YLC2500型压裂车液压系统的可靠性分析.pdf

d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 4 Y L C 2 5 0 0 型压裂车液压系统的可靠性分析 李 宣， 祁 建， 霍 光 ， 车永顺 沈N l t 方重工有限公 司 设计研究 院， 辽宁 沈 阳 l 1 0 1 4 1 摘要 该文介绍了2 5 0 0 型压裂车液压系统； 在液压原理的基础上 ， 建立了故障树的数学模型； 从定量和定性两个方面， 对液压系统的 故障进行了可靠性分析 ， 并将提高可靠性的措施应用到现场工作中， 为提高压裂车液压系统的可靠性和安全性提供有力的依据。 关键词 压裂车； 液压系统； 故障树 ； 可靠性 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 1 0 0 5 3 0 3 Re l i a b i l i t y An a l ys i s o f Hyd r a u l i c Sy s t e m f o r YLC 2 5 0 0 Fr a c t u r i n g Tr u c k L I Xu a n ， Q I J i a n , HUOGu a n g , C HEY o n g - s h u n S h e n y a n g No r t h e r n He a v y I n d u s t r i e s G r o u p Co ． ， L t d ． ， De s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h e n y a n g 1 1 0 1 4 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Ar t i c l e i n t r o d u c e s t h e mo d e l 2 5 0 0 f r a c t u r i n g t r u c k h y d r a u l i c s y s t e m ； Ba s e d o n t h e h y d r a u l i c s y s t e m p r i n c i p l e ， e s t a b l i s h e s t h e m a t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e f a u l t t r e e； f r o m t h e t wo a s p e c t s o f q u a n t i t a t i v e a n d q u a l i t a t i v e ， t h e f a u l t o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m i s a n a l y z e d ， a p p l y t he m e t ho d o f i mpr ov i n g r e l i a b i l i t y t o wo r ki n g，p r o vi de a s t r ong ba s i s f o r i mp r ov i n g t he r e l i a b i l i t y a n d s a f e t y of f r a c t u ring t r uc k h ydra ul i c s ys t e m． Ke y wo r d s f r a c tur i n g t r u c k ； h y dra u l i c s y s t e m； f a u l t t r e e ； r e l i a b i l i ty 0 引言 压裂作业是通过注人超高压流体使井底地层形成 填砂裂缝 ， 提高油气流通性 ， 是石油增产 的一种有效的 方法。压裂车是压裂作业最重要的压裂作业成套设备 之一 ， Y L C 2 5 0 0 型压裂车是一款大输 出功率 的压裂车 ， 主要 用于油气 田深井 、 中深井的各 种压裂作业 。液压 系统是压裂车 的重要组成部分 ， 它决定 了压裂车是否 能正常、 连续的工作。本文将故障树分析方法应用于 压裂车的液压系统 ， 对压裂车 的可靠性和安全性具有 指导意义。 1 压裂车液压系统故障树的构建 1 ． 1 液压系统的工作原理 压裂车 的液压 系统主要 包括两部分 一部分是启 动的液压系统， 另一部分为冷却风扇的液压系统， 压裂 车的液 压系统 图如 图 1 所示 。