压裂车振动研究及分析

郑松柏

摘要：压裂是进行地层改造的重要技术手段，随着石油天然气开发工况的不断变化，压裂车组逐步向着高压力、大排量、高功率和自动化的方向发展。然而在压裂施工过程中压裂设备的振动促使各零部件使用寿命逐步降低，应力疲劳使得压裂设备存在一定的安全隐患。本文主要通过压裂车振动控制进行研究，进一步减小压裂车的振动，延长压裂车各零部件的使用寿命，保障压裂施工过程中的安全。

关键词：压裂车 高压力 大排量 高功率 振动 寿命

一、压裂车振动研究项目

压裂车是一种石油行业特种作业设备，其是石油装备与汽车的高度结合。为了研究压裂车这个多自由度由质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵组成的振动系统需要依靠对多个子系统的了解和熟悉。关于压裂车的振动问题，我们主要对其悬架、制动、专向等一系列子系统进行研究。再比如压裂车车身的侧倾及垂直振动，纵身角度振动等。另外，结合人机工程学对车辆的振动与人体振动系统相互作用进行研究。对于压裂车而言，振动的危害主要是对其设备运转的影响，例如零件的使用寿命等，对于操作人员来说，振动主要影响其舒适感和使用安全。

二、振动控制研究现状

（1）动力吸振器的振动控制研究

动力吸振器的原理是利用设计的共振系统吸收被控制对象的振动能量，从而削弱被控制对象的振动幅度。动力吸振器模型主要是以单频激发、无阻尼为主。动力吸振器分为被动式动力吸振器、半主动式动力吸振器、主动式动力吸振器。这主要是根据是否需要外部能量输入来进行区分的。在几种模式中，被动式的制造成本低，性能稳定，应用也相对广泛。

（2）隔振器的振动控制研究

隔振技术是通过改变连接方式，将被保护对象和振动源隔离开，将传递到被保护对象的振动衰减到允许的范围内。[1]目前常见的隔振器有弹簧隔振器、橡胶隔振器及液压隔振器，由于橡胶材料的大变形、易加工以及非线性等诸多的优点，橡胶材料在隔振器领域得到了广泛的应用，尤其在汽车行业，橡胶隔振器得到了广泛的应用，常用的橡胶隔振器有压缩型、剪切型及复合型。

（3）消振的振动控制研究

消振即从常见的振源入手（如泵、发动机、电机等），通过削弱振源产生的振动激励，从而从根本上进行振动控制，是解决振动问题的最根本也是最有效的手段。[1]

三、压裂车振动分析

3.1压裂车模型简化过程

压裂车主要是由车架、车头、动力系统、水箱、压裂系统几个单元组成。要进行压裂车振动分析，我们主要利用简化分析方法，对压裂车进行简化。其中结合压裂车车头、动力系统、水箱及压裂泵的安装形式，我们发现压力泵是引发振动的重要原因，压力泵的振动通过车架传递给其他组成部件。因此对车架和压裂泵的研究尤为重要，在简化过程中将车头、动力系统、水箱和压裂泵简化为均匀质量的长方体，所有结构的质心和转动中心与实物的重合。[2]

（1）前轮简化

钢板弹黃分别通过前后两个吊耳与主梁相连接。钢板弹黃与主车架前端支架构成稳定的的较链连接，与后端支架构成摆动形式的较链连接。对前轮的简化在模拟过程中采用弹簧单元与刚性梁单元的组合模式，并且在刚性梁的中间施加了一定的约束力。

（2）后轮简化

后悬架主要采用螺栓与车架底部进行连接，且后悬架主要位于双后桥的中间部分，通过这样的连接进一步实现力的相互传递。

（3）车架简化

主车架和副车架为薄钢板，简化成均匀壳单元，方便建立模型。通过以上简化，建立的压裂车压裂车的模型。

3.2压裂泵与车架么间固结分析

通过对压力泵与车架间固时振动分析得到以下结论：

一阶模态主要呈现左右偏转的状态，且振动频率较低，其主要是在汽车行驶在不平公路上时会发生此类振动。

二阶模态主要是汽车驱动部分振动，该类振动呈现左右偏转状态，其主要是车头引发的振动，该类振动对压裂泵的激发不敏感。

三阶模态主要是压裂泵的左右偏转，振动的方向是与柱塞运动相同的，且实际压裂过程中的振动位移也是保持一致的。并且三阶模态下的压裂车振动方向及频率与作业过程中的振动频率一致，这样的一致极有可能导致共振现象的出现。

对于四阶、五阶的模态则均为压裂车车架部分的振动，其振动方向主要垂直于地面，这与压裂泵振动的激发方式不同，一般不会产生较大的振幅。

3.3压裂泵与车架之间加弹簧时分析

我们都知道压裂车的振动主要是压裂作业中不平很质量的运动引起的。在压裂泵与车架之间增加阻振器或者橡胶垫来减小振动。我们把这种方式简化为压裂泵与车架加弹簧的模式，将原有的固结模式改变为单轴弹簧即可。

弹簧固结模式下，一阶模态在整体表现上为左右偏转，但是振动频率与固结时。该振动多发于汽车行驶在不平公路表面时。

对于二阶三阶模态，在增加弹簧后，以压裂泵振动为主，振动方向与柱塞运动方向一致，三阶模态下容易出现共振。对于四阶和六阶以后多为车架部分振动，其振动方向垂直于地面，该模态写不会产生加大振幅。五阶为压裂车车头驱动部分振动，主要是车头的振动，对压裂泵的激发振动不敏感。

四、振动异常原因分析及改进措施

引起整车振动异常的原因主要有：

（1）三缸泵在车架后端，處于悬置位置，加重了整车的横摆及摇头;

（2）风扇的高度过高，增加整车的重心高度，降低了整车抵抗振动干扰的稳定性，加重了整车的侧滚及横摆;

（3）轮胎的承载主要为竖向承载，其横向刚度相比竖向的刚度要小很多，且三缸泵在作业工况时产生巨大的横向冲击，加重了整车的摇头及横摆;

（4）三缸泵的主要工作档位产生的激振频率和压裂泵车车架的二阶模态相接近，引起车架共振，加剧车架的横向振动。

针对分析可能导致压裂泵车作业工况振动的几种因素，本文对压裂泵车的整车结构提出了以下几种改进措施：

（1）将三缸泵前移一段距离（缩短传动轴的距离实现）;

（2）将风扇高度降低，并增加风扇支架的横向刚度;

（3）将整车刚性支撑，提高整车固有频率，避免轮胎横向刚度不足导致的整车剧烈的摇头及横摆振动。

总结

本论文围绕压裂车结构特点及工作条件等，对压裂车进行了简化分析，通过简化手段为后续振动研究做好基础。结合简化模型分别对压裂泵与车架固结模式与压裂泵与车架弹簧连接模式的振动进行分析，得出各阶模态下的振动类型。最后对压裂车振动异常原因进行了简要分析，并提出了部分改善措施。参考文献

[1]姚勇政.多自由度动力吸振器的优化设计[D].西安：西安建筑科技大学，2011.

[2]赵建文.空气弹簧在光学平台隔振系统中的应用研究[D].西安：西安电子科技大学， 2006.

[3]孙现东.大型往复压缩机弹性基础的设计及分析[D].青岛：中国石油大学（华东），2006.