(6)组成。导轮(6)安装在超越离合器(8)上，当涡轮(5)在零速和低速工况运转时，导轮(6)被超越离合器(8)楔紧不旋转，液力变矩器处于变矩相，固定不旋转的导轮(6)承受涡轮(5)与泵轮(7)转矩之差。因此，在零速工况液力变矩器涡轮(5)转矩与泵轮(7)转矩之比值为零速变矩系数(K°＝3.0～3.7)，通过输出部分的两级同轴式齿轮减速器(例如其齿轮减速比为2.0左右)，最大输出转矩与输入转矩之比值为6～7；额定工况的效率可达到90％～93％，效率η≥75％时的高效范围G_0.75≥4～6；零速工况的透穿数T°≤1.2；空负载工况的输出转速与最高效率工况输出转速之比为1.03～1.08。

②.按权利要求3的技术方案(见附图2)是：与权利要求2的不同之处在于，输入部分是一种有内环的三相单级向心涡轮液力变矩器，包含有两个空间扭曲叶片的轴流导轮I(6)和II(17)，分别安装在各自的超越离合器I(8)和II(18)上。当涡轮零速和低速工况运转时，两个导轮I(6)和II(17)均被各自的超越离合器I(8)和II(18)楔紧而不旋转，液力变矩器处于第一个变矩相；当涡轮(5)转速增加到某一转速时，第一个导轮I(6)的超越离合器I(8)松脱并开始自由旋转，且不承受转矩，液力变矩器处于第二个变矩相；当涡轮(5)转速继续增加到更高的某一转速时，第二个导轮II(17)的超越离合器II(18)松脱开始自由旋转，也不承受转矩，液力变矩器处于偶合相。此技术方案所能达到的技术效果，与权利要求2的技术方案基本相同。但它还具备如下优点：在从第一个变矩相过渡到偶合相时，在第二个变矩相可获得较高的效率。

③.按权利要求4的技术方案(见附图3)是：与权利要求2或3不同之处在于，在输入部分的液力变矩器的泵轮(7)组件和涡轮(5)组件之间，增设一个闭锁离合器(19)。当液力变矩器处于偶合相，且涡轮(5)转速增加到接近于泵轮(7)转速时，通过闭锁离合器(19)将两个组件结合为一体，泵轮(7)和涡轮(5)以相同的转速一起旋转，第一个(或第一个和第二个)导轮的超越离合器松脱并自由旋转，且不承受转矩，此时液力变矩器为纯机械传动。此技术方案所能达到的技术效果，与权利要求1和2的技术方案基本相同，但它在额定工况的效率可达到98％左右(注：有2％的功率损失是输出部分的齿轮传动和供油泵及冷却风扇等辅助部件的功率消耗造成的)，而且空负载工况的输出转速与最高效率工况输出转速之比为1，完全避免超极限转速(即“飞车”)运转。

3.有益效果

采用上述技术方案，本发明可达到如下有益效果：

①.在低速工况有很大的输出转矩，零速工况的输出转矩与输入转矩之比值达到6～7以上。这可以使得石油钻机在提升钻具时有最大的加速性能，在钻井工况有最佳的处理井下事故的能力，特别适合于地质情况复杂、起下钻频繁、钻井深度超过5000米的油田钻井作业。

②.额定工况的效率达到92％～98％，效率≥75％时的高效范围G_0.75≥4～6，比目前世界各国广泛使用的第一种背景技术，可降低15％～20％的燃油消耗。

③.零速工况的透穿数T°≤1.2。在提升钻具工况，当绞车滚筒离合器突然合上时，避免钻具重量载荷“透穿”本发明的液力传动装置施加于柴油机上，导致柴油机冒黑烟，甚至“熄火”的弊端。改善柴油机的燃烧条件，延长其使用寿命。

④.空负荷工况的输出转速与最高效率工况的输出转速之比为1.00～1.08。在钻井工况，当泥浆泵突然运行到空负载工况时，尽管操作人员不能及时降低柴油机转速，泥浆泵也不可能超极限转速运转，避免发生机械故障，甚至损坏；而在提升工况，在提升空吊卡时，避免提升速度过快，而导致在提升到接近上限位置时“碰车”，甚至严重事故。

⑤.造价略高第一、二、三种背景技术，但大大低于第四种背景技术。目前，功率(800kW～1000kW)相同的第一、二、三和四种背景技术，其单价分别是10、14、16、和70万左右。而本发明的单价是18万左右。

