混砂车输砂系统设计与研究_张志强

* 收稿日期： 2014－07－21 作者简介： 张志强（ 1984－） ，男，河南周口人，工程师，主要从事于压裂设备设计与研究方面的工作。
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·机械研究与应用· 2014 年第 4 期 （ 第 27 卷，总第 132 期）
设计与制造
求（ 混砂车用泵的排量为 100 mL / r，转速为 2 739 r / min，流量为 273．9 L / min； 实验方案用泵的排量为 190 mL / r，转速为 1 440 r / min，流量为 273．6 L / min） 。
further optimization of the sand conveying system of sand mixing truck．
Key words： sand mixing truck； sand transport system； motor； reducer
0引言
混砂车被广泛应用于石油、页岩气和煤层气等行 业，其与供水车、压裂车、管汇车等设备协同作业形成 压裂设备组，用于向井内注入高压、大排量的压裂液， 将地层压开，把支撑剂挤入裂缝中，使油气从裂缝处 流出，从而有效提高油气井采收率。压裂已经成为改 造低渗透油气藏和开发深部油气藏的主要手段［1］。
ZHANG Zhi－qiang，ZHOU Shi－wei，GUO Bo－jiang，ZHAO Zhen，WANG Yong－ling
（ Sany Heavy Energy Sources Equipment Corporation，Beijing 102202，China）
Abstract： Aiming at present technology and shortcomings of the sand convey system in fracturing blender truck． and a sand
2．2 公式参数输入及计算结果
以 HS210 用螺旋输砂器为例，计算输砂量，其计
算结果如表 2 所列。
表 2 HS210 系列螺旋输砂器主要参数表
型号
输砂器倾斜角 α / （ °） 单绞龙输砂量（ m3 / min） 绞龙壳内径 D1 /m 螺旋叶片直径 D /m 螺旋叶片螺距 P /m 叶片螺距直径比 t 输砂轴轴径 输砂器最高转速 n / （ r / min）
HS210
45 2 0．305 0．292 0．175 0．6 0．089
400
从上述计算结果可看出，在保证 2 m3 / min 的前 提下，液压马达的最高转速值需要 400 r / min。在液 压泵排量为 100 mL / r，转速为 2 739 r / min 的情况下， 选 520 mL / r 的马达时弯曲满足转速要求，最高转速 可达到 526 r / min． 可以考虑在马达前加一个减速比 为 1．3 的减速机，这样就保证满足马达转速的情况 下，增大了马达的扭矩。
1 输砂系统设计
1．1 输砂系统总体试验方案 如图 1 所示，输砂试验台设备组包括绞龙、绞龙
支架、称重灌、液压系统、减速机、水冷系统、控制系统 和试验测试装置（ 测速传感器、称重传感器和 NI 数 据采集仪等） 。试验用砂从第 1 个称重灌自动流到 第 1 个料斗，此料斗经第 1 个输砂绞龙把砂输送到第 2 个称重灌，此称重灌的 2 个砂子经第 2 个绞龙输送 到第 1 个称重灌，如此往复循环。利用第 2 个液压泵 分别带动 2 个输砂马达，输砂马达再分别带动 2 个绞 龙转动。利用控制系统控制电比例 190 mL / r 变量泵 的排量，进而调节绞龙的转速。对混砂车输砂系统进 行功能测试、稳定转速测试、连续性试验。
度，从而通过调节流量改变绞龙转速大小。
2 输砂系统计算
2．1 计算方法及公式
2．1．1 螺旋叶片直径的计算（ 为实体式螺ε）
（ 1）
式中： D 为螺旋叶片直径，m； Q 为输砂量，t / h； k1 为螺
旋螺距与直径的比例系数，一般倾斜取 K1 ≤0． 8（ 取
