(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610051)

李華川，趙明建

(四川寶石機(jī)械專用車有限公司，四川 德陽(yáng) 618300)

賈海平

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610051)

楊德勝，陳遠(yuǎn)建

(四川寶石機(jī)械專用車有限公司，四川 德陽(yáng) 618300)

徐延海，陳靜

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039)

作為專用車輛，固井車的設(shè)備運(yùn)行由電路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[1]。固井車的振動(dòng)性能是其重要的性能指標(biāo)之一，固井車車架上的設(shè)備(如發(fā)動(dòng)機(jī)組、泵組、高低壓管匯等)都布置在車架上，車架不僅承載設(shè)備靜載荷，也受到發(fā)動(dòng)機(jī)組、傳動(dòng)箱、泵組等的動(dòng)載激勵(lì)。當(dāng)這些激勵(lì)與車架的固有頻率相近時(shí)，固井車便會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪音，從而引起較高的動(dòng)應(yīng)力[2]。而引起固井車振動(dòng)的因素較多，因此研究車架振動(dòng)特性對(duì)提高固井車工作的可靠性等至關(guān)重要[3]。

文獻(xiàn)[4～7]對(duì)專用汽車振動(dòng)性能進(jìn)行了相關(guān)研究；文獻(xiàn)[8]對(duì)車輛薄壁零件采用形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)降低零件的振動(dòng)強(qiáng)度；文獻(xiàn)[9，10]應(yīng)用有限元法研究了壓裂車車架的動(dòng)態(tài)特性，避開(kāi)了車架的共振頻率；文獻(xiàn)[11]采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)車架動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化，避開(kāi)了車架發(fā)生共振的頻段，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化；文獻(xiàn)[12，13]利用有限元分析對(duì)商用車進(jìn)行模態(tài)分析，研究了車架的振動(dòng)特性，避免了車架的共振；文獻(xiàn)[14]通過(guò)有限元分析和疲勞試驗(yàn)對(duì)混泥土泵車進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度評(píng)估。由于井場(chǎng)道路條件越來(lái)越差，固井工藝越來(lái)越復(fù)雜[15]，對(duì)固井車的振動(dòng)特性提出了更高的要求，因此，固井車在各種工況下保持平穩(wěn)舒適的狀態(tài)對(duì)確保固井作業(yè)安全非常重要。但固井車這類專用車輛的振動(dòng)分析研究較少，為此，筆者進(jìn)行固井車模態(tài)仿真計(jì)算分析，并對(duì)固井車車架(主車架)以及安裝臺(tái)上設(shè)備的副車架構(gòu)成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行系列試驗(yàn)測(cè)試，這樣不僅可以驗(yàn)證車架設(shè)計(jì)強(qiáng)度，也為后續(xù)結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化達(dá)到減振功效提供理論依據(jù)。

1 車架模型

在駐停工況下，車架所受載荷主要是來(lái)自車輛底盤部分和臺(tái)上部分的自重。底盤部分主要有駕駛室、主車架、車輛發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)部分、各車橋系統(tǒng)等。臺(tái)上部分主要包括車臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)組、傳動(dòng)箱、泵組、高低壓管匯以及副車架等。依據(jù)實(shí)際幾何尺寸及臺(tái)上設(shè)備安裝尺寸，對(duì)車架及上裝設(shè)備支撐進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

圖1 車架三維建模

通過(guò)所建立的三維模型，對(duì)車架進(jìn)行系列的計(jì)算、分析和測(cè)試，是分析車架強(qiáng)度和制動(dòng)特性的有效途徑之一。在進(jìn)行車架動(dòng)態(tài)分析過(guò)程中，總體的坐標(biāo)系以及3個(gè)坐標(biāo)平面如圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn)位于車輛主車架最后的橫梁中心，X方向與車輛的行駛方向相反，Y方向?yàn)檐囕v的側(cè)向，Z方向?yàn)榇怪庇诼访娣较颉?/p>