附图说明：

附图1表示了本发明一种有内环的二相单级向心涡轮的液力变矩器正车减速箱的结构简图：1.输入法兰  2.输入轴  3.涡轮轴  4.泵轮罩  5.涡轮6.导轮  7.泵轮  8.超越离合器  9.第一级从动齿轮  10.第一级主动齿轮11.第二级主动齿轮  12.中间轴  13.第二级从动齿轮  14.输出轴  15.输出法兰  16.箱体

附图2表示了本发明一种有内环的三相单级向心涡轮的液力变矩器正车减速箱的结构简图：1.输入法兰  2.输入轴  3.涡轮轴  4.泵轮罩  5.涡轮6.导轮I  7.泵轮  8.超越离合器I  9.第一级从动齿轮  10.第一级主动齿轮  11.第二级主动齿轮  12.中间轴  13.第二级从动齿轮  14.输出轴15.输出法兰  16.箱体  17.导轮II  18.超越离合器II

附图3表示了本发明一种有内环的三相单级向心涡轮并带闭锁离合器的液力变矩器正车减速箱的机构简图；1.输入法兰  2.输入轴  3.涡轮轴  4.泵轮罩  5.涡轮  6.导轮I  7.泵轮  8.超越离合器I  9.第一级从动齿轮10.第一级主动齿轮  11.第二级主动齿轮  12.中间轴  13.第二级从动齿轮14.输出轴  15.输出法兰  16.箱体  17.导轮II  18.超越离合器II  19.闭锁离合器

具体实施方式

本发明为液力变矩器正车减速箱，其结构简图如附图1所示，它是由输入部分的液力变矩器和输出部分的两级同轴式齿轮减速器组成。

本发明的具体实施例(见附图3)是：输入部分是一个有内环的、三相带闭锁离合器的单级向心涡轮液力变矩器。它是由一个旋转的、具有空间扭曲叶片的离心泵轮(7)和一个旋转的、具有空间扭曲叶片的向心涡轮(5)以及两个具有空间扭曲叶片的轴流导轮I(6)和II(17)，分别安装在各自的超越离合器I(8)和II(18)上。当石油钻机的工作机构(泥浆泵、转盘和绞车)的负载很大时，液力变矩器的涡轮(5)在零速和低速运转，两个导轮I(6)和II(17)均被各自的超越离合器楔紧而不旋转，液力变矩器处于第一变矩相；随着工作机构负载减小，涡轮转速增加到某一转速时，第一个导轮I(6)的超越离合器I(8)松脱开始自由旋转且不承受转矩，液力变矩器处于第二个变矩相；当涡轮(5)转速继续升高到某一更高的转速时，第二导轮II(17)的超越离合器II(18)松脱开始自由旋转也不承受转矩，液力变矩器处于偶合相；当涡轮(5)转速继续升高到接近泵轮(7)转速时，通过液力变矩器的泵轮(7)和涡轮(5)组件之间的闭锁离合器(19)，将两个组件结合为一体，液力变矩器处于纯机械传动相。

输出部分是一个两级同轴式齿轮减速器，其输入轴(3)与液力变矩器的涡轮轴(3)共用一根轴。输入轴(3)上的第一级主动齿轮(10)与中间轴(12)上的第一级从动齿轮(9)，组成第一级减速齿轮对；中间轴(12)上的第二级主动齿轮(11)与输出轴(14)上的第二级从动齿轮(13)，组成第二级减速齿轮对，两级齿轮对的减速比为2.0左右。在零速工况液力变矩器涡轮(5)转矩与泵轮(7)转矩之比值为零速变矩系数(K°＝3.0～3.7)，再通过减速比为2.0左右的两级同轴式齿轮减速器，使得最大输出转矩与输入转矩之比值达到6～7；额定工况的效率达到98％，效率η≥75％时的高效范围G_0.75≥4～6；零速工况的透穿数T°≤1.2；空负载工况的输出转速与额定工况的输出转速之比值为1.00。

输入部分和输出部分安装在同一箱体(16)内。输入部分的输入轴(2)与输出部分的输出轴(14)的轴心线位于同一中心线内。输入轴(2)与输出轴(14)的旋转方向相同(即所谓“正车”)。液力变矩器的工作油与两级同轴齿减速器润滑油采用同一种油品，且共用一个带油泵和冷却器的油循环系统(附图中未表示)。