图 2 液压系统实验方案图
机械结构采用两组相同的绞龙和称重灌。当采
用相近的转速时，可保证试验的连续性。
电气系统采用三一公司集团专用运动控制器，通
过程序实现相应的控制功能。即扳动转向选择钮子，
便可使相应的电磁铁得电，从而控制绞龙的旋向； 扳
动速度调 节 钮 子，便 通 过 程 序 控 制 变 量 泵 的 斜 盘 角
再次启动，低速启动困难，需不断提升绞龙转速，才可
表 4 稳定转速测试记录表
以启动； 带减速机的绞龙不存在低速启动困难现象。 （ 3） 带载试验工况，低速运行状态下，两个绞龙
均出现发卡现象，发卡时工作油压最大值 6 MPa，带 减速的绞龙发卡时工作油压为 4．5 MPa。 3．2．2 稳定转速测试
序号
2．1．2 单个绞龙功率的计算 总的轴功率应包括物料运行需要功率 P1，空载
运转所需功率 P2以及由于倾斜引起的附加功率 P3等 三部分。
P = P1 + P2 + P3
= QLμ /367 + DL /20 + QHsinβ /367
（ 2）
H = L·sin β
（ 3）
式中： P 为螺旋轴所需功率，kW； P1 为物料运行需要 功率，kW； P2为空载运转所需功率，kW； P3 为由于倾 斜引起的附加功率，kW； L 为输送距离，m； H 倾斜高
测试结果（ 带减速机）
正常 正常 正常 正常 正常 异常 低速发卡 异常
测试结果总结如下：
定转速在理论范围之内。
（ 1） 空载试验工况，绞龙正反转测试功能正常，
（ 2） 绞龙的最高稳定转速均大于 300 r / min，且
其他各项功能均比较正常。
带减速机的装置的最高稳定转速更高。
（ 2） 带载试验工况，绞龙运行一段时间，停机后
马达和减速机的方案。通过试验验证，有效的解决了输砂系统在低速时的发卡故障，为进一步优化混砂车输砂系统
提供参考。
关键词： 混砂车； 输砂系统； 马达； 减速机
中图分类号： TE358．1
文献标志码： A
文章编号： 1007－4414（ 2014） 04－0134－04
Design and Ｒesearch for the Sand Transport System of Sand Mixing Truck
DOI:10.16576/ki.1007-4414.2014.04.006
设计与制造
2014 年第 4 期 （ 第 27 卷，总第 132 期） ·机械研究与应用·
混砂车输砂系统设计与研究*
张志强，周诗纬，郭波江，赵 真，王永玲
（ 三一重型能源装备有限公司 北京 102202）
摘 要： 针对石油混砂车输砂系统的技术现状与存在的缺点，设计出一种带减速机的输砂系统，即通过液压泵、液压
图 1 输砂系统试验方案图
1．2 输砂系统试验方案布置与结构设计 输砂系统试验方案液压原理对比如图 2 所示，图
2（ a） 为某类型的混砂车输砂系统液压原理图，图 2 （ b） 为试验台输砂系统液压原理图，图 2（ c） 为增加 减速机后的改进试验方案。其中试验台采用水冷的 形式冷却液压油。由图 2 可看出二者为 520 mL / r 输 砂马达提供的流量是基本相等的，完全能满足试验要
（ 5）
S = K1·D
（ 6）
倾斜角为 45°时的经验公式为：
Q = 0．38·D2·d2·n·P
（ 7）
式中： Q 为输砂量，m3 / h； d 为输砂轴轴直径，m； 为 S
螺距，m； K1 为螺距系数，对于标准的输送机，通常螺 距为 K1 取 0．8 ～ 1．0，当倾斜布置或输送物料流动性 较差时 K1≤0．8； 当水平布置时，K1 取值范围为 0．8 ～ 1．0［4］。
通过调速按钮，逐步改变绞龙转速，并通过 NI 设 备检测到的速度－时间曲线，判定最低稳定转速和最 高稳定转速。
模拟混砂车绞龙实际输砂工况，提供不同密度的
砂粒和不同砂液比，使绞龙置于某一稳定转速下连续 运行，检测绞龙在不同工况下的工作性能。
（ 2） 带减速机方案试验 在马达后加减速比为 1．3 的减速机，按照同样的 方法对输砂绞龙进行试验。 3．2 试验结果 3．2．1 功能测试 表 3 为功能测试记录表。
3 输砂系统试验验证
