劉銘強

（江蘇油田分公司井下作業(yè)處裝備科，江蘇揚州225265）

700型酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)改進

劉銘強

（江蘇油田分公司井下作業(yè)處裝備科，江蘇揚州225265）

酸化壓裂車是油田增儲上產(chǎn)的主要生產(chǎn)設(shè)備，在油井磨銑、注灰等施工工藝中起著關(guān)鍵作用。通過長期收集數(shù)據(jù)分析研究，發(fā)現(xiàn)老式酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)存在設(shè)計缺陷，分析老式酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)，提出改進方案，使臺上傳動系統(tǒng)完好率提升到98%以上。

酸化壓裂車；液力變矩器；鏈條箱；柱塞泵

0 前言

酸化壓裂車俗稱水泥車，是井下作業(yè)施工的主要生產(chǎn)設(shè)備，是油田增儲上產(chǎn)的重要施工設(shè)備，該設(shè)備應(yīng)用在油水井修井作業(yè)施工中的各個環(huán)節(jié)，主要擔(dān)負著油井試壓、酸化、注灰、磨銑等生產(chǎn)任務(wù)。目前，在江蘇油田范圍內(nèi)投運的有400型和700型酸化壓裂車，700型酸化壓裂車時主要生產(chǎn)主力。

700型酸化壓裂車由底盤部分和臺上部分組成，底盤為通用車輛底盤。老式700型酸化壓裂車臺上部分由柴油機、液力變矩器、傳動軸、鏈條箱、齒輪箱、曲軸箱、柱塞泵、高低壓管匯、液壓油箱等組成（圖1）。老式700型酸化壓裂車在投用以來，經(jīng)歷了長時間的施工考驗，臺上設(shè)備經(jīng)歷各種工況后，其傳動系統(tǒng)在可靠性上存在薄弱點，影響到設(shè)備的正常使用。尤其在近兩年，設(shè)備逐年老化，酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)完好率就呈現(xiàn)出了明顯的下降趨勢，設(shè)備完好率的下降，在增加設(shè)備維護成本的同時，也影響到油井作業(yè)質(zhì)量。

圖1 曲軸箱后端機構(gòu)

1 設(shè)備狀態(tài)

在用酸化壓裂車95%都是20世紀(jì)90年代引進，但其技術(shù)還是源自20世紀(jì)70年代，隨著油井開采技術(shù)的不斷提高，對油井開采設(shè)備的性能也提出了更高的要求?，F(xiàn)有酸化壓裂車臺上動力傳遞過程是：臺上發(fā)動機（TBD234V8）—液力變矩器—傳動軸—鏈條箱—曲軸箱—柱塞泵（圖2）。經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐，總結(jié)油井施工經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)此種動力傳遞方式不僅傳遞效率低，而且在“傳動軸——鏈條箱——曲軸箱”這個動力傳遞階段上容易出現(xiàn)故障。對近兩年酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)發(fā)生故障部位、表現(xiàn)方式和發(fā)生次數(shù)進行統(tǒng)計（表1）。分析表1，將故障發(fā)生部位進行歸類。故障發(fā)生部位分別在傳動軸、鏈條箱、液力變矩器。分析各部位故障發(fā)生概率，在酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)中，鏈條箱發(fā)生故障概率最高，其次是傳動軸。同時，這個故障發(fā)生時間呈現(xiàn)一種規(guī)律性，一般是在上次維修后約24個月的時間內(nèi)會再次發(fā)生，使用頻率高的酸化壓裂車出現(xiàn)故障的時間在18個月左右。再對設(shè)備的維修成本分析，總結(jié)發(fā)現(xiàn)因臺上傳動系統(tǒng)故障所帶來的損失是巨大的，每年因此項故障造成的各項損失在100萬左右，其中包括修理費、材料費、以及因停工帶來的間接損失。

圖2 改造前發(fā)動機液力變速器匹配圖

2 技改措施

2.1 計算傳動效率

原酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)的動力傳遞流程為：發(fā)動機—液力變矩器—傳動軸—鏈條箱—曲軸箱。通過查找資料獲得各個傳動部件的效率為：液力變矩器η1=0.95，萬向傳動軸η2= 0.98，滾動軸承η3=0.99（傳動系統(tǒng)中有6個軸承），鏈條傳動η4= 0.96，齒輪傳動η5=0.98，因此計算出該系統(tǒng)傳動效率η總=η1η2η3η4η5=0.78。理論計算出78%的傳動效率相比于實際的傳動效率要更高一些，實際的機械傳動效率預(yù)計在70%左右，這種傳動效率較低。

表12014 年酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)故障統(tǒng)計

2.2 傳動方式改進

原傳動系統(tǒng)中的鏈條傳動部分最易發(fā)生故障，且頻率較高。要徹底解決老式酸化壓裂車所存在的問題，就要深入剖析傳動原理，從根本上將問題解決。通過對實際存在問題以及傳動系統(tǒng)效率的分析，需要對傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布進行優(yōu)化，初步設(shè)想將去除鏈條傳動部分，重新設(shè)計傳動方式為：發(fā)動機——液力變矩器——傳動軸——柱塞泵，圖3。去除鏈條傳動部分，實現(xiàn)變矩器到傳動軸與柱塞泵的直連，這種方式需要在理論上進行進一步的驗證。在傳動效率上，去除鏈條傳動部分后，其傳動效率由以下部分組成：液力變矩器η1、傳動軸η2、滾動軸承η3（有4個軸承）、齒輪傳動η5。總傳動效率η總= η1η2η3η5=0.88。根據(jù)計算結(jié)果，88%的傳動效率要比78%高出10%，這在機械傳動效率上是一個質(zhì)的變化，傳動效率提高10%意味著消耗要降低10%。從理論上講，省去鏈條傳動部分，傳動效率可得到明顯提升，這種方案是可行的。但在配置選型上是一項重點工作，需要有相對應(yīng)的設(shè)備部件以供選擇。

