油田用下灰車簡介及其動力裝置的匹配分析

馬程

摘 要：文章介紹了油田用下灰車的用途主要是用于運送水泥、煤灰粉等，均為氣壓流化狀卸粉以及下灰車的下灰車的專業(yè)性能指標(biāo)：在卸料速變不低于1.3 t/min，剩料率不超過0.4%。動力匹配方面，油田專用下灰車的動力匹配時一般遵循以下基本原則：低速檔必須滿足車輛對牽引力的要求；高速檔要滿足車輛對速度的要求；保證傳動系統(tǒng)始終在變矩器的高效區(qū)工作。汽車整車性能的好壞不僅僅取決于發(fā)動機和傳動系各自單獨的性能，而是很大程度上取決于二者匹配效果如何。

關(guān)鍵詞：下灰車；動力裝置；匹配

中圖分類號：TE933.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）23-0093-02

隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的迅速發(fā)展，市場對專用汽車的需求越來越大，下灰車作為油田中重要的作業(yè)設(shè)備，企業(yè)不僅對其需求越來越大，而且對它的專用作業(yè)能力及技術(shù)指標(biāo)越來越重視。

1 下灰車簡介

1.1 下灰車的用途和工作方式

下灰車多用于油田固井施工，主要運送水泥、煤灰粉等，為氣壓流化狀卸粉。其結(jié)構(gòu)由罐體、氣路系統(tǒng)、空壓機驅(qū)動系統(tǒng)、底盤車等四部分組成。其罐體多為腰鼓形，橫截面為圓形。卸料時，要用空氣壓縮機向罐內(nèi)壓送6～8 Pa的空氣，使粉料呈懸浮狀態(tài)隨氣體流出。其工作原理是：發(fā)動機動力經(jīng)取力器、傳動軸、皮帶輪至空壓機，空壓機內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)氣路系統(tǒng)被送入罐體下部的氣室，通過流化床的作用，將干水泥灰源源不斷地輸送到出灰管。當(dāng)罐內(nèi)壓力過高時，安全閥自動打開，維持壓力平衡。

1.2 下灰車的技術(shù)性能指標(biāo)

下灰車的專業(yè)性能指標(biāo)有兩項：規(guī)定試驗條件下的卸料速度和剩料率，還有一項雖未作為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，卻是用戶十分關(guān)心的問題，即物料輸送能力，常指輸送高度和輸送距離。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定卸料速變不低于1.3 t/min，剩料率不超過0.4%。

1.3 下灰車動力裝置匹配的要求

動力傳動系統(tǒng)是下灰車的主要組成部分之一，它既為下灰車行走提供動力，又要給其他機構(gòu)提供動力。匹配時一般遵循以下基本原則：低速檔必須滿足車輛對牽引力的要求，高速檔要滿足車輛對速度的要求。

2 下灰車的選型

2.1 下灰車車型選擇

下灰車的車型選定主要是底盤的選定，它作為一種可移動式油田井用設(shè)備必須具備車輛的行駛系統(tǒng)才可以達到移動的目的。因此，選用一個好的底盤對于油田下灰車的應(yīng)用也是至關(guān)重要的。綜合考慮油田企業(yè)的使用習(xí)慣和保養(yǎng)成本等各方面因素，選擇某品牌的25 T底盤作為下灰車的運載底盤，其總長為9 365 mm，軸距為4 450+1 450 mm，前/后懸為1 410/2 055 mm，接近/離去角為32/26。

2.2 下灰車發(fā)動機額定功率的確定

2.2.1 下灰車行駛阻力功率的計算

①根據(jù)最高車速確定行駛阻力功率。設(shè)計中，常先從保證汽車預(yù)期的最高車速來初步選擇發(fā)動機應(yīng)有的功率。最高車速雖然僅是動力性中的一個指標(biāo)，但它實質(zhì)上也反應(yīng)了汽車的加速能力與爬坡能力。若給出了期望的最高車速，選擇的發(fā)動機功率應(yīng)大體等于但不小于以最高車速行駛時行駛阻力功率之和，即：

