壓裂車振動研究及分析

鄭松柏

摘要：壓裂是進(jìn)行地層改造的重要技術(shù)手段，隨著石油天然氣開發(fā)工況的不斷變化，壓裂車組逐步向著高壓力、大排量、高功率和自動化的方向發(fā)展。然而在壓裂施工過程中壓裂設(shè)備的振動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。本文主要通過壓裂車振動控制進(jìn)行研究，進(jìn)一步減小壓裂車的振動，延長壓裂車各零部件的使用壽命，保障壓裂施工過程中的安全。

關(guān)鍵詞：壓裂車 高壓力 大排量 高功率 振動 壽命

一、壓裂車振動研究項目

壓裂車是一種石油行業(yè)特種作業(yè)設(shè)備，其是石油裝備與汽車的高度結(jié)合。為了研究壓裂車這個多自由度由質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣組成的振動系統(tǒng)需要依靠對多個子系統(tǒng)的了解和熟悉。關(guān)于壓裂車的振動問題，我們主要對其懸架、制動、專向等一系列子系統(tǒng)進(jìn)行研究。再比如壓裂車車身的側(cè)傾及垂直振動，縱身角度振動等。另外，結(jié)合人機工程學(xué)對車輛的振動與人體振動系統(tǒng)相互作用進(jìn)行研究。對于壓裂車而言，振動的危害主要是對其設(shè)備運轉(zhuǎn)的影響，例如零件的使用壽命等，對于操作人員來說，振動主要影響其舒適感和使用安全。

二、振動控制研究現(xiàn)狀

（1）動力吸振器的振動控制研究

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

（2）隔振器的振動控制研究

隔振技術(shù)是通過改變連接方式，將被保護對象和振動源隔離開，將傳遞到被保護對象的振動衰減到允許的范圍內(nèi)。[1]目前常見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，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）消振的振動控制研究

消振即從常見的振源入手（如泵、發(fā)動機、電機等），通過削弱振源產(chǎn)生的振動激勵，從而從根本上進(jìn)行振動控制，是解決振動問題的最根本也是最有效的手段。[1]

三、壓裂車振動分析

3.1壓裂車模型簡化過程

壓裂車主要是由車架、車頭、動力系統(tǒng)、水箱、壓裂系統(tǒng)幾個單元組成。要進(jìn)行壓裂車振動分析，我們主要利用簡化分析方法，對壓裂車進(jìn)行簡化。其中結(jié)合壓裂車車頭、動力系統(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)振動的重要原因，壓力泵的振動通過車架傳遞給其他組成部件。因此對車架和壓裂泵的研究尤為重要，在簡化過程中將車頭、動力系統(tǒng)、水箱和壓裂泵簡化為均勻質(zhì)量的長方體，所有結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和轉(zhuǎn)動中心與實物的重合。[2]

（1）前輪簡化

鋼板彈黃分別通過前后兩個吊耳與主梁相連接。鋼板彈黃與主車架前端支架構(gòu)成穩(wěn)定的的較鏈連接，與后端支架構(gòu)成擺動形式的較鏈連接。對前輪的簡化在模擬過程中采用彈簧單元與剛性梁單元的組合模式，并且在剛性梁的中間施加了一定的約束力。

（2）后輪簡化

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

（3）車架簡化

主車架和副車架為薄鋼板，簡化成均勻殼單元，方便建立模型。通過以上簡化，建立的壓裂車壓裂車的模型。

3.2壓裂泵與車架么間固結(jié)分析

通過對壓力泵與車架間固時振動分析得到以下結(jié)論：

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

二階模態(tài)主要是汽車驅(qū)動部分振動，該類振動呈現(xiàn)左右偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，其主要是車頭引發(fā)的振動，該類振動對壓裂泵的激發(fā)不敏感。

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

對于四階、五階的模態(tài)則均為壓裂車車架部分的振動，其振動方向主要垂直于地面，這與壓裂泵振動的激發(fā)方式不同，一般不會產(chǎn)生較大的振幅。

3.3壓裂泵與車架之間加彈簧時分析

我們都知道壓裂車的振動主要是壓裂作業(yè)中不平很質(zhì)量的運動引起的。在壓裂泵與車架之間增加阻振器或者橡膠墊來減小振動。我們把這種方式簡化為壓裂泵與車架加彈簧的模式，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)，但是振動頻率與固結(jié)時。該振動多發(fā)于汽車行駛在不平公路表面時。

對于二階三階模態(tài)，在增加彈簧后，以壓裂泵振動為主，振動方向與柱塞運動方向一致，三階模態(tài)下容易出現(xiàn)共振。對于四階和六階以后多為車架部分振動，其振動方向垂直于地面，該模態(tài)寫不會產(chǎn)生加大振幅。五階為壓裂車車頭驅(qū)動部分振動，主要是車頭的振動，對壓裂泵的激發(fā)振動不敏感。

四、振動異常原因分析及改進(jìn)措施

引起整車振動異常的原因主要有：

（1）三缸泵在車架后端，處于懸置位置，加重了整車的橫擺及搖頭;

（2）風(fēng)扇的高度過高，增加整車的重心高度，降低了整車抵抗振動干擾的穩(wěn)定性，加重了整車的側(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)工況時產(chǎn)生巨大的橫向沖擊，加重了整車的搖頭及橫擺;

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

針對分析可能導(dǎo)致壓裂泵車作業(yè)工況振動的幾種因素，本文對壓裂泵車的整車結(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（縮短傳動軸的距離實現(xiàn)）;

（2）將風(fēng)扇高度降低，并增加風(fēng)扇支架的橫向剛度;

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

總結(jié)

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

[1]姚勇政.多自由度動力吸振器的優(yōu)化設(shè)計[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)壓縮機彈性基礎(chǔ)的設(shè)計及分析[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2006.