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双机双泵固井水泥车安全稳定性分析

文档作者：李廷波才委文档来源： 1．大庆油田装备制造集团 2．吉林大学		点击数：	更新时间： 2021年10月31日
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双机双泵固井水泥车安全稳定性分析
李廷波 ，才委z
(1．大庆油田装备制造集团；2．吉林大学)
摘要：在分析、建立固井水泥车的纵向倾翻、横向倾翻和转向倾翻以及纵向滑移、横向滑移、
：转向滑移的稳定性方程的基础上，利用虚拟装配技术得到的技术参数，计算、分析所设计的双机双泵：
固井水泥车的纵向、横向及转向稳定性，设备的使用结果验证了设计计算的正确性。 ；
‘ 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 ‘
关键词：固井水泥车；安全稳定性；分析
双机双泵固井水泥车是油田固井施工作业的关
键设备，车台上安装有两台发动机、两台变速器和两
台柱塞泵，整车外廓长10 850 mm、宽2 800 mm、高
4 150 mm，满载质量28 430 kg，结构如图1所示【 。双
机双泵固井水泥车经常在非公路、越野等复杂路面
行驶，需要安全、及时地到达施工现场，因此其设计
的安全稳定性十分重要。
1．底盘2．发动机3．液力变速器及液压系统4．水柜及管系5洎动混浆罐6．操作平台7．三缸柱塞泵
图1 双机双泵固井水泥车
1 行驶稳定性
整车的行驶稳定性主要包括纵向稳定性、横向
稳定性和转向稳定性团。
1．1 纵向稳定性
固井水泥车在纵向坡道上行驶时，随着坡度的
增大，有可能出现两种不稳定现象：一种是产生纵向
倾翻；另一种是由于地面附着力不够产生纵向滑移。
为简化分析，视车轮与地面为刚性线接触，并视双后
桥固井水泥车靠近车尾部车轮与地面接触线为上坡
---— — 46---——
后倾轴线。固井水泥车上坡受力分析图如图2所示。
1．1．1 纵向倾翻
根据整车上坡分析图受力可建立固井水泥车上
坡时纵倾的力矩平衡方程组为：
f2 +z’(L一i 2-Gcos ·a-Gsin · =0
+矗Gcos ot'b+Gsin ot"hg=O )
式中：z1、z2、 ——前轮、中轮和后轮与路面的法向
作用力，N；
￡——前轮和后轮之间的轴中心距，m；
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图2 固井水泥车沿纵向坡道上坡时的受力图
卜中轮和后轮之间的轴中心距，m；
G— — 固井水泥车总重力，N；
— — 纵向坡度角，(。)；
a．b——前轮和后轮距整车质心0的纵向距
离，m；
^ —— 整车质心距离路面的高度，m。
随着纵向坡度角 的增大，前轮和中轮所受的
支撑力zl、 越来越小，当 =0、Z2=0时，达到固井
水泥车绕后轴纵向倾翻的临界状态，即倾翻临界力
矩方程(1)中的第二式化简为：
bGcos —h
g
Gsin a=0 (2)
因此不发生纵向倾翻的纵向坡度角 满足的条
件为：
≤盯ctan(h~-f)
1．1．2 纵向滑移
(3)
在纵向坡道行驶时也可能发生驱动轮的滑移，
由驱动附着条件可知，驱动轮不发生滑移的临界状
态为：
Gsin = (4)
式中： 路面附着系数。
此时的纵向坡度角 较大，与上坡阻力相比，滚
动阻力可忽略不计。
将式(4)代人方程组(1)中的第一式，同时满足
z1=0的纵向滑移临界条件为：
! ·L—Gc0s · Gsin ·h=0 (5)
。
因此固井水泥车不发生滑移的纵向坡度角仅
满足的条件为：
仪 ≤arctan彘 ‘6)
1．1．3 纵向倾翻和滑移的安全条件
就固井水泥车沿较大坡度的纵向坡道上坡行驶
而言，驱动轮产生滑移的危害性远远小于产生纵向
倾翻的危害性，则满足滑移先于纵向倾翻的条件为：
南< b
即：
一～L-,G一寺= —————— ( ———一J ———— )— ———— ————一<‘。I，
整理得：
> (8)
以上是针对固井水泥车的上坡隋形，如果针对其
下坡的情况，可采用同样的分析方法，此处不再赘述。
1．2 横向稳定性
固井水泥车沿横向坡路面行驶时，相应的侧向
力会对固井水泥车的横向稳定性产生影响。
1．2．1 横向倾翻
图3为固井水泥车沿横向坡道行驶的受力图。
图3 固井水泥车沿横向坡道行驶的受力图
随着横向坡度角／3的增大，左轮与地面的法向
作用力减小，当作用力为零时，即为固井水泥车横向