本发明的工作过程如下：柴油机(附图中未表示)驱动输入法兰(1)、输入轴(2)、泵轮罩(3)和泵轮(7)一起旋转，在泵轮(7)叶片作用下，工作油形成高速高压液流，自轴心向外圆流动，向心冲入涡轮(5)，使涡轮(5)和涡轮轴(3)一起旋转，经两级减速齿轮对，带动输出轴(14)和输出法兰(15)旋转，然后通过万向联轴器和气囊离合器与并车链条箱的输入轴联接，最后分别驱动石油钻机的工作机构(泥浆泵和转盘或绞车)。当工作机构的负载很大时，液力变矩器涡轮在零速或低速运转，两个导轮被超越离合器楔紧不旋转，液力变矩器处于第一变矩相；随着工作机构负载的减少，液力变矩器分别处于第二变矩相、偶合相、纯机械传动，空负荷工况的输出转速与最高效率工况的输出转速之比为1.00～1.08之间。在低速工况有很大的输出转矩，零速工况的输出转矩与输入转矩之比值达到6～7以上。从而使得石油钻机在提升钻具时有最大的加速性能，在钻井工况有最佳的处理井下事故的能力，特别适合于地质情况复杂、起下钻频繁、钻井深度超过5000米的油田钻井作业。还实现了零速工况的透穿数T°≤1.2，在提升钻具工况，当绞车滚筒离合器突然合上时，避免钻具重量载荷“透穿”本发明的液力传动装置施加于柴油机上，导致柴油机冒黑烟，甚至“熄火”的弊端，改善柴油机的燃烧条件，延长其使用寿命。在钻井工况，当泥浆泵突然运行到空负载工况时，尽管操作人员不能及时降低柴油机转速，泥浆泵也不可能超极限转速运转，避免发生机械故障，甚至损坏；在提升工况，提升空吊卡时，避免提升速度过快，而导致在提升到接近上限位置时“碰车”，甚至严重事故。

Claims (4)

1.一种液力变矩器正车减速箱，在链条传动石油钻机中，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器是一种有内环的单级向心涡轮液力变矩器，它是由一个旋转的离心泵轮(7)和一个旋转的向心涡轮(5)以及一个或两个轴流导轮组成；轴流导轮通过超越离合器安装在液力变矩器的壳体上。

2.如权利要求1所述的液力变矩器正车减速箱，其特征在于：输入部分的液力变矩器是一种有内环的二相单级向心涡轮液力变矩器，它是由一个旋转的离心泵轮(7)和一个旋转的向心涡轮(5)以及一个轴流导轮(6)组成；轴流导轮(6)通过超越离合器(8)安装在液力变矩器的壳体上；当涡轮(5)零速和低速运转时，导轮(6)被超越离合器(8)楔紧不旋转，液力变矩器处于变矩相；当涡轮高速运转时，超越离合器(8)松脱，导轮(6)自由旋转且不承受转矩，液力变矩器处于偶合相。

3.如权利要求1所述的液力变矩器正车减速箱，其特征在于：输入部分是一种有内环的三相单级向心涡轮液力变矩器，包含有两个轴流导轮I(6)和II(17)，分别安装在各自的超越离合器I(8)和II(18)上；当涡轮(5)零速和低速工况运转时，两个导轮I(6)和II(17)均被各自的超越离合器I(8)和II(18)楔紧而不旋转，液力变矩器处于第一个变矩相；当涡轮(5)转速增加到某一转速时，第一个导轮I(6)的超越离合器I(8)松脱并开始自由旋转，且不承受转矩，液力变矩器处于第二变矩相；当涡轮(5)转速继续增加到更高的转速时，第二个导轮II(17)的超越离合器II(18)也松脱开始自由旋转，且不承受转矩，液力变矩器处于偶合相。

4.如权利要求1和2或3所述的液力变矩器正车减速箱，其特征在于：在输入部分的液力变矩器泵轮(7)组件和涡轮(5)组件之间，增设一个闭锁离合器(19)；当液力变矩器处于偶合相，且涡轮(5)转速增加到接近于泵轮(7)的转速时，通过闭锁离合器(19)将两个组件结合为一体，液力变矩器成为纯机械传动。

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