鄭松柏

摘要：壓裂是進(jìn)行地層改造的重要技術(shù)手段，隨著石油天然氣開(kāi)發(fā)工況的不斷變化，壓裂車(chē)組逐步向著高壓力、大排量、高功率和自動(dòng)化的方向發(fā)展。然而在壓裂施工過(guò)程中壓裂設(shè)備的振動(dòng)促使各零部件使用壽命逐步降低，應(yīng)力疲勞使得壓裂設(shè)備存在一定的安全隱患。本文主要通過(guò)壓裂車(chē)振動(dòng)控制進(jìn)行研究，進(jìn)一步減小壓裂車(chē)的振動(dòng)，延長(zhǎng)壓裂車(chē)各零部件的使用壽命，保障壓裂施工過(guò)程中的安全。

關(guān)鍵詞：壓裂車(chē) 高壓力 大排量 高功率 振動(dòng) 壽命

一、壓裂車(chē)振動(dòng)研究項(xiàng)目

壓裂車(chē)是一種石油行業(yè)特種作業(yè)設(shè)備，其是石油裝備與汽車(chē)的高度結(jié)合。為了研究壓裂車(chē)這個(gè)多自由度由質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣組成的振動(dòng)系統(tǒng)需要依靠對(duì)多個(gè)子系統(tǒng)的了解和熟悉。關(guān)于壓裂車(chē)的振動(dòng)問(wèn)題，我們主要對(duì)其懸架、制動(dòng)、專向等一系列子系統(tǒng)進(jìn)行研究。再比如壓裂車(chē)車(chē)身的側(cè)傾及垂直振動(dòng)，縱身角度振動(dòng)等。另外，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)對(duì)車(chē)輛的振動(dòng)與人體振動(dòng)系統(tǒng)相互作用進(jìn)行研究。對(duì)于壓裂車(chē)而言，振動(dòng)的危害主要是對(duì)其設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的影響，例如零件的使用壽命等，對(duì)于操作人員來(lái)說(shuō)，振動(dòng)主要影響其舒適感和使用安全。

二、振動(dòng)控制研究現(xiàn)狀

（1）動(dòng)力吸振器的振動(dòng)控制研究

動(dòng)力吸振器的原理是利用設(shè)計(jì)的共振系統(tǒng)吸收被控制對(duì)象的振動(dòng)能量，從而削弱被控制對(duì)象的振動(dòng)幅度。動(dòng)力吸振器模型主要是以單頻激發(fā)、無(wú)阻尼為主。動(dòng)力吸振器分為被動(dòng)式動(dòng)力吸振器、半主動(dòng)式動(dòng)力吸振器、主動(dòng)式動(dòng)力吸振器。這主要是根據(jù)是否需要外部能量輸入來(lái)進(jìn)行區(qū)分的。在幾種模式中，被動(dòng)式的制造成本低，性能穩(wěn)定，應(yīng)用也相對(duì)廣泛。

（2）隔振器的振動(dòng)控制研究

隔振技術(shù)是通過(guò)改變連接方式，將被保護(hù)對(duì)象和振動(dòng)源隔離開(kāi)，將傳遞到被保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)衰減到允許的范圍內(nèi)。[1]目前常見(jiàn)的隔振器有彈簧隔振器、橡膠隔振器及液壓隔振器，由于橡膠材料的大變形、易加工以及非線性等諸多的優(yōu)點(diǎn)，橡膠材料在隔振器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在汽車(chē)行業(yè)，橡膠隔振器得到了廣泛的應(yīng)用，常用的橡膠隔振器有壓縮型、剪切型及復(fù)合型。

（3）消振的振動(dòng)控制研究

消振即從常見(jiàn)的振源入手（如泵、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)等），通過(guò)削弱振源產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)，從而從根本上進(jìn)行振動(dòng)控制，是解決振動(dòng)問(wèn)題的最根本也是最有效的手段。[1]