在進(jìn)行車架靜力學(xué)分析過(guò)程中所用到的主車架材料以及副車架材料特性如表1所示。

對(duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。單元網(wǎng)格大小在20mm×20mm×20mm左右，全部采用三維單元進(jìn)行劃分，總單元數(shù)為465705個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為962211個(gè)。

圖2 車架有限元網(wǎng)格劃分

部件名稱材料型號(hào)彈性模量/109Pa泊松比/1密度/(kg·m-3)主車架E500TM2170.37850副車架Q3452100.37850

2 車架模態(tài)仿真結(jié)果及分析

車架模態(tài)分析主要包括自由模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。自由模態(tài)主要是了解結(jié)構(gòu)在沒(méi)有約束情況的振動(dòng)特性，從而在一定程度上了解結(jié)構(gòu)的剛度情況。約束模態(tài)則反映了車架在實(shí)際使用情況下的振動(dòng)特性，因此，比較可靠地了解該狀態(tài)下的振動(dòng)特性，可以為后續(xù)的減振等提供基礎(chǔ)。為確定在約束模態(tài)分析時(shí)的具體載荷及邊界條件，對(duì)表1中車架以外的底盤以及臺(tái)上部分設(shè)備利用集中質(zhì)量進(jìn)行加載，這些施加的集中質(zhì)量大小以及坐標(biāo)位置如表2所示。車架自由模態(tài)、約束模態(tài)前10階固有頻率如表3所示，前4階自由模態(tài)振型圖如圖3所示。

從計(jì)算結(jié)果得知，前10階車架約束頻率都在55Hz以內(nèi)，頻率范圍比較低。其中車臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)是六缸四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，工作轉(zhuǎn)速一般在1800～2100r/min，其正常激勵(lì)頻率在90～105Hz(發(fā)火頻率)范圍內(nèi)，已經(jīng)遠(yuǎn)離車架前幾階固有頻率，不會(huì)與車架產(chǎn)生共振。泵組通過(guò)其傳動(dòng)比與變速箱檔位以及發(fā)動(dòng)機(jī)一般轉(zhuǎn)速可計(jì)算壓裂泵正常工作激勵(lì)頻率在3.35～22.8Hz，處于車架自由模態(tài)下的前階范圍，有共振發(fā)生。從表3可以看出，在約束模態(tài)下，由于各車橋的鋼板彈簧與車架上的支座等相連，在一定程度上限制了車架的一些運(yùn)動(dòng)，因此整體的頻率有一定程度的增加；但在低頻區(qū)域還是與車輛轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中存在一定的重疊，存在共振的可能。

表2 車輛底盤及臺(tái)上設(shè)備質(zhì)量大小及質(zhì)心位置

表3 車架固有頻率

圖3 模態(tài)振型圖

3 車架振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置

為研究固井車在實(shí)際固井工作狀態(tài)下的車架振動(dòng)特性，對(duì)車架開(kāi)展室內(nèi)測(cè)試。車輛作業(yè)工況分左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)—泵運(yùn)行以及右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)—泵運(yùn)行，根據(jù)車輛的運(yùn)行及作業(yè)工況，進(jìn)行了3個(gè)典型工況下的車架振動(dòng)特性測(cè)試：

工況1——車輛怠速。

工況2——左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)—泵運(yùn)行。

工況3——右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)—泵運(yùn)行。

在測(cè)試時(shí)工況2和工況3又分為大扭矩(2擋，2100r/min左右)及大排量(5擋，1850r/min左右)2種工況，一共5種固井作業(yè)工況。對(duì)車架表面進(jìn)行振動(dòng)加速度測(cè)試，利用振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了在給定工況下車架的振動(dòng)特性試驗(yàn)分析。

