油田用下灰車簡介及其動(dòng)力裝置的匹配分析

馬程

摘 要：文章介紹了油田用下灰車的用途主要是用于運(yùn)送水泥、煤灰粉等，均為氣壓流化狀卸粉以及下灰車的下灰車的專業(yè)性能指標(biāo)：在卸料速變不低于1.3 t/min，剩料率不超過0.4%。動(dòng)力匹配方面，油田專用下灰車的動(dòng)力匹配時(shí)一般遵循以下基本原則：低速檔必須滿足車輛對牽引力的要求；高速檔要滿足車輛對速度的要求；保證傳動(dòng)系統(tǒng)始終在變矩器的高效區(qū)工作。汽車整車性能的好壞不僅僅取決于發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系各自單獨(dú)的性能，而是很大程度上取決于二者匹配效果如何。

關(guān)鍵詞：下灰車；動(dòng)力裝置；匹配

中圖分類號：TE933.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）23-0093-02

隨著我國社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，市場對專用汽車的需求越來越大，下灰車作為油田中重要的作業(yè)設(shè)備，企業(yè)不僅對其需求越來越大，而且對它的專用作業(yè)能力及技術(shù)指標(biāo)越來越重視。

1 下灰車簡介

1.1 下灰車的用途和工作方式

下灰車多用于油田固井施工，主要運(yùn)送水泥、煤灰粉等，為氣壓流化狀卸粉。其結(jié)構(gòu)由罐體、氣路系統(tǒng)、空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、底盤車等四部分組成。其罐體多為腰鼓形，橫截面為圓形。卸料時(shí)，要用空氣壓縮機(jī)向罐內(nèi)壓送6～8 Pa的空氣，使粉料呈懸浮狀態(tài)隨氣體流出。其工作原理是：發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)取力器、傳動(dòng)軸、皮帶輪至空壓機(jī)，空壓機(jī)內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)氣路系統(tǒng)被送入罐體下部的氣室，通過流化床的作用，將干水泥灰源源不斷地輸送到出灰管。當(dāng)罐內(nèi)壓力過高時(shí)，安全閥自動(dòng)打開，維持壓力平衡。

1.2 下灰車的技術(shù)性能指標(biāo)

下灰車的專業(yè)性能指標(biāo)有兩項(xiàng)：規(guī)定試驗(yàn)條件下的卸料速度和剩料率，還有一項(xiàng)雖未作為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，卻是用戶十分關(guān)心的問題，即物料輸送能力，常指輸送高度和輸送距離。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定卸料速變不低于1.3 t/min，剩料率不超過0.4%。

1.3 下灰車動(dòng)力裝置匹配的要求

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是下灰車的主要組成部分之一，它既為下灰車行走提供動(dòng)力，又要給其他機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。匹配時(shí)一般遵循以下基本原則：低速檔必須滿足車輛對牽引力的要求，高速檔要滿足車輛對速度的要求。

2 下灰車的選型

2.1 下灰車車型選擇

下灰車的車型選定主要是底盤的選定，它作為一種可移動(dòng)式油田井用設(shè)備必須具備車輛的行駛系統(tǒng)才可以達(dá)到移動(dòng)的目的。因此，選用一個(gè)好的底盤對于油田下灰車的應(yīng)用也是至關(guān)重要的。綜合考慮油田企業(yè)的使用習(xí)慣和保養(yǎng)成本等各方面因素，選擇某品牌的25 T底盤作為下灰車的運(yùn)載底盤，其總長為9 365 mm，軸距為4 450+1 450 mm，前/后懸為1 410/2 055 mm，接近/離去角為32/26。

2.2 下灰車發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率的確定

2.2.1 下灰車行駛阻力功率的計(jì)算

①根據(jù)最高車速確定行駛阻力功率。設(shè)計(jì)中，常先從保證汽車預(yù)期的最高車速來初步選擇發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有的功率。最高車速雖然僅是動(dòng)力性中的一個(gè)指標(biāo)，但它實(shí)質(zhì)上也反應(yīng)了汽車的加速能力與爬坡能力。若給出了期望的最高車速，選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)大體等于但不小于以最高車速行駛時(shí)行駛阻力功率之和，即：

