硕士论文-重载压裂车底盘性能匹配与多工况车架强度分析.pdf

第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 随着国内对煤层气、 页岩气资源的开采以及原有油气田挖潜增产措施的不断推进，大型数控压裂成套设备成为必需，压裂车的研究则成为关键技术之一压裂车的底盘性能匹配、压裂车承受载荷冲击分析、多工况车架静动态强度分析、多工况疲劳累积分析是重中之重 对压裂车进行底盘性能匹配分析， 目的是为了保证在颠簸恶劣道路上的通过性能，通过理论分析，找到底盘性能影响因素，在设计开发阶段充分考虑这些因素的影响，结合底盘性能匹配的相关理论及计算方法（底盘选型、动力性、通过性、稳定性、制动性、轴荷分配等） ，设计一套整车底盘性能匹配相应的软件评价系统，缩短多轴特车的研发和性能匹配的设计周期，为其性能改进提供快捷准确的计算平台 压裂车承受重载冲击的原因主要是行驶道路的颠簸崎岖以及大泵工作下的剧烈振动，其中弯曲载荷是由压裂车上装设备的垂直载荷产生，扭转载荷是压裂车经过凹凸路面时车轮被抬起产生对车架的扭转力， 纵向载荷是加速或制动时产生惯性力，横向载荷是由转弯时车轮受到的离心力产生，冲击载荷是大泵在压裂工作过程中对车架的横向巨大冲击， 因此车架的多工况下的静动态强度分析及危险部位强化显得尤为重要， 多工况下压裂车连续使用产生的疲劳损伤累积为疲劳寿命预测童工了参考和依据。

1.2 1.2 国内外国内外研究研究现状现状 最早的特种车辆中的全地形车，出现于瑞典、苏联等少数几个位于北半球的国家，这些国家地形条件较为特殊如瑞典和苏联境内湖泊沼泽众多，大面积的领土处于北极边缘地带的积雪区；冷战结束后，由于战争样式的改变，全面大战的可能性日益降低，具备轻便、灵活、快速、舒适、噪声低等优点的轮式全地形车，也得到了飞速发展，军用全地形车辆方面的代表车型主要有美国的 M-Gator型 6x6 全地形车、意大利的“索帕猫”6×6 系列全地形车等民用全地形车辆的代表主要有美国的 MAXⅡ和 MAXⅣ， 加拿大的 ARGO； 20 世纪 60、 70 年代初期，专用车辆在军用改装车辆、消防改装车辆的基础上逐渐发展起来的；一些专用车生产厂家根据经济发展的不同需要，逐步成为某一类专用车辆生产的骨干企业，形成了自己的产品特色，如汉阳特种车辆制造厂（半挂车） 、武汉专用汽车制造厂（粉罐车） 、镇江冷藏汽车厂（冷藏保温车） 、兰州专用汽车厂（厢式汽车） 、青岛专用汽车厂（自卸车）等专用车厂家；国外油田特种车辆发展迅速，美国是主要生产压裂设备的国家,有哈里伯顿、 道威尔 2 斯伦贝谢、 B. J (BYEONJACKSON) 公司、西方公司、斯图尔特 2 斯蒂纹森等公司。

加拿大有戴尔公司,法国有道威尔公司；20 世纪 80 年代，国内各大汽车集团公司，如第一汽车集团公司、东风汽车公司、重型汽车集团公司等都把专用汽车的开发放到了重要地位，为专用汽车的发展起到了重要作用；我国大型汽车企业如一汽、东风、陕汽、重汽、北奔等许许多多厂家都在生产各种军用车辆， 专业厂家主要有汉阳特种汽车制造厂的重型车系列、 包头北方奔驰重型汽车有限责任公司的北方奔驰系列、 中集车辆(山东)有限公司的铁马系列、万山特种车辆制造厂的军车系列、泰安特种车制造厂的军车系列等，生产军用挂车、军用罐车的企业遍布全国各地，其中挂车集聚地在山东梁山一带，罐车集聚地在湖北随州一带； 国内一些石油机械厂引进成套压裂设备制造技术以来，通过多年的设计、制造和自主开发，掌握了系列压裂柱塞泵、压裂泵车、混砂车的核心技术，以及成套压裂机组的制造、配套技术，自主研发了压裂设备自动控制、网络控制等先进技术， 可以为油田各种压裂、 防砂作业提供完整的成套设备， 压裂机组由压裂车、混砂车、 仪表车、 管汇车和运砂车等组成的； 近几年来， 一些专用汽车生产厂家，比如石油机械行业油气田特种车辆生产厂家，在立足国内市场的基础上，已经开始涉足国外市场，尤其是我国中吨位的专用汽车以其具有的可靠性、性能适中、价格低廉在第三世界国家中已具有相当的竞争能力。