■P=■■

②下灰車空氣阻力系數(shù)。本文所述車型為罐式車，汽車空氣阻力系數(shù)CD=0.716。

③滾動阻力系數(shù)計算。滾動阻力系數(shù)f可用公式

f=0.000056 uamax進行計算，即f=0.01264。

④傳動效率。下灰車設(shè)計中，傳動效率主要是個部分傳動間的傳動效率乘積。 總傳動效率：？耷總=？耷T×？耷Z×？耷W，？耷T=90%；？耷Z=96%；？耷W=98%；即？耷總=0.847。故，發(fā)動機功率（行駛所需）應(yīng)大體為：

■P=■■

=■■

=141.286 kW

2.2.2 下灰車空壓機功率的估算

按照下灰車的性能技術(shù)指標(biāo)要求：①卸料速度為：1.3 t/min，②工作壓力為：0.2 MPa，卸料速度為1.3 t/min=21.67 kg/s，即：

■=■=21.67 kg/s

工作壓力為：P=■=0.2 MPa

水泥灰粉的堆積密度為：？籽=1.2 t/m3

空壓機功率：

P工=F·v=F·■=P·S·■=2×105×■=36.117 kW

其中，P工為空壓機所需要的功率，kW；F為卸料時所需要的運送力，N；S為輸送管道的橫截面積，m2；l為輸送管道的長度，m；t為卸料所用時間，min。根據(jù)選定，所進行匹配設(shè)計的下灰車選用的是某型無油擺式空壓機。額定工作壓力0.3 MPa，額定功率37 kW，排氣量7.5 m3/min。

2.2.3 下灰車所需功率

下灰車所需功率為車輛行駛所需的功率和空壓機所需功率之和。故車輛所需的總功率為：P=Pe+P壓=178.286 kW

2.2.4 下灰車柴油機選定

值得說明的是，在最終選定油田下灰車發(fā)動機的額定功率時，除了要考慮滿足車輛本身的運行及工作的需要之外，還需要考慮油田下灰車多為工作在條件艱苦，環(huán)境惡劣的野外井場環(huán)境。在這種情況下，下灰車會面對更艱苦的環(huán)境比如外接設(shè)備、拖拽等問題，在這些時候，油田下灰車就要求有更高的功率輸出來完成。因此，在進行油田下灰車發(fā)動機功率選擇的時候必須要有所考慮，以滿足油田下灰車井場工作的不時之需。

綜合考慮，下灰車選用某型柴油機，其額定功率為：

206 kW/280 hp@2 200 rpm，最大扭矩為1 160 N.m@1 630 rpm。

2.3 下灰車傳動系備選方案

選擇了比較適合的傳動系統(tǒng)與發(fā)動機進行合理的匹配，能夠使下灰車的動力性和經(jīng)濟性發(fā)揮的更出色。

綜合考慮發(fā)動機最大扭矩等因素后可以滿足條件的有兩個品牌的3款變速箱。其中一個品牌為6擋箱，另一個品牌為9擋箱。多擋箱由于擋位多，整車會有更好的燃油經(jīng)濟性，且該9擋箱品牌的2款變速箱品牌通過技術(shù)引進，有很好的市場使用評價。最終，確定該2款變速箱作為備選方案，即BSX-A和BSX-B。然后再通過動力性和燃油經(jīng)濟性的計算來選擇更適合的變速箱。