圖3 改造優(yōu)化后動力輸入

2.3 選配液力變矩器

根據(jù)新設(shè)計的傳動方案，去除鏈條傳動部分，就需重新選配液力變矩器，以保證700型酸化壓裂車能夠滿足正常的施工要求。重新設(shè)計傳動方式后，傳動比發(fā)生了變化，原傳動系統(tǒng)的傳動比由BY520液力變矩器、傳動軸、鏈條箱和曲軸箱組成。BY520液力變矩器的傳動比為1擋4∶1，2擋2.68∶1，3擋2.01∶1，4擋1.35∶1，5擋1∶1。柱塞泵傳動比為4.32∶1。鏈條箱傳動比為1.48∶1。

優(yōu)化后的設(shè)備第一必須具有良好的驅(qū)動性，在選配臺上設(shè)備時需滿足以下條件：發(fā)動機最大輸出扭矩＞液力變矩器最大輸入扭矩＞曲軸箱最大輸入扭矩；第二保持原酸化壓裂車的工作特性。由此保留PG05動力端的臥式三缸柱塞泵及曲軸箱，其最大輸入功率為265 kW，最大輸入扭矩為1680 N·m；選用VOLVO TWD1240VE發(fā)動機，其額定功率321 kW，轉(zhuǎn)速2100 r/min，最大扭矩2250 N·m；通過計算，新液力變矩器的傳動比應(yīng)與以下傳動比相近：1擋5.92∶1，2擋3.97∶1，3擋2.97∶1，4擋2.01∶1，5擋1.48∶1，6擋1∶1，最大輸入扭矩應(yīng)在1830 N·m左右，輸入功率在386 kW左右。經(jīng)過上述計算配比，新設(shè)計的傳動方式不僅保持設(shè)備原有的工作特性，在保證安全運行的前提下，能適當(dāng)提升700型酸化壓裂車的性能（圖4）。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過對比相同系列液力變矩器的傳動比、最大輸入扭矩及額定功率，在各項指標(biāo)滿足要求的情況下，選用BY400型液力變矩器，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。根據(jù)以上傳動比，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2100 r/min時，以4柱塞為例，計算柱塞泵理論性能參數(shù)（表3）。原700型酸化壓裂車在2100 r/min情況下，以4柱塞為例，其柱塞泵理論性能參數(shù)如表4所示。通過對比理論數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，重新設(shè)計傳動比方式和選配液力變矩器后，可以較好的提高設(shè)備性能。

圖4 新發(fā)動機與液力變速器

表2 BY400型液力變矩器技術(shù)參數(shù)

表3 柱塞泵理論性能參數(shù)

表4 原700型酸化壓裂車柱塞泵理論性能參數(shù)

2.4 裝機實驗

（1）裝機試車。優(yōu)化后柱塞泵性能測試數(shù)據(jù)見表5和表6。結(jié)合兩表的數(shù)據(jù)分析，柱塞泵以新傳動方式作業(yè)各項實際性能指標(biāo)與理論指標(biāo)吻合，發(fā)動機、液力變矩器、柱塞泵的油溫、油壓均在測，試驗結(jié)果見表7和表8。通過高強度的試車驗證，新式酸化壓裂車的各項性能指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

表5 試驗要求

3 效果

經(jīng)過改進后的700型酸化壓裂車，其上傳動系統(tǒng)完好率得到提升，同時還提高了使用性能，臺上設(shè)備擋位由5個提高到了6個，排量由原先的250～1012 L/min變成197～1077 L/min，排量覆蓋面變廣，而在壓力的控制上也更為細致。從各項數(shù)據(jù)來看，新式酸化壓裂車能夠應(yīng)對更多的復(fù)雜工況。相比于往年引進的“變矩器+傳動軸+鏈條箱”傳動方式，在使用的相同時間段內(nèi)，柱塞泵輸入端沒有出現(xiàn)軸承密封磨損，潤滑油外滲的問題，也省去了維修鏈條箱的費用。700型臺上傳動系統(tǒng)完好率達到了100%。

4 小結(jié)

根據(jù)油田實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)完好率下降的問題，對老式酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)典型故障正常范圍內(nèi)，確定新傳動方式作用下設(shè)備各個部分工作正常。

（2）驗證優(yōu)化后的新設(shè)備能滿足高強度的工作要求。按照《壓裂車出廠試驗規(guī)范》要求對優(yōu)化設(shè)備進行強化試驗和系統(tǒng)檢進行了收集和詳細分析，列舉出了典型故障原因，發(fā)生頻次，針對存在的故障情況提出了具有建設(shè)性的改進措施，通過理論的反復(fù)驗證計算，大膽的將理論應(yīng)用到了實際設(shè)備改進當(dāng)中，去除了原有的“變矩器+鏈條箱”的傳動方式，改變?yōu)閱为氉兙仄鱾鲃?。通過應(yīng)用，取得了顯著的效果，有效地提升了酸化壓裂車臺上傳動系統(tǒng)的性能，降低了故障發(fā)生率。根據(jù)現(xiàn)場的使用效果，新傳動模式下的酸化壓裂車能夠更好利用能源，降低設(shè)備故障發(fā)生率，對安全生產(chǎn)起到了保障作用。

表6 試驗記錄環(huán)境溫度14℃

表7 試驗記錄環(huán)境溫度14℃

表8 試驗要求

［1］鄭松柏.700型水泥車的技術(shù)改造及應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備，2011，(14).

［2］邱宣懷.機械設(shè)計[M].北京:高等教育出版社，2004.

〔編輯凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.26