油田特车需求越来越大，随着油气田开采难度增加，高性能、可靠的特种车辆显得更加重要压裂车大泵的剧烈冲击、沙漠修井车沙漠恶劣路况的行驶通过性、其它各种油田特车的整车性能、结构强度和疲劳强度都面临很大的挑战各种多轴重载特车底盘性能要求越来越高，研究、设计的方法也进步很多 1.2.1 整车匹配研究现状整车匹配研究现状 早在上个世纪七十年代，国外许多科研机构和大的汽车生产厂商便意识到，汽车动力性和经济性的好坏， 在很大程度上取决于汽车动力系统合理匹配的程度在国外整车设计已经形成了以整车需求、道路特点为先导，通过精确模拟和整车性能模拟（预测）的先进手段进行整车匹配设计的模式这种模式配合大量的道路试验数据，大大提升了整车匹配设计的前期符合性，有效地缩短了产品推出周期如：1972 年，美国通用汽车公司的 GPSIM，福特公司的 TOEFP，康明斯公司的 VMS，美国交通部的 VEEMIS，日本日产汽车公司的 CSVFEP，德国奔驰汽车公司的 TRASCO,AVL 公司的 CRUISE,日本西迪亚特公司的 GT-DRIVE 等 这些程序的使用在样车制造前就能准确地对汽车动力性、燃料经济性进行预测，这样就可以节省大量的试验费用，缩短设计周期。

日本西迪阿特公司的 GT-DRIVE 在发动机工作过程、整车与动力传动性能等相关领域处于国际领先的水平,并有着丰富的测试与技术积累日本西迪阿特公司研制开发的 GT-DRIVE 车辆性能仿真软件是专门为汽车传动系统匹配而设计的整车性能仿真软件，该软件除了实现上述各种仿真软件的功能外，还能计算整车的排放性能，这便使其与别的软件相比有了自己的优势GT-DRIVE 的所有计算模块都经过了试验数据的标定，从而保证了计算结果的可靠性和精确性整车全电控技术的研究和应用是目前整车的一个方向， 整车匹配设计和整车性能模拟计算则是实现整车电控的基础，也是发动机实现电控的基础只有透彻理解发动机性能与其参数之间，整车性能与总成各参数之间的关系，才能进行整车性能模拟计算和整车匹配设计，在性能有保障的前提下，利用电子控制装置优化性能发动机和整车的电控化将是行业发展的总趋势 我国在汽车动力系统优化匹配方面的研究起步较晚， 进入 80 年代后国内汽车行业和有关高校开展了一些工作，也取得了一定的成果目前，国内汽车界主要是围绕以下几个方面开展工作的：(1) 汽车动力系统数学模型的研究；(2) 汽车传动系参数的优化研究；(3) 按给定工况模式的模拟研究；(4) 按实际道路条件随机模拟的研究；(5) 模拟程序的研究。

而以上这些研究均没有考虑传动系匹配程度对排放的影响由此可知，随着我国汽车工业的发展，汽车动力性、燃料经济性模拟计算方法在提高汽车基本性能、缩短研制试验周期方面将发挥巨大作用.整车匹配工作可以分为整车结构总布置和整车性能、系统匹配设计两个方面，这两个方面从整车的角度来看是息息相关、 密不可分的，目前国内各大整车厂和底盘厂家都有相关的整车总布置人员负责整车匹配工作，从整车结构到整车的动力性、经济性、冷却系统、电器系统等各个方面进行设计、匹配（包括发动机总成与底盘的匹配）和选择随着，国内经济建设的发展，整个市场对整车的需求数量大幅度上升的同时，用户对高性能、高可靠性、适应性强、专业化的整车需求日益突出但是，目前各大整车厂和底盘厂家满足市场对整车的这种需求时多是单纯从整车结构设计的角度进行整车匹配设计的， 对整车的性能和系统匹配往往不进行或进行的不全面、 不充分这种情况导致目前在整车性能匹配方面各大整车厂和底盘厂家仍然沿用几十年前的经验算法，即：整车厂、底盘厂在整车总体布置完成之后，从最高车速和比功率出发，根据经验，按整车的吨位取估计值后，选择适宜的发动机，然后选取轮胎型号，之后进行传动系各部件的凑算。

