邱宗斌

(川慶鉆探工程公司 長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，西安 710018)

壓裂車動(dòng)力系統(tǒng)隔振優(yōu)化研究

邱宗斌

(川慶鉆探工程公司 長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，西安 710018)

針對(duì)石油壓裂車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和壓裂泵等動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)問題，提出了一種隔振系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法。該方法的優(yōu)化目標(biāo)為提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和壓裂泵等動(dòng)力系統(tǒng)的解耦率，依據(jù)線性規(guī)劃理論方法中的多目標(biāo)到達(dá)法以及解耦優(yōu)化理論，并采用MATLAB自帶的fgoalattain函數(shù)來優(yōu)化隔振系統(tǒng)的參數(shù)，通過改變物理參數(shù)和懸置原件的結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的隔振效果。最后，通過時(shí)域仿真對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

壓裂車；隔振；解耦率；優(yōu)化

隨著石油開采技術(shù)的快速發(fā)展，石油增產(chǎn)的壓裂技術(shù)得到越來越廣泛的關(guān)注[1-2]。壓裂工作屬于高壓高負(fù)荷場(chǎng)景下的野外工作，需要配置專門的壓裂車組，一般情況下，壓裂車的工作環(huán)境十分惡劣，且工作的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，為滿足高壓高負(fù)荷場(chǎng)景下的野外工作需求，對(duì)壓裂車的性能也提出了較高的要求。而對(duì)壓裂車的發(fā)動(dòng)機(jī)和壓裂泵而言，不僅自身具有較大的質(zhì)量，且在進(jìn)行壓裂作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的激振，對(duì)壓裂作業(yè)的工作環(huán)境會(huì)產(chǎn)生極大的影響[3-6]。

針對(duì)壓裂車的發(fā)動(dòng)機(jī)和壓裂泵的振動(dòng)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也展開了一系列的研究，目前的研究主要集中在壓裂車振動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，文獻(xiàn)[7]利用Pro/E軟件建立了壓裂車三缸泵的三維實(shí)體模型，然后將多剛體的動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS進(jìn)行導(dǎo)入，建立了對(duì)應(yīng)的虛擬樣機(jī)模型；文獻(xiàn)[8]采用狀態(tài)空間法和集中參數(shù)法建立了平衡懸架、車臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)以及壓裂泵和車架的多體耦合動(dòng)力學(xué)模型，并利用MA TLAB/Simulink軟件對(duì)壓裂車在作業(yè)執(zhí)行過程中的剛度、轉(zhuǎn)速和阻尼等參數(shù)進(jìn)行了耦合振動(dòng)仿真分析。上述研究對(duì)壓裂車振動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有了一定的研究，如何優(yōu)化壓裂車的隔振系統(tǒng)卻研究較少。因此，本文從實(shí)際工程最大化能量解耦角度出發(fā)，結(jié)合多目標(biāo)到達(dá)法和解耦優(yōu)化理論，采用振動(dòng)系統(tǒng)的解耦率為隔振系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，通過更改懸置原件的物理參數(shù)和原件結(jié)構(gòu)來改善系統(tǒng)的隔振效果。

1 隔振優(yōu)化原則

壓裂車橡膠隔振器一般具有較低的固有頻率帶。在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)壓裂泵隔振系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)而言，難以實(shí)現(xiàn)兩者的完全解耦。因此，解耦優(yōu)化的對(duì)象主要專注于和系統(tǒng)激勵(lì)緊密相關(guān)的自由度上。目前常用的激勵(lì)慣性解耦理論主要包括能量解耦理論和打擊中心理論。然而在石油壓裂車工作場(chǎng)景下，由于有限的臺(tái)上空間而致使布置十分緊湊，具有較高的空間利用率，又因?yàn)榇驌糁行睦碚搶?duì)布置方式的空間大小要求極高，該方法不適用與石油壓裂車工作場(chǎng)景。故文中采用能量解耦法對(duì)系統(tǒng)的隔振進(jìn)行優(yōu)化。

能量解耦法中的能量解耦率是指從能量分布的視角求取不同階模態(tài)下每個(gè)坐標(biāo)占取的能量比例[9]。若系統(tǒng)在此階的振動(dòng)頻率時(shí)，振動(dòng)能量只分布于一自由度之下，則系統(tǒng)緊緊沿著次自由度進(jìn)行振動(dòng)，而和其他的自由度是解耦的。在多自由度系統(tǒng)下，不同自由度之間是存在相互耦合的關(guān)系的，而隔振系統(tǒng)的優(yōu)化也就是激勵(lì)作用下的不同自由度上的耦合振動(dòng)解耦。

