液力转矩加载试验方案研究

张波 ，卞志楠 ，周华妮 ，金泽秦 ，叶锐 ,2，解艳维

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002）

0 引言

随着近年来石油勘探开发技术的发展和钻采装备性能要求的不断提升，传统石油钻采机械——转盘，也向着大功率、大转矩方向迅速发展[1]。以某石油钻采设备制造公司为例，目前研发的某型转盘，转台通径达60-1/2 in，齿轮副传动比为4.5385，转台试验转速为100 r/min，最大工作转矩为78 230 N·m，试验功率为819.2 kW。根据产品试验大纲要求，现需要一种大转矩加载试验方案，实现该转盘的各项试验要求，以验证设计的完整性和计算的准确性[2]。

目前常见的转矩加载试验方案多采取能量转化法，试验设备由驱动设备和加载设备构成，如图1所示。驱动设备负责驱动试验产品并调整至所需的试验转速，一般为电动机或柴油机；加载设备实际上是一个负载，作用类似制动器，以阻滞被试产品输出端的转动来产生加载转矩[3]。

图1 常见的转矩加载试验方案示意图

此类试验方案实质上都应用了原动机-从动机-测功机的整体结构，只是测功机在试验功率、工作原理、对能量的转换利用方面有所区别，如表1所示。

表1 常见转矩加载方案对比

从理论角度分析，只要解决用功机能量的转化问题，所有大功率负载都能用来加载转矩，这使以泥浆泵+调压装置加载（以下简称：液力加载）转矩的方案存在实现的可能。

1 液力转矩加载试验方案

为实现ZP605转盘的转矩加载连续试验要求，现以大功率交流变频电动机作为原动机，经减速器将动力传至转盘水平方向的输入轴，并保证转盘的试验转速，转盘将水平方向传动变为转台垂直方向的传动，再经变速箱、联轴器传入泥浆泵输入轴，驱动泥浆泵运转。为加载试验转矩，以泥浆作为能量载体（可用水代替），注入泥浆泵，经泥浆泵活塞作用后变为携带能量的高压流体，经调压装置调至低压，携带的能量转化为热量后，回到水罐中自然冷却，冷却后的泥浆再次进入泥浆泵，形成泥浆循环。加载原理如图2所示。

图2 液力转矩加载方案原理图

1.1 液力转矩加载试验方案的设备构成

转盘试验设备构成如图3所示。

图3 液力转矩加载试验设备构成简图

由于转盘转台传动方向垂直于地面（类似直角箱），方案中需要为转台下方的设备腾出空间，因而设计了二层台架，上层布置电动机、减速箱和试验转盘，下层为转矩传感器和直角变速箱，如图4所示。

图4 液力转矩加载试验设备图

1.2 加载设备分析计算

1.2.1 泥浆泵

该方案的转矩加载能力主要受负载设备性能限制，方案中选用某公司定型生产的F-1600型泥浆泵，属油田用三缸单作用活塞泵，主要性能参数如下：额定输入功率为1193 kW；额定冲数为120冲/min；最大工作压力为34.5 MPa；冲程为305 mm；最大缸径为180 mm；齿轮速比为4.206。缸径、排量、压力关系如表2所示。

表2 F-1600钻井泵缸径、排量与压力关系

泥浆泵的输出功率计算公式为

式中：N为泵的输出功率，kW；p泵为排出压力；Q为泵排量。

选用较大直径的缸套，使泥浆泵工作压力相对较低，降低试验风险。按表2选用φ170的缸套，取泵的额定工作压力为25.9 MPa，若不计加载设备机械损失，该工况下,泥浆泵实际最大输出功率按式（1）计算可得

N=25.9×10－6×41.16×10－3×10－3=1066 kW＞819.2 kW。

忽略机械损失，则转盘转台输出功率等于泥浆泵输出功率，均为1066 kW。转台转矩T的计算公式为

式中：P为转盘功率；n为转台转速。

1.2.2 调压装置

调压装置通过调整泥浆泵排出的钻井液压力，也直接控制了加载转矩的大小。水力学缩孔局部阻力公式[4]为

式中：F为喷嘴截面积；d0为喷嘴计算直径；γ为泥浆重度；μ为流量系数（其大小取决于喷嘴的结构型式）。

根据式（3）得喷嘴直径计算公式为

但考虑到理论计算与实际试验存在差距，应采用可调节的喷嘴结构，方便试验中对加载转矩进行调整。

1.2.3 泥浆罐

由于转盘、变速器、泥浆泵运转过程中，除了机械摩擦产生少量损耗以外，本身并不消耗能量，能量在这些设备中仅发生了“传递”。根据能量守恒定律，由试验装置产生的能量传至泥浆泵，产生的高能泥浆并经过调压装置进入泥浆罐的过程中，泥浆与管壁、泥浆与泥浆间发生剧烈摩擦，使泥浆携带的机械能转化为热能，并被泥浆带走。高温泥浆流入泥浆罐内自然冷却，热能传给外界环境，待冷却后再次流入泥浆泵，继续参与能量传递和泥浆的循环。加载设备的能量转化示意图如图5所示。

图5 加载设备的能量转化示意图

2 液力加载的转矩波动分析和计算

由于三缸泥浆泵排量是按一定规律变化的，这势必会给转矩加载带来一定影响。假定加载中无机械损失，泥浆泵瞬时输出功率N应等于转盘的瞬时加载功率P，将式（1）、式（3）分别代入式（2），得到转盘的瞬时加载转矩为

将直径d0、泥浆重度γ、流量系数μ等常数用常数K表示，则瞬时转矩为

可见，瞬时转矩加载与泥浆泵排量的三次方成正比。未安装空气包的情况下，三缸活塞泵的排量是一条周期性波动的曲线（如图6），瞬时排量在平均排量的上下波动分别为6.64%和18.42%[5]，瞬时加载转矩受排量三次方影响，波动将更为剧烈。但实际上，泥浆泵空气包能有效缓解产生的转矩波动。

转矩波动对转矩加载试验的不利之处显而易见：轻则使转矩控制精度受到影响，重则会造成试验产品损坏。所以该液力转矩加载试验方案在实施过程中，应配置转矩传感器实时监控转矩波动，避免损坏试验设备。

3 结论

1）经过以上计算分析，以液力转矩加载方案实现各种原动机、从动机的转矩加载试验理论上可行。由于该方案以石油钻采行业通用设备实现了专用设备的功能，特别适合仅需要进行一次定型试验的产品，试验完成后，各设备可转作它用，试验投入小，节约效果显著。

2）由于三缸单作用泥浆泵的排量不均，会造成转矩加载波动，对试验产生不利影响。该方案在具体实施中应注意监控加载转矩的波动范围，必要时采取缓解泥浆泵流量不均的手段，保证方案的实施。