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雙機雙泵固井水泥車安全穩(wěn)定性分析

文檔作者：李廷波才委文檔來源： 1．大慶油田裝備制造集團 2．吉林大學		點擊數：	更新時間： 2021年10月31日
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雙機雙泵固井水泥車安全穩(wěn)定性分析
李廷波 ，才委z
(1．大慶油田裝備制造集團；2．吉林大學)
摘要：在分析、建立固井水泥車的縱向傾翻、橫向傾翻和轉向傾翻以及縱向滑移、橫向滑移、
：轉向滑移的穩(wěn)定性方程的基礎上，利用虛擬裝配技術得到的技術參數，計算、分析所設計的雙機雙泵：
固井水泥車的縱向、橫向及轉向穩(wěn)定性，設備的使用結果驗證了設計計算的正確性。 ；
‘ I l l t t I I I < I I ‘ t ‘ I I I · ‘ I l t t 。I I I ‘ I I l t I t I ‘ I l I l l t t ‘ 。‘ I I I ‘ 。t t 。I I I I I I l t 《《t 。I 。I I I ‘
關鍵詞：固井水泥車；安全穩(wěn)定性；分析
雙機雙泵固井水泥車是油田固井施工作業(yè)的關
鍵設備，車臺上安裝有兩臺發(fā)動機、兩臺變速器和兩
臺柱塞泵，整車外廓長10 850 mm、寬2 800 mm、高
4 150 mm，滿載質量28 430 kg，結構如圖1所示【 。雙
機雙泵固井水泥車經常在非公路、越野等復雜路面
行駛，需要安全、及時地到達施工現場，因此其設計
的安全穩(wěn)定性十分重要。
1．底盤2．發(fā)動機3．液力變速器及液壓系統(tǒng)4．水柜及管系5洎動混漿罐6．操作平臺7．三缸柱塞泵
圖1 雙機雙泵固井水泥車
1 行駛穩(wěn)定性
整車的行駛穩(wěn)定性主要包括縱向穩(wěn)定性、橫向
穩(wěn)定性和轉向穩(wěn)定性團。
1．1 縱向穩(wěn)定性
固井水泥車在縱向坡道上行駛時，隨著坡度的
增大，有可能出現兩種不穩(wěn)定現象：一種是產生縱向
傾翻；另一種是由于地面附著力不夠產生縱向滑移。
為簡化分析，視車輪與地面為剛性線接觸，并視雙后
橋固井水泥車靠近車尾部車輪與地面接觸線為上坡
---— — 46---——
后傾軸線。固井水泥車上坡受力分析圖如圖2所示。
1．1．1 縱向傾翻
根據整車上坡分析圖受力可建立固井水泥車上
坡時縱傾的力矩平衡方程組為：
f2 +z’(L一i 2-Gcos ·a-Gsin · =0
+矗Gcos ot'b+Gsin ot"hg=O )
式中：z1、z2、 ——前輪、中輪和后輪與路面的法向
作用力，N；
￡——前輪和后輪之間的軸中心距，m；
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圖2 固井水泥車沿縱向坡道上坡時的受力圖
卜中輪和后輪之間的軸中心距，m；
G— — 固井水泥車總重力，N；
— — 縱向坡度角，(。)；
a．b——前輪和后輪距整車質心0的縱向距
離，m；
^ —— 整車質心距離路面的高度，m。
隨著縱向坡度角 的增大，前輪和中輪所受的
支撐力zl、 越來越小，當 =0、Z2=0時，達到固井
水泥車繞后軸縱向傾翻的臨界狀態(tài)，即傾翻臨界力
矩方程(1)中的第二式化簡為：
bGcos —h
g
Gsin a=0 (2)
因此不發(fā)生縱向傾翻的縱向坡度角 滿足的條
件為：
≤盯ctan(h~-f)
1．1．2 縱向滑移
(3)
在縱向坡道行駛時也可能發(fā)生驅動輪的滑移，
由驅動附著條件可知，驅動輪不發(fā)生滑移的臨界狀
態(tài)為：
Gsin = (4)
式中： 路面附著系數。
此時的縱向坡度角 較大，與上坡阻力相比，滾
動阻力可忽略不計。
將式(4)代人方程組(1)中的第一式，同時滿足
z1=0的縱向滑移臨界條件為：
! ·L—Gc0s · Gsin ·h=0 (5)
。
因此固井水泥車不發(fā)生滑移的縱向坡度角僅
滿足的條件為：
儀 ≤arctan彘 ‘6)
1．1．3 縱向傾翻和滑移的安全條件
就固井水泥車沿較大坡度的縱向坡道上坡行駛
而言，驅動輪產生滑移的危害性遠遠小于產生縱向
傾翻的危害性，則滿足滑移先于縱向傾翻的條件為：
南< b
即：
一～L-,G一寺= —————— ( ———一J ———— )— ———— ————一<‘。I，
整理得：
> (8)
以上是針對固井水泥車的上坡隋形，如果針對其
下坡的情況，可采用同樣的分析方法，此處不再贅述。
1．2 橫向穩(wěn)定性
固井水泥車沿橫向坡路面行駛時，相應的側向
力會對固井水泥車的橫向穩(wěn)定性產生影響。
1．2．1 橫向傾翻
圖3為固井水泥車沿橫向坡道行駛的受力圖。
圖3 固井水泥車沿橫向坡道行駛的受力圖
隨著橫向坡度角／3的增大，左輪與地面的法向
