鄭松柏

摘要：壓裂是進行地層改造的重要技術手段，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備的振動促使各零部件使用壽命逐步降低，應力疲勞使得壓裂設備存在一定的安全隱患。本文主要通過壓裂車振動控制進行研究，進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)設備，其是石油裝備與汽車的高度結合。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)進行研究。再比如壓裂車車身的側傾及垂直振動，縱身角度振動等。另外，結合人機工程學對車輛的振動與人體振動系統(tǒng)相互作用進行研究。對于壓裂車而言，振動的危害主要是對其設備運轉的影響，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，應用也相對廣泛。

（2）隔振器的振動控制研究

隔振技術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域得到了廣泛的應用，尤其在汽車行業(yè)，橡膠隔振器得到了廣泛的應用，常用的橡膠隔振器有壓縮型、剪切型及復合型。

（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，對壓裂車進行簡化。其中結合壓裂車車頭、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，所有結構的質(zhì)心和轉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成穩(wěn)定的的較鏈連接，與后端支架構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分析

通過對壓力泵與車架間固時振動分析得到以下結論：

一階模態(tài)主要呈現(xiàn)左右偏轉的狀態(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，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，將原有的固結模式改變?yōu)閱屋S彈簧即可。

彈簧固結模式下，一階模態(tài)在整體表現(xiàn)上為左右偏轉，但是振動頻率與固結時。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構提出了以下幾種改進措施：

（1）將三缸泵前移一段距離（縮短傳動軸的距離實現(xiàn)）;

（2）將風扇高度降低，并增加風扇支架的橫向剛度;

（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致的整車劇烈的搖頭及橫擺振動。

總結

本論文圍繞壓裂車結構特點及工作條件等，對壓裂車進行了簡化分析，通過簡化手段為后續(xù)振動研究做好基礎。結合簡化模型分別對壓裂泵與車架固結模式與壓裂泵與車架彈簧連接模式的振動進行分析，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行了簡要分析，并提出了部分改善措施。參考文獻

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

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

[3]孫現(xiàn)東.大型往復壓縮機彈性基礎的設計及分析[D].青島：中國石油大學（華東），2006.