三、壓裂車(chē)振動(dòng)分析

3.1壓裂車(chē)模型簡(jiǎn)化過(guò)程

壓裂車(chē)主要是由車(chē)架、車(chē)頭、動(dòng)力系統(tǒng)、水箱、壓裂系統(tǒng)幾個(gè)單元組成。要進(jìn)行壓裂車(chē)振動(dòng)分析，我們主要利用簡(jiǎn)化分析方法，對(duì)壓裂車(chē)進(jìn)行簡(jiǎn)化。其中結(jié)合壓裂車(chē)車(chē)頭、動(dòng)力系統(tǒng)、水箱及壓裂泵的安裝形式，我們發(fā)現(xiàn)壓力泵是引發(fā)振動(dòng)的重要原因，壓力泵的振動(dòng)通過(guò)車(chē)架傳遞給其他組成部件。因此對(duì)車(chē)架和壓裂泵的研究尤為重要，在簡(jiǎn)化過(guò)程中將車(chē)頭、動(dòng)力系統(tǒng)、水箱和壓裂泵簡(jiǎn)化為均勻質(zhì)量的長(zhǎng)方體，所有結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)中心與實(shí)物的重合。[2]

（1）前輪簡(jiǎn)化

鋼板彈黃分別通過(guò)前后兩個(gè)吊耳與主梁相連接。鋼板彈黃與主車(chē)架前端支架構(gòu)成穩(wěn)定的的較鏈連接，與后端支架構(gòu)成擺動(dòng)形式的較鏈連接。對(duì)前輪的簡(jiǎn)化在模擬過(guò)程中采用彈簧單元與剛性梁?jiǎn)卧慕M合模式，并且在剛性梁的中間施加了一定的約束力。

（2）后輪簡(jiǎn)化

后懸架主要采用螺栓與車(chē)架底部進(jìn)行連接，且后懸架主要位于雙后橋的中間部分，通過(guò)這樣的連接進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)力的相互傳遞。

（3）車(chē)架簡(jiǎn)化

主車(chē)架和副車(chē)架為薄鋼板，簡(jiǎn)化成均勻殼單元，方便建立模型。通過(guò)以上簡(jiǎn)化，建立的壓裂車(chē)壓裂車(chē)的模型。

3.2壓裂泵與車(chē)架么間固結(jié)分析

通過(guò)對(duì)壓力泵與車(chē)架間固時(shí)振動(dòng)分析得到以下結(jié)論：

一階模態(tài)主要呈現(xiàn)左右偏轉(zhuǎn)的狀態(tài)，且振動(dòng)頻率較低，其主要是在汽車(chē)行駛在不平公路上時(shí)會(huì)發(fā)生此類振動(dòng)。

二階模態(tài)主要是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)部分振動(dòng)，該類振動(dòng)呈現(xiàn)左右偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，其主要是車(chē)頭引發(fā)的振動(dòng)，該類振動(dòng)對(duì)壓裂泵的激發(fā)不敏感。

三階模態(tài)主要是壓裂泵的左右偏轉(zhuǎn)，振動(dòng)的方向是與柱塞運(yùn)動(dòng)相同的，且實(shí)際壓裂過(guò)程中的振動(dòng)位移也是保持一致的。并且三階模態(tài)下的壓裂車(chē)振動(dòng)方向及頻率與作業(yè)過(guò)程中的振動(dòng)頻率一致，這樣的一致極有可能導(dǎo)致共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

對(duì)于四階、五階的模態(tài)則均為壓裂車(chē)車(chē)架部分的振動(dòng)，其振動(dòng)方向主要垂直于地面，這與壓裂泵振動(dòng)的激發(fā)方式不同，一般不會(huì)產(chǎn)生較大的振幅。

