石油压裂车作业工况振动建模与控制研究

发布时间：2017-07-16 23:20

  本文关键词：石油压裂车作业工况振动建模与控制研究

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【摘要】：随着页岩气田开采技术的飞速发展,压裂技术作为一项常规的油气田增产技术得到广泛的关注。压裂作业是一项高压高负荷的野外作业,需要有专门的作业设备作为助力,其中首要的设备即专用的压裂车组。在国外,尤其北美地区,压裂设备的研发与制造开始的较早。而国内,压裂工艺与设备制造技术也在近些年得到了飞速发展。压裂车组中的核心设备是压裂车,往往是由上装工作设备安装在二类底盘卡车上组合而成。压裂车是一种重要的工程车辆,往往体积庞大,如本文中选用的2500型压裂车,其整车质量达到了40吨以上。压裂车的工作环境往往非常恶劣,并且其自身的高负荷作业也容易对工程一线的作业人员甚至周围的居民及建筑造成不利的影响。因此,本文将选取压裂车在作业工况下的振动情况作为主要研究的内容,分析其在作业工况下的振动特点,找出影响压裂车振动的主要诱因,并针对这些因素提出减小压裂车振动的方法,以期可对压裂车的减振设计起到一定的指导意义。本文中选用的研究对象为目前应用的较为广泛的2500型压裂车。压裂车在作业工况下,振动主要来自于车台上装的柴油发动机与压裂泵。分析其匹配原理可以发现,振动激励主要来自于其自身的运动对机体产生的激振力,在MATLAB/Simulink中分别搭建发动机与压裂泵的运动学与动力学分析模型,以分析各自主要的激励频率特征,作为后续研究的理论支撑。根据集中参数法的理论,分别建立发动机悬置系统与压裂泵隔振系统的数学振动模型及台上设备与整车耦合的振动模型。基于这些模型,可以得到两个振动系统在6个自由度上的固有特性及振动能量耦合情况,并对比与整车耦合前后其固有频率变化的情况。由于发动机与压裂泵的激励在作业中变化十分复杂,所以不对激励特征依赖过多的解耦优化理论,近年来多被用在悬置系统的优化方面的研究。根据解耦优化理论及线性规划理论中的多目标到达法,从在符合工程实际的基础上可以最大程度上能量解耦的角度,分别取各个振动系统的解耦率作为优化目标函数,通过改变悬置元件的结构与物理参数,达到改变隔振效果的目的。结果表明,优化隔振系统各个自由度的解耦率具有改善隔振性能的作用。
【关键词】：石油压裂车 振动建模 线性规划 解耦率优化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.6
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题来源及研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状与分析10-15
• 1.2.1 压裂车研究与发展现状10-11
• 1.2.2 振动建模分析研究现状11-13
• 1.2.3 振动控制理论与隔振元件国内外研究现状13-15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第2章 压裂车作业工况振动激励与参数配置17-30
• 2.1 压裂泵参数匹配与激励分析17-23
• 2.1.1 压裂泵结构与参数17-19
• 2.1.2 压裂泵振动激励分析19-23
• 2.2 动力总成结构与参数匹配23-28
• 2.2.1 发动机结构与参数配置23-28
• 2.2.2 液力传动箱参数配置28
• 2.3 底盘卡车参数配置28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 压裂车振动模型建立与固有特性分析30-54
• 3.1 发动机悬置系统振动模型31-38
• 3.1.1 橡胶悬置元件力学模型31-33
• 3.1.2 发动机悬置元件布置方式33-35
• 3.1.3 发动机悬置系统振动模型35-38
• 3.2 压裂泵隔振系统振动模型38-41
• 3.2.1 压裂泵隔振器布置方式38
• 3.2.2 压裂泵隔振系统振动模型38-41
• 3.3 压裂车耦合振动模型41-47
• 3.3.1 耦合前底盘车振动方程42-44
• 3.3.2 压裂车耦合振动方程44-47
• 3.4 振动系统固有特性分析与解耦理论47-53
• 3.4.1 振动分析与解耦分析理论47-48
• 3.4.2 台上设备固有特性与解耦率分析48-51
• 3.4.3 整车模型固有特性分析与耦合前后解耦率对比51-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第4章 台上动力系统隔振系统优化54-66
• 4.1 隔振系统优化原则54-57
• 4.1.1 解耦优化原则54-55
• 4.1.2 固有频率对隔振性能的影响55-57
• 4.2 发动机悬置系统优化57-61
• 4.2.1 优化目标函数57-59
• 4.2.2 优化设计变量59
• 4.2.3 优化约束条件59-60
• 4.2.4 优化结果60-61
• 4.3 压裂泵隔振系统优化61-64
• 4.3.1 优化目标函数61-62
• 4.3.2 优化设计变量62-63
• 4.3.3 优化约束条件63
• 4.3.4 优化结果63-64
• 4.4 本章小结64-66
• 结论66-67
• 参考文献67-72
• 致谢72

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本文编号：551026