油田钻井用柴油机
蔡兵++周凯++徐冰
[摘 要]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。
[关键词]柴油机；欠压自动停车装置；设备故障；安全运行
中图分类号：TM123 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）28-0025-01
针对机械钻机动力系统出现意外故障情况下，受外力驱动非正常运转的现象，开发了一种预防装置，装置由油控阀和管线连接组成，安装方便，能保证钻井柴油机的正常使用和操作，防止因柴油机被动运转可能导致的恶性事故发生，减少设备故障对生产造成的影响，保证柴油机安全运行。
一、概述
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。这种柴油機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。
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。（2）推料气缸有前进慢速、前进快速、后退快速多个速度，完全满足中频加热炉对进、出料速度的要求。通过节流阀可以调整气缸前进速度，从而控制加热节拍。当工件快到达炉膛口时快速推至出料系统的快提装置，快速出料，保证了加热工件轴向温度的均匀性。气缸可快速后退，为下一工件的进料做准备，从而节省气缸空行程时间，提高工作效率。（3）进料顺畅，无卡阻，速度控制灵活，加热节奏可控，提高了加热效率和质量。（4）采用S7-200PLC 及MT6100i 触摸屏，整个上料过程除了人工将工件放至上料准备平台外，其余操作全部自动化，工人劳动强度低，而且进料系统运行状态、参数设置、控制等在触摸屏上可以清晰显示（图 4），交互式界面非常直观，方便设置与操作。（5）设有炉膛卡料报警保护，避免强行推料损坏炉膛。如果在设定的时间里推料气缸未前进到气缸设定的行程，视为炉膛卡料，自动停止推料，并声光报警，提醒操作者检查炉膛，从而实现炉膛保护。
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。
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。
四、柴油机运转设定
1.油控阀动作值设定
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。endprint