3．1 试验方法 （ 1） 不带减速机方案试验 分别启动 1#和 2#绞龙，逐步提高绞龙转速，检测 ·135·
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2014 年第 4 期 （ 第 27 卷，总第 132 期） ·机械研究与应用·
绞龙是否转动，绞龙液压马达转动是否正常； 不断变 换绞龙转速，检测绞龙工作是否有发卡、干涉、异响等 现象； 通过变换正反转控制按钮，检测绞龙正反转功 能是否正常。
混砂车主要用于混合、搅拌、输送压裂作业需要 的砂液等介质。在石油压裂施工过程中，混砂车的一 些重要参数符合压裂施工的设计要求，将直接影响压 裂施工的质量，如混砂液的砂比、液态添加剂的比例、 干粉添加剂比例等［2］。
输砂系统是混砂车的关键部件之一，承担着为混 砂车输送原料的重任，同时需要精准的计量。计量的 准确性直接影响到这个压裂作业的成败。在施工工 程中常发生由于加砂过快慢输纱器绞龙轴卡阻等故 障［3］。输砂系 统 在 低 速 时 极 易 存 在 发 卡 问 题，严 重 影响了计量的准确性，是整个压裂作业成败的关键风 险之一。笔者针对混砂车低速发卡故障，改进了混砂 车输砂系统，通过实验验证，有效的优化了混砂车输 砂系统。
工况 空转 带载
表 3 功能测试记录表
测试项目
绞龙是否可以正常启动 绞龙正反转功能是否正常 绞龙旋转是否有发卡、干涉、异响等现象 绞龙工作油压波动是否正常 液压管路是否有渗漏 绞龙是否可以正常启动 绞龙旋转是否有发卡、干涉、异响等现象 绞龙工作油压波动是否正常
测试结果
正常 正常 低速发卡 正常 正常 异常 低速发卡 异常
0．7） ，n 为螺旋转速，1 ～ 400r / min； φ 为填充系数，取
0．35； λ 为单位体积质量，t / m3； ε 为斜输送系数（ 根
据不同的角度取不同的值，见表 1） 。
表 1 倾斜角和斜输送系数表
倾斜角 θ（ °） 0 5 10 15 20 30 40 50
系数 ε 1
0．97 0．94 0．92 0．88 0．82 0．76 0．7
3．2．3 连续性试验 表 5 为连续性试验工况表（ 不带减速机方案） ，
表 6 为连续性试验工况表（ 带减速机方案）
绞龙转动不连续，出现发卡现象； 带减速机的最低稳
表 5 连续性试验工况表（ 不带减速机方案）
工况
绞龙转速 r / min
1 5 ～ 10 2 10 ～ 15 3 15 ～ 30 4 30 ～ 50 5 50 ～ 100 6 100 ～ 150 7 150 ～ 200 8 250 ～ 300
transport system based on reducer is designed． This scheme adopted hydraulic drive hydraulic pump and reducer． The test vali-
dated this scheme can solve the hairpin fault in low speed of sand transport system effectively． A reference is provided for the
度，m； μ 为物料运行阻力系数，β 为倾斜角。
2．1．3 驱动功率计算
N = ε·P·η
（ 4）
式中： N 为驱动需要的总功率，kW； ε 为功率储备系
数，一般取 1．2 ～ 1．4，η 为电动机传动效率，η≤0．9，一
般为了方便取 0．9。
2．1．4 输砂量计算
Q = 47·D2·S·n·φ·η·ε
不带减速机 带减速机
最低稳定转速
（ 理论： 8 ～ 15 r / min）
1#绞龙
2#绞龙
22 ～ 26
20 ～ 24
7 ～ 15
8 ～ 16
最高稳定转速
（ 理论： ≥300 r / min）
1#绞龙
2#绞龙
310 ～ 318 312 ～ 319
321 ～ 329 324 ～ 341
表 4 为稳定转速测试记录表。 测试结果总结如下： （ 1） 不带减速机装置试验时，1#、2#绞龙最低稳 定转速与理论值有差距，绞龙转速在 20 r / min 以下，