HSC360混砂车的液压系统优化设计

李宣　孙奉道　王阔

摘 要：对混砂车的搅拌液压系统和风扇冷却的液压系统进行了设计，并在原理和控制方式方面进行了优化，获得了节能效果，从而为试制提供了参考和依据。

关键词：混砂车；风扇冷却系统；螺旋输砂系统；搅拌系统

中图分类号：TP391.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.090

HSC360型混砂车主要应用于大、中型油气井煤层气、石油和页岩气的压力作业，并按一定比例混合支撑剂，通过低压管汇输送给压裂车，从而开展压裂施工作业。HSC360混砂车主要包括装载底盘、动力系统、低压管汇系统、液压系统和混合罐等。本文对风扇冷却的液压系统和搅拌液压系统进行了优化设计，以期对其试制和调试起到一定的指导作用。

1 风扇冷却液压系统的优化

液压系统可为混砂车提供动力，主要包括吸入/排出泵系统、搅拌系统、螺旋输砂系统、风扇冷却系统、综合泵系统等。风扇冷却系统采用小流量的定量泵驱动风扇工作。搅拌系统通过恒压变量柱塞泵驱动低速大扭矩马达动作。该系统设有转速传感器，通过控制比例流量阀，可达到无级调节搅拌马达速度的效果。

1.1 原理方面的优化

在设计风扇冷却系统的初期，计算液压泵需要的流量小、功率低，主泵选择定量泵，并采用低速、高速两种工作模式，混砂车的两个冷却部分通过节温器控制。但在现场试制时发现，在混砂车长时间工作后，风扇的阻力会变大，进而使消耗功率增大，且伴随有巨大的噪声；在两种工作模式的切换过程中，对液压马达和机械结构的冲击过大，缩短了液压马达和风扇的使用寿命。因此，对液压系统进行了优化，采用恒压泵作为动力源，利用比例节流阀和压力补偿器控制风扇马达的转速。优化后液压系统的结构如图1所示。

1.2 控制方式的优化

风扇冷却采用自动化控制，控制框如图2所示。混砂车工作时，液压系统的油温传感器和发动机的油温传感器会发送讯息至控制系统，控制系统会比较、判断油温，并输出相对应的电压值控制比例流量阀，从而控制冷却风扇马达的转速。当传感器的温度上升至一定数值时，控制系统会加快冷却风扇的转速；当传感器的温度上升至设计下限值时，控制系统会减慢冷却风扇的转速，从而保持冷热平衡。

2 搅拌液压系统的优化和数据分析

搅拌系统的液压泵为恒压变量泵，其压力是恒定的，但在不同工作状态下，马达的负载是不同的，进而造成比例流量阀两端压差的变化，影响了控制精度；变量泵始终处于高压状态，这样不仅浪费能源，还会缩短液压泵的使用寿命。

2.1 搅拌液压系统的优化

通过上述分析，可进行如下优化。

2.1.1 将恒压变量泵换为负载传感变量泵

优化后的液压系统工作原理如图1所示。在图1中，负载传感变量泵可按照系统要求控制输出流量、保持压力随负载而变化，即保证比例节流阀前、后两端的压差恒定，并对比例节流阀起到压力补偿的作用，从而提高搅拌系统的控制精度，缩短搅拌液压泵长期处于高压状态的时间，延长搅拌系统的使用寿命。

2.1.2 采用新的控制方式和用PID校正

优化后搅拌液压系统的控制过程为：控制系统输出电流控制信号给比例流量阀的电磁铁，从而调节比例流量阀的输出流量、控制搅拌马达的转动。在搅拌马达运行时，转速传感器会将马达的转速反馈回系统，从而形成闭环控制系统。液压控制系统的模型采用PID，可纠正系统误差。此外，系统根据压裂基液的输入量、输砂量来调节控制信号的输入。调试现场搅拌马达转速采样曲线如图3所示。

2.2 搅拌液压系统的数据分析

混砂车安装完成后，采集了搅拌系统的泵出口压力和转速等数据。搅拌泵出口的压力值如表1所示（优化前的数据。

对比搅拌系统泵出口的压力和转速可发现：①在图3中，优化后的搅拌液压系统的转速和输入控制信号成线性，且优化后的PID调节和控制可满足精度要求。②在表1中，优化后的搅拌液压系统的输入压力随负载而变化。当搅拌系统不工作、轻载工作时，液压泵处于低压状态，相比于优化前的恒压泵而言，大大降低了损耗和冲击的程度。

3 结束语

综上所述，对混砂车的风扇冷却液压系统进行了改进，并对控制方式进行了优化设计，延长了液压系统的寿命，并起到了节能效果；对混砂车的搅拌液压系统进行了优化设计，并将优化后的方案应用到了实际调试生产中，起到了一定的参考意义。

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〔编辑：张思楠〕