HSC360混砂車的液壓系統優化設計

李宣　孫奉道　王闊

摘 要：對混砂車的攪拌液壓系統和風扇冷卻的液壓系統進行了設計，并在原理和控制方式方面進行了優化，獲得了節能效果，從而為試制提供了參考和依據。

關鍵詞：混砂車；風扇冷卻系統；螺旋輸砂系統；攪拌系統

中圖分類號：TP391.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.090

HSC360型混砂車主要應用于大、中型油氣井煤層氣、石油和頁巖氣的壓力作業，并按一定比例混合支撐劑，通過低壓管匯輸送給壓裂車，從而開展壓裂施工作業。HSC360混砂車主要包括裝載底盤、動力系統、低壓管匯系統、液壓系統和混合罐等。本文對風扇冷卻的液壓系統和攪拌液壓系統進行了優化設計，以期對其試制和調試起到一定的指導作用。

1 風扇冷卻液壓系統的優化

液壓系統可為混砂車提供動力，主要包括吸入/排出泵系統、攪拌系統、螺旋輸砂系統、風扇冷卻系統、綜合泵系統等。風扇冷卻系統采用小流量的定量泵驅動風扇工作。攪拌系統通過恒壓變量柱塞泵驅動低速大扭矩馬達動作。該系統設有轉速傳感器，通過控制比例流量閥，可達到無級調節攪拌馬達速度的效果。

1.1 原理方面的優化

在設計風扇冷卻系統的初期，計算液壓泵需要的流量小、功率低，主泵選擇定量泵，并采用低速、高速兩種工作模式，混砂車的兩個冷卻部分通過節溫器控制。但在現場試制時發現，在混砂車長時間工作后，風扇的阻力會變大，進而使消耗功率增大，且伴隨有巨大的噪聲；在兩種工作模式的切換過程中，對液壓馬達和機械結構的沖擊過大，縮短了液壓馬達和風扇的使用壽命。因此，對液壓系統進行了優化，采用恒壓泵作為動力源，利用比例節流閥和壓力補償器控制風扇馬達的轉速。優化后液壓系統的結構如圖1所示。

1.2 控制方式的優化

風扇冷卻采用自動化控制，控制框如圖2所示。混砂車工作時，液壓系統的油溫傳感器和發動機的油溫傳感器會發送訊息至控制系統，控制系統會比較、判斷油溫，并輸出相對應的電壓值控制比例流量閥，從而控制冷卻風扇馬達的轉速。當傳感器的溫度上升至一定數值時，控制系統會加快冷卻風扇的轉速；當傳感器的溫度上升至設計下限值時，控制系統會減慢冷卻風扇的轉速，從而保持冷熱平衡。

2 攪拌液壓系統的優化和數據分析

攪拌系統的液壓泵為恒壓變量泵，其壓力是恒定的，但在不同工作狀態下，馬達的負載是不同的，進而造成比例流量閥兩端壓差的變化，影響了控制精度；變量泵始終處于高壓狀態，這樣不僅浪費能源，還會縮短液壓泵的使用壽命。

2.1 攪拌液壓系統的優化

通過上述分析，可進行如下優化。

2.1.1 將恒壓變量泵換為負載傳感變量泵

優化后的液壓系統工作原理如圖1所示。在圖1中，負載傳感變量泵可按照系統要求控制輸出流量、保持壓力隨負載而變化，即保證比例節流閥前、后兩端的壓差恒定，并對比例節流閥起到壓力補償的作用，從而提高攪拌系統的控制精度，縮短攪拌液壓泵長期處于高壓狀態的時間，延長攪拌系統的使用壽命。

2.1.2 采用新的控制方式和用PID校正

優化后攪拌液壓系統的控制過程為：控制系統輸出電流控制信號給比例流量閥的電磁鐵，從而調節比例流量閥的輸出流量、控制攪拌馬達的轉動。在攪拌馬達運行時，轉速傳感器會將馬達的轉速反饋回系統，從而形成閉環控制系統。液壓控制系統的模型采用PID，可糾正系統誤差。此外，系統根據壓裂基液的輸入量、輸砂量來調節控制信號的輸入。調試現場攪拌馬達轉速采樣曲線如圖3所示。

2.2 攪拌液壓系統的數據分析

混砂車安裝完成后，采集了攪拌系統的泵出口壓力和轉速等數據。攪拌泵出口的壓力值如表1所示（優化前的數據。

對比攪拌系統泵出口的壓力和轉速可發現：①在圖3中，優化后的攪拌液壓系統的轉速和輸入控制信號成線性，且優化后的PID調節和控制可滿足精度要求。②在表1中，優化后的攪拌液壓系統的輸入壓力隨負載而變化。當攪拌系統不工作、輕載工作時，液壓泵處于低壓狀態，相比于優化前的恒壓泵而言，大大降低了損耗和沖擊的程度。

3 結束語

綜上所述，對混砂車的風扇冷卻液壓系統進行了改進，并對控制方式進行了優化設計，延長了液壓系統的壽命，并起到了節能效果；對混砂車的攪拌液壓系統進行了優化設計，并將優化后的方案應用到了實際調試生產中，起到了一定的參考意義。

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〔編輯：張思楠〕