對(duì)隔振系統(tǒng)的整體性能而言，可從振動(dòng)影響方面進(jìn)行考慮分析。根據(jù)振動(dòng)分析的基本理論，單自由度系統(tǒng)在振動(dòng)情況下的振動(dòng)周期為：

(1)

式中：ω是外部激勵(lì)作用下的頻率；ωn是系統(tǒng)固有的頻率；ξ是系統(tǒng)的阻尼比；λ是系統(tǒng)的頻率比。

當(dāng)壓裂車工作在負(fù)荷穩(wěn)定的情況下時(shí)，其對(duì)應(yīng)的激勵(lì)源主要為壓裂泵和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部不平衡的力矩和慣性力，以及因其結(jié)構(gòu)本身帶來的力矩波動(dòng)。振動(dòng)系統(tǒng)具有的共振分布即是由這些激勵(lì)的所有頻率所構(gòu)成，危險(xiǎn)的共振區(qū)是在進(jìn)行隔振優(yōu)化時(shí)重點(diǎn)所需要考慮的區(qū)域。因此，從頻率方面考慮可以將振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)源分為翻倒力矩激勵(lì)和慣性力激勵(lì)，兩者所對(duì)應(yīng)的頻率分別為：

翻倒力矩的激勵(lì)頻率

(2)

式中：f1是翻倒力矩的激勵(lì)頻率；n是壓裂泵和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；N是缸數(shù)；τ是沖擊的數(shù)量，壓裂泵沖擊數(shù)量取值為2，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊數(shù)量取值為4。

慣性力的激勵(lì)頻率

(3)

式中：f2是慣性力的激勵(lì)頻率；Q是不同階數(shù)下的激勵(lì)比例系數(shù)，一階激勵(lì)的取值Q=1，二階激勵(lì)的取值Q=2。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 目標(biāo)函數(shù)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)，其在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸坐標(biāo)系下的xyz方向具有較為理想的解耦率，而在θy和θx方向上具有較強(qiáng)的耦合程度，表明該方向上的發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的翻倒力矩較大，該自由度上的強(qiáng)耦合會(huì)很大程度上影響隔振系統(tǒng)的效果。因此將解耦率作為需要優(yōu)化的量。選取的優(yōu)化目標(biāo)如下：

(4)

式中：max(Tpi)是第i階數(shù)上的最大解耦率；βi是加權(quán)系數(shù)。

自由度上的不同需求可將加權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)調(diào)整加權(quán)系數(shù)的取值即可得到理想的優(yōu)化結(jié)果。采用MATLAB中的fgoalattain函數(shù)來解決該類優(yōu)化問題[10]，其對(duì)應(yīng)的分析流程如圖1所示。

圖1 MATLAB優(yōu)化流程

2.2 優(yōu)化約束條件

1) 解耦率和固有頻率值分配。對(duì)于解耦率的目標(biāo)取值方面，由于采用的懸置原件是橡膠懸置，因此希望優(yōu)化后的解耦率目標(biāo)取值至少能夠達(dá)到80%左右。對(duì)于固有頻率的分布，因?yàn)槲闹羞x取的發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為800～2 000r/min，則可以求出系統(tǒng)的工作頻率為93.3～266.7Hz。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)具有較寬的工作頻率，根據(jù)式(1)～(3)，發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率和翻側(cè)方向的頻率應(yīng)小于66Hz。

2) 懸置元件主軸剛度約束值。較低的主軸剛度會(huì)使振動(dòng)的幅度增大，而增大主軸剛度雖然能夠降低振動(dòng)的幅度，但是會(huì)使懸置原件振動(dòng)的傳遞率增大，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的隔振性能?？紤]到工藝問題，通常將壓減的剛度比值取3～8，該取值范圍能夠作為線性不等式的約束條件對(duì)，即剛度值和剛度比的約束。

2.3 優(yōu)化結(jié)果

在Matlab軟件中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，能夠獲取比較合理的懸置系統(tǒng)的主軸剛度，如表1所示。表中，U、V、W是發(fā)動(dòng)機(jī)懸置局部彈性主軸坐標(biāo)系。