■P=■■

②下灰車空氣阻力系數(shù)。本文所述車型為罐式車，汽車空氣阻力系數(shù)CD=0.716。

③滾動(dòng)阻力系數(shù)計(jì)算。滾動(dòng)阻力系數(shù)f可用公式

f=0.000056 uamax進(jìn)行計(jì)算，即f=0.01264。

④傳動(dòng)效率。下灰車設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)效率主要是個(gè)部分傳動(dòng)間的傳動(dòng)效率乘積。 總傳動(dòng)效率：？耷總=？耷T×？耷Z×？耷W，？耷T=90%；？耷Z=96%；？耷W=98%；即？耷總=0.847。故，發(fā)動(dòng)機(jī)功率（行駛所需）應(yīng)大體為：

■P=■■

=■■

=141.286 kW

2.2.2 下灰車空壓機(jī)功率的估算

按照下灰車的性能技術(shù)指標(biāo)要求：①卸料速度為：1.3 t/min，②工作壓力為：0.2 MPa，卸料速度為1.3 t/min=21.67 kg/s，即：

■=■=21.67 kg/s

工作壓力為：P=■=0.2 MPa

水泥灰粉的堆積密度為：？籽=1.2 t/m3

空壓機(jī)功率：

P工=F·v=F·■=P·S·■=2×105×■=36.117 kW

其中，P工為空壓機(jī)所需要的功率，kW；F為卸料時(shí)所需要的運(yùn)送力，N；S為輸送管道的橫截面積，m2；l為輸送管道的長度，m；t為卸料所用時(shí)間，min。根據(jù)選定，所進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)的下灰車選用的是某型無油擺式空壓機(jī)。額定工作壓力0.3 MPa，額定功率37 kW，排氣量7.5 m3/min。

2.2.3 下灰車所需功率

下灰車所需功率為車輛行駛所需的功率和空壓機(jī)所需功率之和。故車輛所需的總功率為：P=Pe+P壓=178.286 kW

2.2.4 下灰車柴油機(jī)選定

值得說明的是，在最終選定油田下灰車發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率時(shí)，除了要考慮滿足車輛本身的運(yùn)行及工作的需要之外，還需要考慮油田下灰車多為工作在條件艱苦，環(huán)境惡劣的野外井場環(huán)境。在這種情況下，下灰車會(huì)面對更艱苦的環(huán)境比如外接設(shè)備、拖拽等問題，在這些時(shí)候，油田下灰車就要求有更高的功率輸出來完成。因此，在進(jìn)行油田下灰車發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇的時(shí)候必須要有所考慮，以滿足油田下灰車井場工作的不時(shí)之需。

綜合考慮，下灰車選用某型柴油機(jī)，其額定功率為：

206 kW/280 hp@2 200 rpm，最大扭矩為1 160 N.m@1 630 rpm。

2.3 下灰車傳動(dòng)系備選方案

選擇了比較適合的傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行合理的匹配，能夠使下灰車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性發(fā)揮的更出色。

綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩等因素后可以滿足條件的有兩個(gè)品牌的3款變速箱。其中一個(gè)品牌為6擋箱，另一個(gè)品牌為9擋箱。多擋箱由于擋位多，整車會(huì)有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，且該9擋箱品牌的2款變速箱品牌通過技術(shù)引進(jìn)，有很好的市場使用評價(jià)。最終，確定該2款變速箱作為備選方案，即BSX-A和BSX-B。然后再通過動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算來選擇更適合的變速箱。

3 下灰車動(dòng)力裝置的匹配設(shè)計(jì)

3.1 下灰車動(dòng)力性計(jì)算

動(dòng)力性評價(jià)主要是計(jì)算出加速時(shí)間、最高車速、爬坡度、附著率等指標(biāo)參數(shù)，以便接下來進(jìn)行方案的選擇。

3.1.1 下灰車動(dòng)力裝置匹配的動(dòng)力性計(jì)算

①最高車速的計(jì)算。采用兩種變速箱時(shí)，車輛行駛在最高擋位的時(shí)具有最高車速分別為：

ua=■=■=89.32 km/h

ub=■=■=113.35 km/h

②最大爬坡度的計(jì)算。根據(jù)公式：

？琢=arcsin■、Ft=■、

Ft+Fw=G·f+■和i=tan？琢計(jì)算可得：

采用兩種變速箱時(shí)，車輛行駛在一擋時(shí)具有最大的爬坡度分別為：ia1=49.29%；ib1=37.87%。

采用兩種變速箱時(shí)，車輛行駛在最高檔時(shí)的爬坡度分別為：ia2=1.687%；ib2=0.8978%。

③附著率的計(jì)算。

下灰車為后輪驅(qū)動(dòng)，故：附著率C？漬=■；

采用兩種變速箱時(shí)，車輛附著率分別為：

C？漬a=0.7080；C？漬b=0.7080。

④車輛從起步加至80 km/h的時(shí)間計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，采用兩種變速箱時(shí)，下灰車從起步連續(xù)換擋加速至80 km/h的時(shí)間分別為：77.3488 s和100.482 s。