3.1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

車架振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件部分包括加速度傳感器、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)以及相關(guān)的輔助設(shè)施。軟件部分主要是數(shù)據(jù)采集部分以及數(shù)據(jù)分析部分。采集部分主要測(cè)試通道參數(shù)的設(shè)置、采集過(guò)程參數(shù)設(shè)置以及完成采集和實(shí)時(shí)顯示燈相關(guān)的功能，而數(shù)據(jù)分析部分具有進(jìn)行時(shí)域和頻域分析的相關(guān)功能。該測(cè)試采用江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司的相關(guān)硬件和軟件系統(tǒng)，硬件中的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)為DH8302，16通道，所有通道并行同步工作，各通道連續(xù)采樣速率可達(dá)256kHz。采用IEPE壓電式加速度傳感器，加速度傳感器采用磁吸座的形式安裝在車架以及相關(guān)的測(cè)試布點(diǎn)上。

圖4 車架振動(dòng)特性測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 測(cè)試工況及測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)模態(tài)仿真結(jié)果及模態(tài)云圖分析得到振型特征、共振頻率和位移，同時(shí)結(jié)合車輛固井工作狀態(tài)時(shí)振動(dòng)的傳遞路徑和振源的特性來(lái)進(jìn)行布點(diǎn)。在振源位置一般布置三向加速度傳感器，在簡(jiǎn)單的傳遞路徑上布置單向的傳感器，支座的上下布置三向的傳感器，以期更好地得到振動(dòng)的傳遞特性。

由于動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的通道限制，車架振動(dòng)特性測(cè)試點(diǎn)布置按照測(cè)試工況分別進(jìn)行，傳感器布置在車架相關(guān)的支座位置，X方向與車輛行駛方向相反，Y方向?yàn)檐囕v側(cè)向，Z方向?yàn)榇怪甭访娣较?。具體測(cè)點(diǎn)如圖5所示。

圖5 車架振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖

4 典型工況下車架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

車架進(jìn)行了上述5種固井作業(yè)工況下的振動(dòng)測(cè)試[16]，限于篇幅，選擇右側(cè)大排量及大扭矩下的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 大排量工況

圖6給出了測(cè)點(diǎn)9以及發(fā)動(dòng)機(jī)Z方向的加速度時(shí)域曲線。從圖6中可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)的Z方向加速度達(dá)到了6g左右，而車架測(cè)點(diǎn)9的Z方向加速度大小在1g范圍內(nèi)變化。

通過(guò)對(duì)大排量工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行加速度頻率的頻域分析，測(cè)點(diǎn)9的結(jié)果如圖7所示。在圖7中，從發(fā)動(dòng)機(jī)Z方向的振動(dòng)來(lái)看，該工況下其轉(zhuǎn)頻在31.25Hz左右，即發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在1875r/min左右。發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率在93.75Hz左右，發(fā)動(dòng)機(jī)的其他各階次的激勵(lì)也非常明顯。

圖6 右側(cè)大排量工況下發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)以及測(cè)點(diǎn)9的Z方向的加速度時(shí)域曲線

圖7 右側(cè)大排量工況下測(cè)點(diǎn)9的加速度頻域曲線

泵組工作過(guò)程中出現(xiàn)了40Hz和60Hz 2個(gè)能量比較集中的頻率。同時(shí)也可以看到泵Z方向的激勵(lì)能量比較大，加速度的幅值達(dá)到了3.5g/Hz以上。結(jié)合圖7可以明顯看到臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)以及泵組工作過(guò)程中對(duì)測(cè)點(diǎn)9的激勵(lì)。特別是泵組的激勵(lì)對(duì)車架的影響更明顯，在發(fā)動(dòng)機(jī)高頻處對(duì)車架的激勵(lì)比較大，大部分能量集中在150～250Hz。

同理，對(duì)測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)5進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)以及泵組工作激勵(lì)如前述一致。它們對(duì)車架的振動(dòng)影響也可以明顯得到，即泵組60Hz以及發(fā)動(dòng)機(jī)高頻的一個(gè)激勵(lì)。與測(cè)點(diǎn)9相比，由于測(cè)點(diǎn)5與測(cè)點(diǎn)7比測(cè)點(diǎn)9更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)位置,車架受發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的影響增加，受到發(fā)動(dòng)機(jī)的影響更復(fù)雜。