柴油机启 动液压 系统是 由液压泵提供压力源 ， 通过控制电磁换向阀 ， 实现液压 马达工作， 液压马达通过联轴器传递转速和扭矩， 实现 柴油机启动 ； 液压泵 由底盘的取力器驱动 ， 液压系统 中 设计 了两个启动马达 ， 一 台启 动马达工作 ， 另一台作为 备用 ， 备用马达可以保证能够在启动马达故障时， 压裂 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 5 1 2 基金项 目 辽 宁省科 技创新重大专项项 目 2 0 1 3 0 3 0 0 3 作者简 介 李 宣 1 9 8 2 一 ， 男 ， 辽 宁瓦房 店人 ， 工 程师 ， 硕士研 究生 ， 从事 液压系统设计和开发领域的科学研究。 车还能继续工作 。冷却风扇液压 系统 ， 通过底盘发 动 机取力 ， 驱动多通道水箱风扇马达 ， 风扇速度可 以通过 设置在发动机和传动箱上 的温控开关实现 自动开启。 通过上面文字可 以看 出 ， 液压系统是压裂车十分重要 的组成部分之一 ， 如果油机启动系统或者冷却风扇 系 统发生故障， 压裂车就必须停止工作， 会严重影响压裂 作业。 日⋯广 T T T I l i 1 3 l dⅪ 4 L1 ．r 毫 1 I l 『 3 萋 ≥ 1 I 101 I 1 1 、 2 - 吸油过滤器3 一 定量泵4 一 换 向阀 5 一 溢流阀6 、 7 一 马达 8 、 1 1 、 1 2 一 单向阀 9 、 1 0 一 回油过滤器1 3 一 节温器1 4 一 风扇马达 1 5 一 冲洗阀l 6 一 压油过滤器1 7 一 冷却变量泵 图 1 液压系统原理图 液 压 气 动 与 密 1“ ／2 01 6年 第 01 期 1 ． 2故障树建立 故障树 的本质是一种树状 的逻辑 图。一个故障树 里主要包含常用事件 、 故障树逻辑 门； 故 障树利用逻辑 门， 将常用事件联 系起来 ， 表达常用事件之间的逻辑关 系 ， 从而描述系统或者元件 的故障状态。 要建立的故障树 ， 应确定故障树的顶事件， 找出影 响顶事件 的直接因素作 为中间事件 ， 并继续逐步进行 分析 ， 直到故障树的基本事件 。为了保证 YL C 2 5 0 0 型 压裂车能够无故障的可靠的工作 ， 我们将作定义顶事 件为液压系统故障， 设定故障相互独立、 系统管道和接 头没有泄漏 、 液压元件没有泄漏 ， 建立故障树如图2 所示 。 图 2 故 障树 故障树符号代码如下 T 为液压系统故障， H 为柴 油机启动马达不 T作 ， H 为冷却风扇马达不T作 ， H ， 为 启动马达故障 ， H 为启动马达压力不足 ， H 为启动马达 流量不足 ， H 为风扇马达压力不足 ， H 为风扇马达流量 不足 ， x， 为液压油污染 ， x 为风扇 马达故 障 ， x 为液压 油污染 ， x 为主启动马达故障， x 为备用启动马达故 障 ， x 为启动压力 阀故障 ， x 为定量泵压力不足 ， x 。 为 高压过滤器故障， x 为油箱的损坏， x 。 为单向阀弹簧故 障， x 为换向阀故障， x 。 为定量泵导致流量不足， x 。， 冲 洗阀弹簧故障， x 。 为变量泵压力不足， x 。 为变量泵流 量不足 ， x 为油箱的损坏 ， x。 ， 为低油过滤器故障 ， x。 为 节温器故障 ， x． 为单向阀故 障， x 。 为高压过滤器故障。 2 液压系统的故障树分析 故障树分析法是一种需要整体、 综合、 定量地考虑 系统故障的一种方法 。故 障树分析 主要有两部分 一 是液压系统的定性分析 ； 二是液压系统的定量分析 ， 它 们都是故障树分析的重要组成部分。 2 ． 1液压系统故障树的定性分析 定性分析从数学上说就是找出导致工作液压系统 故 障的故 障树 的全部最小割集 ， 计 算出系统 出现故 障 事件多少种可能性 。定性分析有上行法和下行法两种 方法 ， 本文采 用 上行 法对 液压 系统故 障树 求解 最小 54 割集。 TH。 UH ， H。 X UH， I．J H H H UH UX UX， H X4 X5 H4 X6 UX7 H X UX UX 。 UX． 。 UX H6 X1 3 UXl 4 H7 X1 5 UX1 6 U Xl 7 UX1 8 UXl 9 UX2 0 根据上面计算可 以得到 TH。 UH． X x X． X 。 ⋯X ． X X ， X ， ⋯X 。 因此 ， 得 到最小割集为{ x ， x } ， { X。 ， x f， ． ． X， z } ， { x ， x ， x x 0 1 从定性分析 可看 出 ， 液压系统是一个 串并 联系统 ， 由两个元件并联和多个单元件 串联而成 ， 并且 串联单元 比较多。串联系统 的底事件数 目过多是导致 系统故障 的影响 因素多的主要原凶 ， 其 主要 的影 响是 降低了系统 的可靠性 ， 由于每台设备的成本有限制 ， 在 设备承受的价格成本之 内， 应多增加并联系统 ， 并利用 贮备系统。 2 ． 2 液压系统故障树的定量分析 故 障树 的定量分析是依据故障树 中各种事件发生 的概率 ， 计算 出顶事件的发生概率 。故障树的定量分 析主要包括求顶事件的发生概率和底事件的重要度 。 