倾翻的临界状态，则横向倾翻临界力矩平衡方程为：
D
Gcos]~‘ =Gsinfl‘ (9)
厶
式中： 横向坡度角，(。)；
8一固井水泥车左轮和右轮之间的轮距，m。
因此不发生横向倾翻的横向搬 满足的条件为：
一47—
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i
I； 卢≤ 胁 (10 = ；
1．2．2 横向滑移 尺——固井水泥车转弯半径，m。
由于固井水泥车沿横向坡道行驶时重力所产生 将离心惯性力计算式代人到(15)式中，(15)
的侧向力也有使其产生横向滑移的可能，其临界状 转化为：
· Gsin／~=G co ( 11) =悸z (16
因此，不发生横向滑移的横向坡度角卢应满足： 当固井水泥车以最小转弯半径尺 转向时，d
／3~ rctan (13) 车发生转向滑移，其临界状态力矩平衡方程为：
、 ／ =G (18
即： 将 代入，则有不发生转向滑移的车速条件为
，、
B
， > (14) ≤、／ R i (19
饥
g
1．3 转向稳定性 1．3．3 转向倾翻和滑移的安全条件
1．3．1 转向倾翻 固井水泥车在水平弯道路面转弯行驶与在横
图4为固井水泥车在水平路面上高速转弯行驶 坡道上行驶安全的条件是一样的，转向滑移先于车
受力图。 向倾翻须满足关系式：
I ． 一
l l ＼ V 2 “
l O (2o
＼’l
2 稳定性参数计算分析
_ 一-一 ，．、 ● 萋 G F 、 ，、 一 井水利泥车用各现组代成设部计分方的法三，建维立实了体模DQ型G5，2进50T行S虚N拟型聋匣
配，提取整车各部分的质量和质心位置t31，作为整j
L J
曰 D 性能分析计算的已知条件。图5为整车三维模型。
I璺l 4 转弯仃驶堂力圈
当离心惯性力 与重力G的合力 作用线通
过D点时，地面对左侧车轮的作用力Z1=0，即处于
转向稳定临界状态。此时有：
= G )
式中： ——离心惯性力， =鼍 ，N；
一48一
表面作为XY平面，固井水泥车前桥中心在地表面
上的垂直投影点为坐标原点；平行于前桥且指向前
进方向左侧为 轴正向；与前进方向相反且垂直于
前桥在地表投影的方向为y轴正向；垂直地表面向
上为z轴正向。提取的各组成部分的质量和质心坐
标如表l所示。
根据建立的稳定性计算方程及通过虚拟装配提
取的必要数据，计算得到固井水泥车的稳定性参数
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图5 整车三维模型
表1 固井水泥车各单元质量及质心坐标
序号 名称 质量／t 质心坐标／mm
l 整车 28．43 (～3 1．25，3 939．80，2 020．02)
2 发动机及变速器 4．180 5 (一23．92，3 300．03，2 O44．87)
2．989
3 水柜及混浆罐 (0．07，5 (含水泥) 095．53，3 020．75)
4 操作平台 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。计算中 取为0．5。
表2 固井水泥车稳定性参数
上坡倾翻O／／(。) 59_3
纵向 下坡倾翻O／／(。) 63．76
滑移 ／(。) 17．53
倾翻 ／(。) 29．12
横向
滑移口 ／(。) 26．56
倾翻 ／(km／h) 30．64
转向
滑移 ／(km／h) 29．02
分析、计算结果表明，降低固井水泥车质心高
度、增大轮距是提高固井水泥车行驶稳定性的有效
手段。因此，在固井水泥车总体布局时应合理配置各
个质量单元，使其质心位置必须满足稳定性要求。
3 结论
依据本文计算和分析的结果，所设计的
DQG5250TSN型自动混浆双机双泵固井水泥车经试
验测试并经实际应用检验，完全满足行驶安全性要
求，并符合国家对特种车辆行驶安全稳定性的标准
规定，验证了本文计算结果的正确性，对今后开发新
型固井水泥车的设计计算具有一定的参考价值。
参考文献
【1]李武幸，戴相富，郑满圈，等．双泵固井水泥车的研制【J】．
石油机械，2003，31(2)：26—27．
【2]代汝泉．汽车运行性能【M】．北京：国防工业出版社，
2003：46—202．
[3]才委．固井水泥车整车性能研究与仿真计算【D】．吉林
大学．2005．
通信地址：吉林省长春市人民大街5988号 吉林大学南岭
校区机械学院制图教研室(130022)
(收稿日期：2009—05—02)

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