表1 優(yōu)化后的懸置元件主軸剛度 N/mm

經(jīng)過優(yōu)化后的固有頻率以及對(duì)應(yīng)的解耦率分別如表2所示，其中，x、y、z是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸坐標(biāo)系，θx、θy、θz是繞x、y、z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系。

表2 優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)固有頻率和解耦率

根據(jù)優(yōu)化后的振動(dòng)特性可知，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的振動(dòng)分布能夠在一定程度上得到有效的改善，每個(gè)自由度上都能滿足其對(duì)應(yīng)的要求。耦合模型的固有頻率及其解耦率都能夠滿足要求。因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的剛度進(jìn)行優(yōu)化具有一定的意義。

3 壓裂泵隔振系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)壓裂泵系統(tǒng)而言，同樣的可選取優(yōu)化目標(biāo)如下：

(4)

式中：max(Tpi)是第i階數(shù)上的最大解耦率；αi是加權(quán)系數(shù)。

同樣的可根據(jù)自由度上的不同需求將加權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)地調(diào)整加權(quán)系數(shù)的取值即可得到理想的優(yōu)化結(jié)果。

3.2 優(yōu)化約束條件

1) 解耦率和固有頻率值分布。壓裂泵常用的工作沖次是100～300min-1，即可以求出對(duì)應(yīng)傾覆力矩的頻率為8.33～25Hz。因此，壓裂泵的側(cè)翻和豎直方向的固有頻率應(yīng)不大于5.9Hz，該條件即可作為優(yōu)化的約束條件。解耦率的約束條件同上述分析的發(fā)動(dòng)機(jī)解耦率的約束條件是一致的。

2) 隔振系統(tǒng)主軸剛度的約束取值。同樣的將壓減的剛度比值取3～8，該值作為線性不等式的約束條件對(duì)剛度值和剛度比進(jìn)行約束。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

同理，在Matlab軟件中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，能夠獲取比較合理的橡膠隔振系統(tǒng)的主軸剛度，如表3所示，其中P、Q、R是壓裂泵隔振器局部彈性主軸坐標(biāo)系。

表3 優(yōu)化后的隔振元件主軸剛度 N/mm

隔振元件經(jīng)過優(yōu)化后的固有頻率以及對(duì)應(yīng)的解耦率分別如表4所示，其中x、y、z是壓裂泵曲軸坐標(biāo)系，θx、θy、θz是繞x、y、z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系。

表4 優(yōu)化后的隔振元件固有頻率和解耦率

同理，通過優(yōu)化之后，隔振元件系統(tǒng)的振動(dòng)分布能夠在一定程度上得到有效改善，每個(gè)自由度上都能滿足其對(duì)應(yīng)的要求。優(yōu)化后的隔振元件固有頻率及其解耦率都能夠滿足要求。因此對(duì)壓裂泵隔振元件系統(tǒng)的剛度進(jìn)行優(yōu)化也具有一定的意義。

4 結(jié)論

本文對(duì)石油壓裂車動(dòng)力系統(tǒng)隔振進(jìn)行了優(yōu)化研究，優(yōu)化的目標(biāo)為提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和壓裂泵的振動(dòng)解耦率，根據(jù)能量解耦理論和多目標(biāo)到達(dá)法，并采用MATLAB軟件中的fgoalattain函數(shù)來優(yōu)化隔振系統(tǒng)的參數(shù)。對(duì)隔振效果的優(yōu)化進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的有效性。

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Research on Vibration Isolation Optimization of Power System for Oil Fracturing Vehicle

QIU Zongbin

(Changqing Downhole Technical Service Company，CCDC，Xi'an 710018，China)

Aiming at the vibration problem of diesel engine and fracturing pump and other dynamic systems for oil fracturing vehicle，a parameter optimization method of vibration isolation system is proposed.The optimization goal of this method is to improve the decoupling rate of diesel engine and fracturing pump.According to the multi-objective arrival method and the decoupling optimization theory in the linear programming theory method，the fgoalattain function of MATLAB is used to optimize the parameters of the vibration isolation system，and the vibration isolation effect of the system is improved by changing the physical parameters and the structure of the originals.Finally，the optimization effect is verified by time domain simulation.

fracturing vehicle；vibration isolation；decoupling rate；optimization

1001-3482(2017)04-0065-04

2017-01-11

邱宗斌(1975-)，男，甘肅涇川人，工程師，主要從事油田工程服務(wù)、試油壓裂作業(yè)工作。

TE

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.016