1 底事件结构重要度分析 液压系统是 由一个或门结构和与门结构组成 。因 此 ， 可 以得到 x 和 X 的结构重要度 2 1 ／ 4 其余底事件的结构重要度 2 。 。 1 ／ 2 2 顶事件 的失效率和可靠度 本文所建系统的故障树一共由2 0 个底事件构成 ， 底事件 的失效率如表 1 所示。 作如下设定， 计算可靠度等的相关数据 ， 如表 1 所 示 。 1 设定压裂车的大修周期为 2 次／ 年 。 2 压 裂 车 的 液 压 系 统 连 续 的 工 作 时 间 为 2 0 0 0 h ／ 年。 3 每个有效周期 内的工作时间 1 0 0 h 。 首先计算最小割集的不可靠度 Q I 0 ． 9 9 9 5 7 x 0 ． 9 9 9 5 7 1 ． 8 5 E 一 7 Q 2 0 ． 0 6 2 0 ． o o o 5 7 0 ． O O l 8 0 ． o o o 0 4 0 ． o o o 1 5 0 ． o o o 5 0 ． 0 0 1 1 0 ． 0 0 2 0． 0 68 6 6 Q 3 O ． 0 6 9 1 容斥定理部分项法计算公式为 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 0 1 6 5 ， ∑ Q C _ 1 ≤ l ‘ ‘ ．≤3 Q ∑ 一 1 S 。 其中， G为底事件 ， 9 i 为最小割集的不可靠度。 采用前两项近似法 ， 对顶事件进行近似计算 ， 5 。 ∑Q C ， 1 ． 8 5 E 一 7 0 ．0 6 8 6 6 0 ．0 6 9 1 1≤ ≤ 3 0 ． 1 3 7 8 5 ∑ Q C 1 ．8 5 E 一 7 x O ．0 6 8 6 6 1 l 2≤ 3 1 ． 8 5 E一7 X 0 ． 0 6 9 1 0 ． 0 6 8 6 6 X 0 ． 0 6 9 1 0． 0 0 47 Q S 一 S ／ 2 0 ． 1 3 54 由定量计算可知， 压裂车的液压系统的不可靠度 为0 ． 1 3 5 4 ， 液压系统中有很多串联的底事件 ， 会提高造 成了液压系统的不可靠性 ， 同时也能发现备用的启动 马达在一定的程度上提高了液压系统的可靠性。 表1底事件的故障数据 2 ． 3提高可靠性的措施 由计算可得 ， 压裂车的液压系统 的不可靠度为 0 ． 1 3 5 4 ， 从而获得液压系统可靠度为0 ． 8 6 4 6 ， 由于压裂 车是 高压作业 ， 在现场调试和工作 的时候 ， 输 出的水基 液压力达 到 1 2 0 MP a ， 一旦 出现故 障 ， 会 的造 成井 口崩 开 ， 损坏油井 ， 甚至伤人。因此采用如下措施 1 降低一个周期中的有效工作时间为8 0 h ， 再次 经过上 面的计算 ， 得 到液压 系统 的可靠 度为 0 ． 9 0 5 5 。 在现场压裂生产 中 ， 压裂机组 的压裂车都会有一 台作 为备用 ， 该备用压裂车的作用是防止压裂机组中的某 台压裂车 因工作时 间太长和突然 出现故障 ， 从 而提高 压裂机组的可靠性 。 2 每次 工作周期后 ， 对 液压油进行检测 ， 如果 液 压油清洁度不够 ， 及时进行清理 ， 并更换过滤器滤芯。 3 针对表 1 中不可靠度高的故障， 不定期地进行 检查 ， 尽早发现故障， 排除故障。 该压裂车经过现场 的调试 和施 工作业 ， 采用上 面 的措施后 ， 因液压系统故障造成压裂车不能工作的情 况， 明显减少， 液压发生故障的频率由每3 个月一次， 变 成每半年一次， 因此提高了压裂车的使用效率。 3 结论 1 故障树分析法是图形演绎法的一种， 是一种故 障分析的有效方法。 2 以液压系统故障为顶事件， 构建了的故障树 ， 进行定性和定量的分析 ， 从而找出造成故障的因素， 为 压裂车液压系统的生产和故障诊断研究提供理论依 据 ， 并采取一定措施， 提高液压系统的可靠性。 参考文献 [ 1 ] 赵静一 ， 王益群 ， 等． 液压机液压系统的可靠度预计软件开 发[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 1 ， 5 9 1 2． 【 2 】 李何清 ， 谭青 ， 等． 2 5吨轮胎起重机液压系统可靠性分析【 J ] ． 液压与气动， 2 0 0 7 ， 5 ． [ 3 】 候惠萍 ， 刘混举 ， 等． 基于故障树的掘进机液压系统可靠性 仿真分析[ J ] ．液压与气动， 2 0 0 3 ， 4 7 9 8 1 ． 『 4 ] 王军峰 ， 孙 由啸 ， 等．9 0 0 t 提梁机液压卷扬系统的故障树分 析【 J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 8 1 6 - 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