4.2 大扭矩工況

圖8是在大扭矩工況下測(cè)點(diǎn)9的振動(dòng)響應(yīng)特性。從圖8中可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)頻在35Hz左右，即發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2100r/min左右。此工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率在105Hz，泵組的激勵(lì)頻率在60Hz左右。相對(duì)于大排量工況，該工況下泵組的振動(dòng)能量相對(duì)較小。從車架的振動(dòng)響應(yīng)看，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的影響比較大，但發(fā)動(dòng)機(jī)高頻的影響與大排量工況相比，明顯降低。

圖8 右側(cè)大扭矩工況下測(cè)點(diǎn)9的加速度頻域曲線

圖9 右側(cè)大扭矩工況下測(cè)點(diǎn)7的加速度頻域曲線

測(cè)點(diǎn)7比測(cè)點(diǎn)9更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，從圖9中可以看到，車架受到發(fā)動(dòng)機(jī)的影響明顯，特別是在150～250Hz范圍內(nèi)的響應(yīng)甚至比大排量工況下還大一些。同理，對(duì)測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)2進(jìn)行右側(cè)大扭矩工況下的加速度頻域分析，由于測(cè)點(diǎn)5離發(fā)動(dòng)機(jī)振源更近，其受到的振動(dòng)激勵(lì)更復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)的多階振動(dòng)均對(duì)車架造成了影響，而且頻率的影響范圍也比較寬。這在一定程度上給車架的設(shè)計(jì)造成了困難，也需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行有效避免。通過(guò)測(cè)點(diǎn)2的振動(dòng)特性分析知道,車架受到發(fā)動(dòng)機(jī)的影響比較大，特別是在150～250Hz范圍內(nèi),但發(fā)動(dòng)機(jī)高頻激勵(lì)的影響相對(duì)于前面的工況較小。

從上述的測(cè)試結(jié)果可以看到，車架在發(fā)動(dòng)機(jī)以及泵組工作過(guò)程中均受到了一定程度的影響，即在激勵(lì)源下對(duì)車架均有不同程度的激勵(lì)。相比較而言，在大排量工況下，激勵(lì)的影響較大扭矩下大一些。同時(shí)也可以看到，泵組在大排量下產(chǎn)生了比大扭矩工況下更多的振動(dòng)能量。

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的各階次激勵(lì)也對(duì)車架的振動(dòng)造成了一定的影響，特別是在150～250Hz范圍內(nèi)的激勵(lì)頻率。從車架的約束模態(tài)看，車架的低階頻率均比較小，遠(yuǎn)小于這個(gè)范圍，因此其在一定程度上受到的振動(dòng)影響較小。但在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的轉(zhuǎn)頻范圍內(nèi)，有一定的車架約束模態(tài)分布，因此需要更好地進(jìn)行車架設(shè)計(jì)，使得在低階的激勵(lì)源下，其振動(dòng)響應(yīng)較小，或者使得設(shè)計(jì)的車架模態(tài)雖然與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)頻較近，但還是要有一定的頻率間隔。

5 結(jié)論

1)針對(duì)某型固井車車架進(jìn)行了自由和約束模態(tài)下的固有頻率的仿真研究，獲得了前10階頻率分布情況及振型特征，為類似車架的振動(dòng)特性分析以及車架的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2)通過(guò)模態(tài)仿真結(jié)果得到的振型特征、共振頻率和位移，同時(shí)結(jié)合車輛固井工作狀態(tài)的振源情況進(jìn)行布點(diǎn)，設(shè)計(jì)了5種典型固井工況并進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，對(duì)右側(cè)大排量及大扭矩下的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。

3)典型測(cè)點(diǎn)的時(shí)域和頻域分析結(jié)果表明，該車架部分頻率在發(fā)動(dòng)機(jī)——聯(lián)合激勵(lì)的范圍之內(nèi)，但其頻率間的間隔較好，受到的振動(dòng)影響較??；在大排量工況下，車架的振動(dòng)比大扭矩工況下大。