3 下灰車動力裝置的匹配設(shè)計

3.1 下灰車動力性計算

動力性評價主要是計算出加速時間、最高車速、爬坡度、附著率等指標(biāo)參數(shù)，以便接下來進行方案的選擇。

3.1.1 下灰車動力裝置匹配的動力性計算

①最高車速的計算。采用兩種變速箱時，車輛行駛在最高擋位的時具有最高車速分別為：

ua=■=■=89.32 km/h

ub=■=■=113.35 km/h

②最大爬坡度的計算。根據(jù)公式：

？琢=arcsin■、Ft=■、

Ft+Fw=G·f+■和i=tan？琢計算可得：

采用兩種變速箱時，車輛行駛在一擋時具有最大的爬坡度分別為：ia1=49.29%；ib1=37.87%。

采用兩種變速箱時，車輛行駛在最高檔時的爬坡度分別為：ia2=1.687%；ib2=0.8978%。

③附著率的計算。

下灰車為后輪驅(qū)動，故：附著率C？漬=■；

采用兩種變速箱時，車輛附著率分別為：

C？漬a=0.7080；C？漬b=0.7080。

④車輛從起步加至80 km/h的時間計算。

經(jīng)計算，采用兩種變速箱時，下灰車從起步連續(xù)換擋加速至80 km/h的時間分別為：77.3488 s和100.482 s。

3.2 下灰車動力裝置匹配的燃油經(jīng)濟性計算

在進行下灰車的燃油經(jīng)濟性計算時，主要是計算匹配兩種變速箱時最高擋和次高擋等速百公里油耗的指標(biāo)。

發(fā)動機的萬有特性曲線是表示發(fā)動機的燃油消耗率與發(fā)動機功率，發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間關(guān)系的一簇曲線。值得說明的是：由于獲取參數(shù)的困難，在本文中所用到的發(fā)動機萬有特性是從參考資料上讀取的，并不是通過發(fā)動機的臺架試驗得到的，因此在使用時會存在誤差。

3.2.1 柴油機萬有特性曲線的擬合

在進行燃油經(jīng)濟性計算時，需要利用發(fā)動機萬有特性曲線來計算發(fā)動機的在某個扭矩和轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率。為了計算方便，需要將萬有特性曲線進行擬合，但萬有特性曲線是三維曲線，直接擬和十分困難。所以，比較通用的方法是采用插值與最小二乘曲線擬和相結(jié)合的方法。燃油消耗率的擬合公式為：b=B0+B1Pe+B2P2e+B3P3e+B4P4e。由發(fā)動機負荷曲線上的相應(yīng)數(shù)值，利用最小二乘法可以得到擬合式中系數(shù)。

3.2.2 下灰車最高擋和次高擋等速百公里油耗的計算方法

下灰車最高檔和次高檔的等速百公里油耗的計算方法是：先在某一發(fā)動機轉(zhuǎn)速n下，求得汽車速度Ua，然后求出阻力功率P；同時，利用擬和公式的系數(shù)，插值得出該發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的對應(yīng)系數(shù)，代入擬和公式求得燃油消耗率b，再利用公式：

QS=■

求得該轉(zhuǎn)速下的百公里燃油消耗量，最后將各轉(zhuǎn)速下的百公里燃油消耗量連成曲線。取柴油密度為：0.84 kg/L。

3.2.3 下灰車動力裝置匹配最高擋和次高擋等速百公里油耗

的計算

采用兩種變速箱時，最高擋以80 km/h行駛時的百公里油耗分別為16.96 L和15.99 L。次高擋以60 km/h行駛時的百公里油耗分別為17.4 L和15.47 L。

3.3 下灰車動力裝置匹配各方案比較和匹配結(jié)果

選用BSX-A變速箱時最高擋為直接擋，機械效率高；而選用BSX-B變速箱時最高擋為超速擋，機械效率低。兩種方案中，整車在爬坡?lián)鯐r，爬坡度相差不多，但當(dāng)整車在最高擋工作時，選用BSX-A變速箱的爬坡度及加速性能都大大優(yōu)于選用BSX-B變速箱。在燃油經(jīng)濟性方面，選用BSX-A變速箱由于機械效率高，在油耗方面也較低，在設(shè)計載重下，次高擋60 km/h行駛百公里耗油量少5.72%，最高擋80 km/h行駛百公里耗油量少11.09%。根據(jù)以上分析，最終確定整車動力裝置匹配方案采用280馬力的某型發(fā)動機匹配BSX-A變速箱。

4 結(jié) 語

本文重點進行下灰車動力裝置的匹配，經(jīng)過研究得知目前油田下灰車的動力裝置匹配進行的還不是很多，很多生產(chǎn)廠家主要是對車廠的地盤進行工作平臺部分的改裝，并沒有對動力裝置進行合適的匹配。因此，進行油田下灰車動力裝置匹配是很有前景的。由于獲得發(fā)動機和變速箱詳細的參數(shù)十分困難，本文只是進行了油田下灰車動力裝置匹配的簡單探索，掌握其中的方法。故在本文中只進行了同一臺發(fā)動機與兩臺不同變速箱的匹配，進行了油田下灰車動力裝置匹配的基本嘗試。

參考文獻：

[1] 白鳳良.牽引車整車性能及動力裝置匹配分析[J].現(xiàn)代車用動力，2005，（4）.