3.3壓裂泵與車(chē)架之間加彈簧時(shí)分析

我們都知道壓裂車(chē)的振動(dòng)主要是壓裂作業(yè)中不平很質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)引起的。在壓裂泵與車(chē)架之間增加阻振器或者橡膠墊來(lái)減小振動(dòng)。我們把這種方式簡(jiǎn)化為壓裂泵與車(chē)架加彈簧的模式，將原有的固結(jié)模式改變?yōu)閱屋S彈簧即可。

彈簧固結(jié)模式下，一階模態(tài)在整體表現(xiàn)上為左右偏轉(zhuǎn)，但是振動(dòng)頻率與固結(jié)時(shí)。該振動(dòng)多發(fā)于汽車(chē)行駛在不平公路表面時(shí)。

對(duì)于二階三階模態(tài)，在增加彈簧后，以壓裂泵振動(dòng)為主，振動(dòng)方向與柱塞運(yùn)動(dòng)方向一致，三階模態(tài)下容易出現(xiàn)共振。對(duì)于四階和六階以后多為車(chē)架部分振動(dòng)，其振動(dòng)方向垂直于地面，該模態(tài)寫(xiě)不會(huì)產(chǎn)生加大振幅。五階為壓裂車(chē)車(chē)頭驅(qū)動(dòng)部分振動(dòng)，主要是車(chē)頭的振動(dòng)，對(duì)壓裂泵的激發(fā)振動(dòng)不敏感。

四、振動(dòng)異常原因分析及改進(jìn)措施

引起整車(chē)振動(dòng)異常的原因主要有：

（1）三缸泵在車(chē)架后端，處于懸置位置，加重了整車(chē)的橫擺及搖頭;

（2）風(fēng)扇的高度過(guò)高，增加整車(chē)的重心高度，降低了整車(chē)抵抗振動(dòng)干擾的穩(wěn)定性，加重了整車(chē)的側(cè)滾及橫擺;

（3）輪胎的承載主要為豎向承載，其橫向剛度相比豎向的剛度要小很多，且三缸泵在作業(yè)工況時(shí)產(chǎn)生巨大的橫向沖擊，加重了整車(chē)的搖頭及橫擺;

（4）三缸泵的主要工作檔位產(chǎn)生的激振頻率和壓裂泵車(chē)車(chē)架的二階模態(tài)相接近，引起車(chē)架共振，加劇車(chē)架的橫向振動(dòng)。

針對(duì)分析可能導(dǎo)致壓裂泵車(chē)作業(yè)工況振動(dòng)的幾種因素，本文對(duì)壓裂泵車(chē)的整車(chē)結(jié)構(gòu)提出了以下幾種改進(jìn)措施：

（1）將三缸泵前移一段距離（縮短傳動(dòng)軸的距離實(shí)現(xiàn)）;

（2）將風(fēng)扇高度降低，并增加風(fēng)扇支架的橫向剛度;

（3）將整車(chē)剛性支撐，提高整車(chē)固有頻率，避免輪胎橫向剛度不足導(dǎo)致的整車(chē)劇烈的搖頭及橫擺振動(dòng)。

總結(jié)

本論文圍繞壓裂車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作條件等，對(duì)壓裂車(chē)進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，通過(guò)簡(jiǎn)化手段為后續(xù)振動(dòng)研究做好基礎(chǔ)。結(jié)合簡(jiǎn)化模型分別對(duì)壓裂泵與車(chē)架固結(jié)模式與壓裂泵與車(chē)架彈簧連接模式的振動(dòng)進(jìn)行分析，得出各階模態(tài)下的振動(dòng)類型。最后對(duì)壓裂車(chē)振動(dòng)異常原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并提出了部分改善措施。參考文獻(xiàn)

[1]姚勇政.多自由度動(dòng)力吸振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2011.

[2]趙建文.空氣彈簧在光學(xué)平臺(tái)隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)， 2006.

[3]孫現(xiàn)東.大型往復(fù)壓縮機(jī)彈性基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及分析[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2006.