3.2 下灰車動(dòng)力裝置匹配的燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

在進(jìn)行下灰車的燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算時(shí)，主要是計(jì)算匹配兩種變速箱時(shí)最高擋和次高擋等速百公里油耗的指標(biāo)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線是表示發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)功率，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間關(guān)系的一簇曲線。值得說明的是：由于獲取參數(shù)的困難，在本文中所用到的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性是從參考資料上讀取的，并不是通過發(fā)動(dòng)機(jī)的臺架試驗(yàn)得到的，因此在使用時(shí)會(huì)存在誤差。

3.2.1 柴油機(jī)萬有特性曲線的擬合

在進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算時(shí)，需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線來計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的在某個(gè)扭矩和轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率。為了計(jì)算方便，需要將萬有特性曲線進(jìn)行擬合，但萬有特性曲線是三維曲線，直接擬和十分困難。所以，比較通用的方法是采用插值與最小二乘曲線擬和相結(jié)合的方法。燃油消耗率的擬合公式為：b=B0+B1Pe+B2P2e+B3P3e+B4P4e。由發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷曲線上的相應(yīng)數(shù)值，利用最小二乘法可以得到擬合式中系數(shù)。

3.2.2 下灰車最高擋和次高擋等速百公里油耗的計(jì)算方法

下灰車最高檔和次高檔的等速百公里油耗的計(jì)算方法是：先在某一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n下，求得汽車速度Ua，然后求出阻力功率P；同時(shí)，利用擬和公式的系數(shù)，插值得出該發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的對應(yīng)系數(shù)，代入擬和公式求得燃油消耗率b，再利用公式：

QS=■

求得該轉(zhuǎn)速下的百公里燃油消耗量，最后將各轉(zhuǎn)速下的百公里燃油消耗量連成曲線。取柴油密度為：0.84 kg/L。

3.2.3 下灰車動(dòng)力裝置匹配最高擋和次高擋等速百公里油耗

的計(jì)算

采用兩種變速箱時(shí)，最高擋以80 km/h行駛時(shí)的百公里油耗分別為16.96 L和15.99 L。次高擋以60 km/h行駛時(shí)的百公里油耗分別為17.4 L和15.47 L。

3.3 下灰車動(dòng)力裝置匹配各方案比較和匹配結(jié)果

選用BSX-A變速箱時(shí)最高擋為直接擋，機(jī)械效率高；而選用BSX-B變速箱時(shí)最高擋為超速擋，機(jī)械效率低。兩種方案中，整車在爬坡?lián)鯐r(shí)，爬坡度相差不多，但當(dāng)整車在最高擋工作時(shí)，選用BSX-A變速箱的爬坡度及加速性能都大大優(yōu)于選用BSX-B變速箱。在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，選用BSX-A變速箱由于機(jī)械效率高，在油耗方面也較低，在設(shè)計(jì)載重下，次高擋60 km/h行駛百公里耗油量少5.72%，最高擋80 km/h行駛百公里耗油量少11.09%。根據(jù)以上分析，最終確定整車動(dòng)力裝置匹配方案采用280馬力的某型發(fā)動(dòng)機(jī)匹配BSX-A變速箱。

4 結(jié) 語

本文重點(diǎn)進(jìn)行下灰車動(dòng)力裝置的匹配，經(jīng)過研究得知目前油田下灰車的動(dòng)力裝置匹配進(jìn)行的還不是很多，很多生產(chǎn)廠家主要是對車廠的地盤進(jìn)行工作平臺部分的改裝，并沒有對動(dòng)力裝置進(jìn)行合適的匹配。因此，進(jìn)行油田下灰車動(dòng)力裝置匹配是很有前景的。由于獲得發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱詳細(xì)的參數(shù)十分困難，本文只是進(jìn)行了油田下灰車動(dòng)力裝置匹配的簡單探索，掌握其中的方法。故在本文中只進(jìn)行了同一臺發(fā)動(dòng)機(jī)與兩臺不同變速箱的匹配，進(jìn)行了油田下灰車動(dòng)力裝置匹配的基本嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白鳳良.牽引車整車性能及動(dòng)力裝置匹配分析[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2005，（4）.