HSC360混砂車的液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

李宣　孫奉道　王闊

摘 要：對混砂車的攪拌液壓系統(tǒng)和風扇冷卻的液壓系統(tǒng)進行了設(shè)計，并在原理和控制方式方面進行了優(yōu)化，獲得了節(jié)能效果，從而為試制提供了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：混砂車；風扇冷卻系統(tǒng)；螺旋輸砂系統(tǒng)；攪拌系統(tǒng)

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(yè)，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(yè)。HSC360混砂車主要包括裝載底盤、動力系統(tǒng)、低壓管匯系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和混合罐等。本文對風扇冷卻的液壓系統(tǒng)和攪拌液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，以期對其試制和調(diào)試起到一定的指導作用。

1 風扇冷卻液壓系統(tǒng)的優(yōu)化

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

1.1 原理方面的優(yōu)化

在設(shè)計風扇冷卻系統(tǒng)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(jié)溫器控制。但在現(xiàn)場試制時發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)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(tǒng)進行了優(yōu)化，采用恒壓泵作為動力源，利用比例節(jié)流閥和壓力補償器控制風扇馬達的轉(zhuǎn)速。優(yōu)化后液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 控制方式的優(yōu)化

風扇冷卻采用自動化控制，控制框如圖2所示?；焐败嚬ぷ鲿r，液壓系統(tǒng)的油溫傳感器和發(fā)動機的油溫傳感器會發(fā)送訊息至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)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(zhuǎn)速。當傳感器的溫度上升至一定數(shù)值時，控制系統(tǒng)會加快冷卻風扇的轉(zhuǎn)速；當傳感器的溫度上升至設(shè)計下限值時，控制系統(tǒng)會減慢冷卻風扇的轉(zhuǎn)速，從而保持冷熱平衡。

2 攪拌液壓系統(tǒng)的優(yōu)化和數(shù)據(jù)分析

攪拌系統(tǒng)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(tài)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(tài)，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(tǒng)的優(yōu)化

通過上述分析，可進行如下優(yōu)化。

2.1.1 將恒壓變量泵換為負載傳感變量泵

優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)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(tǒng)要求控制輸出流量、保持壓力隨負載而變化，即保證比例節(jié)流閥前、后兩端的壓差恒定，并對比例節(jié)流閥起到壓力補償?shù)淖饔茫瑥亩岣邤嚢柘到y(tǒng)的控制精度，縮短攪拌液壓泵長期處于高壓狀態(tài)的時間，延長攪拌系統(tǒng)的使用壽命。

2.1.2 采用新的控制方式和用PID校正

優(yōu)化后攪拌液壓系統(tǒng)的控制過程為：控制系統(tǒng)輸出電流控制信號給比例流量閥的電磁鐵，從而調(diào)節(jié)比例流量閥的輸出流量、控制攪拌馬達的轉(zhuǎn)動。在攪拌馬達運行時，轉(zhuǎn)速傳感器會將馬達的轉(zhuǎn)速反饋回系統(tǒng)，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)的模型采用PID，可糾正系統(tǒng)誤差。此外，系統(tǒng)根據(jù)壓裂基液的輸入量、輸砂量來調(diào)節(jié)控制信號的輸入。調(diào)試現(xiàn)場攪拌馬達轉(zhuǎn)速采樣曲線如圖3所示。

2.2 攪拌液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析

混砂車安裝完成后，采集了攪拌系統(tǒng)的泵出口壓力和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。攪拌泵出口的壓力值如表1所示（優(yōu)化前的數(shù)據(jù)。

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

3 結(jié)束語

綜上所述，對混砂車的風扇冷卻液壓系統(tǒng)進行了改進，并對控制方式進行了優(yōu)化設(shè)計，延長了液壓系統(tǒng)的壽命，并起到了節(jié)能效果；對混砂車的攪拌液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，并將優(yōu)化后的方案應用到了實際調(diào)試生產(chǎn)中，起到了一定的參考意義。

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〔編輯：張思楠〕