作用力減小，當作用力為零時，即為固井水泥車橫向
傾翻的臨界狀態(tài)，則橫向傾翻臨界力矩平衡方程為：
D
Gcos]~‘ =Gsinfl‘ (9)
厶
式中： 橫向坡度角，(。)；
8一固井水泥車左輪和右輪之間的輪距，m。
因此不發(fā)生橫向傾翻的橫向搬 滿足的條件為：
一47—
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i
I； 盧≤ 脅 (10 = ；
1．2．2 橫向滑移 尺——固井水泥車轉彎半徑，m。
由于固井水泥車沿橫向坡道行駛時重力所產生 將離心慣性力計算式代人到(15)式中，(15)
的側向力也有使其產生橫向滑移的可能，其臨界狀 轉化為：
· Gsin／~=G co ( 11) =悸z (16
因此，不發(fā)生橫向滑移的橫向坡度角盧應滿足： 當固井水泥車以最小轉彎半徑尺 轉向時，d
／3~ rctan (13) 車發(fā)生轉向滑移，其臨界狀態(tài)力矩平衡方程為：
、 ／ =G (18
即： 將 代入，則有不發(fā)生轉向滑移的車速條件為
，、
B
， > (14) ≤、／ R i (19
饑
g
1．3 轉向穩(wěn)定性 1．3．3 轉向傾翻和滑移的安全條件
1．3．1 轉向傾翻 固井水泥車在水平彎道路面轉彎行駛與在橫
圖4為固井水泥車在水平路面上高速轉彎行駛 坡道上行駛安全的條件是一樣的，轉向滑移先于車
受力圖。 向傾翻須滿足關系式：
I ． 一
l l ＼ V 2 “
l O (2o
＼’l
2 穩(wěn)定性參數計算分析
_ 一-一 ，．、 ● 萋 G F 、 ，、 一 井水利泥車用各現組代成設部計分方的法三，建維立實了體模DQ型G5，2進50T行S虛N擬型聾匣
配，提取整車各部分的質量和質心位置t31，作為整j
L J
曰 D 性能分析計算的已知條件。圖5為整車三維模型。
I璺l 4 轉彎仃駛堂力圈
當離心慣性力 與重力G的合力 作用線通
過D點時，地面對左側車輪的作用力Z1=0，即處于
轉向穩(wěn)定臨界狀態(tài)。此時有：
= G )
式中： ——離心慣性力， =鼉 ，N；
一48一
表面作為XY平面，固井水泥車前橋中心在地表面
上的垂直投影點為坐標原點；平行于前橋且指向前
進方向左側為 軸正向；與前進方向相反且垂直于
前橋在地表投影的方向為y軸正向；垂直地表面向
上為z軸正向。提取的各組成部分的質量和質心坐
標如表l所示。
根據建立的穩(wěn)定性計算方程及通過虛擬裝配提
取的必要數據，計算得到固井水泥車的穩(wěn)定性參數
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圖5 整車三維模型
表1 固井水泥車各單元質量及質心坐標
序號 名稱 質量／t 質心坐標／mm
l 整車 28．43 (～3 1．25，3 939．80，2 020．02)
2 發(fā)動機及變速器 4．180 5 (一23．92，3 300．03，2 O44．87)
2．989
3 水柜及混漿罐 (0．07，5 (含水泥) 095．53，3 020．75)
4 操作平臺 1．257 5 (—45．53，6 955．55，2 707．07)
5 柱塞泵 5．054 (～l0．53，8 140．05，1 832．49)
如表2所示。計算中 取為0．5。
表2 固井水泥車穩(wěn)定性參數
上坡傾翻O／／(。) 59_3
縱向 下坡傾翻O／／(。) 63．76
滑移 ／(。) 17．53
傾翻 ／(。) 29．12
橫向
滑移口 ／(。) 26．56
傾翻 ／(km／h) 30．64
轉向
滑移 ／(km／h) 29．02
分析、計算結果表明，降低固井水泥車質心高
度、增大輪距是提高固井水泥車行駛穩(wěn)定性的有效
手段。因此，在固井水泥車總體布局時應合理配置各
個質量單元，使其質心位置必須滿足穩(wěn)定性要求。
3 結論
依據本文計算和分析的結果，所設計的
DQG5250TSN型自動混漿雙機雙泵固井水泥車經試
驗測試并經實際應用檢驗，完全滿足行駛安全性要
求，并符合國家對特種車輛行駛安全穩(wěn)定性的標準
規(guī)定，驗證了本文計算結果的正確性，對今后開發(fā)新
型固井水泥車的設計計算具有一定的參考價值。
參考文獻
【1]李武幸，戴相富，鄭滿圈，等．雙泵固井水泥車的研制【J】．
石油機械，2003，31(2)：26—27．
【2]代汝泉．汽車運行性能【M】．北京：國防工業(yè)出版社，
2003：46—202．
[3]才委．固井水泥車整車性能研究與仿真計算【D】．吉林
大學．2005．
通信地址：吉林省長春市人民大街5988號 吉林大學南嶺
校區(qū)機械學院制圖教研室(130022)
(收稿日期：2009—05—02)

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