由于整车发展和国内道路、 使用条件的变化， 以及汽车排放法规的日趋严格，使得经验算法的结果与目前的实际使用往往有着较大的差距， 在设计初期不能对整车性能进行客观的评价和预见，这加大了整车道路试验的工作量，影响了整车的推出速度 目前国内柴油机厂家对整车和发动机匹配后的整车性能如何基本不能预见，柴油机的性能特性是否符合整车要求也无从知晓造成这种情况的原因除了整车厂家在整车匹配方面能力欠缺、没有手段外，与柴油机厂家对整车性能匹配的不熟悉也有很大的关系其实，柴油机在台架上的优越的动力性和经济性并不代表在整车上的优越的动力性和经济性不同的厂家、不同的车型由于汽车底盘参数不同、使用条件不同，所以采用同一发动机整车性能有很大的差别，也就是说整车和柴油机是一个配合体， 只有有效匹配才能将柴油机的优势发挥出来，才能获得满意的整车性能 国内各发动机厂的性能匹配方面开展情况先后不一，玉柴被市场所逼，不得不早早主动出击，匹配工作一直走在前面上柴公司早在几年前就开始吸收整车性能匹配方面的工程师， 可以看出他们也早有这方面的考虑， 并已启动这项工作东风康明斯在卡车和客车市场都占有很大的份额，是国内匹配面最广的品牌，特别是在中高挡客车上，这是与他们广泛展开整车性能、系统匹配工作分不开的。

以康明斯为代表的几家柴油机厂依托积累的大量匹配经验，纷纷出台了各自的“匹配手册” ，从柴油机的角度对整车的各个系统提出匹配要求和注意事项，并配合着整车性能匹配，使得整车和柴油机实现了优良匹配，为厂家提高各自的市场占有率提供了有力的支持 目前，在我国对整车的动力性、经济性的评价，是在进行实车道路试验之后给予最后评价的，而整车的排放性是要在转鼓试验室中进行测量这样做不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及各种总成方案的确定、结构参数的选择、传动系统参数与发动机的匹配等，就有一定的盲目性，使得产品的性能不佳，进而造成人力、物力、财力的浪费因此要试验某种车型，假如有三种整车总质量、四种发动机、三种变速器、三种驱动桥及两种轮胎可供选择，那么不同组合的试验方案便多达 216 种，而每种方案都需要设计、制造一系列不同的零部件，需花费大量的时间和费用因此，为了提高设计质量，缩短研制周期，在设计阶段就需要根据有关设计参数，对汽车动力性和燃料经济性进行预测，随着计算机的广泛应用和现代计算方法的发展， 计算机模拟计算法为汽车动力性和燃料经济性的预测提供了有效而准确的工具 计算机仿真模拟与一般的性能计算方法相比，有着许多优点： (1) 它可以考察出汽车结构参数是如何影响汽车动力性和燃料经济性的， 特别是 这些参数微小变化时，实际车辆试验往往测量不出对动力性和燃料经济性 的影响，而计算机模拟计算则可算出其微小的影响。

(2) 它可以求解较复杂而精确的数学模型， 过去无法求解的或需要大量时间才能 求解的线性或非线性的微分方程组，采用计算机仿真模拟的手段可以快速 求出数值解所以在仿真模拟的情况下可以采用能准确描述所研究运动的 较复杂的模型，这就使计算结果更接近实际 (3) 它能按预定的程序模拟各种行驶工况，包括瞬变的稳态工况，因而能全面地 预测汽车在各种工况下的动力性，经济性及排放 (4) 计算机仿真模拟可以在很短的时间内对大量的设计方案进行运算， 查明这些 方案和参数对汽车性能的影响， 有助于设计人员很快地找到比较有利的设计方案和匹配参数 由此可见，计算机仿真是汽车性能优化与匹配研究的有力工具，它不仅能分析和预测汽车的动力性，燃料经济性及排放性能，而且能运用于设计的综合，即根据预定的性能指标和技术要求找出最佳的设计参数 1.2.2 车架车架结构结构强度强度研究现状研究现状 目前， CAD、 CAE、 PDM 软件已经十分成熟， CAD 软件如 AUTOCAD、 PRO/E、 CATIA、Solidworks；CAE 软件如动力学分析软件 ADAMS、流场仿真软件 Fluent、结构分析软件 Ansys 和 Nastran 等;PDM 软件如 Windchill 等。

另外仿真过程与数据管理软件如 MSC/SimManager、试验数据管理系。