CN114151056B - 一种油液混合动力压裂车及其控制方法 - Google Patents

一种油液混合动力压裂车及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种油液混合动力压裂车及其控制方法，包括：底盘行走系统和上装作业系统。所述底盘行走系统包括：行走柴油发动机，其输出轴上固定第一主动齿轮；第一离合器；变速器；驱动桥。所述上装作业系统包括：大功率柴油机，其输出轴上固定第二主动齿轮；小功率柴油机组；液压泵组，其与第二从动齿轮、主阀组和第一从动齿轮连接；主阀组，其通过主油路连接开关电磁阀组和液压马达组，通过齿轮系驱动压裂泵；第一、第二高压蓄能器，其与两位三通换向阀、三位三通换向阀连通。本发明通过控制所述两位三通换向阀、所述三位三通换向阀和所述各发动机的工作状态，实现油液混合模式的切换，以满足压裂车负载功率不断大范围变化的动力需求。

Description

一种油液混合动力压裂车及其控制方法
技术领域
本发明涉及节能型工程机械领域，特别涉及一种油液混合动力压裂车及其控制方法。
背景技术
压裂车主要用于油、汽、水井的各种压裂作业以及酸化作业，压裂作业通过向井内注入高压、大排量液体，将地层压开，再将支撑剂加入挤压出来的裂缝中，增强地层的渗透率，提高油、汽、水的产量。
压裂车根据其使用工况，一般要求具有超高压力、大功率、大排量、长时间作业和工作区间范围大的特点。传统的压裂车一般由底盘行走机构和上装设备两部分组成，其中上装设备主要有柴油发动机、液力传动箱、压裂泵、吸入排除管汇、安全系统、燃油系统、压裂泵润滑系统、电路系统、气路系统、液压系统、仪表及控制系统，其传动路线为：柴油发动机—液力传动箱—传动轴—压裂泵，但其需要最大功率超过3000kW的单柴油机，效率极低，且成本高。因此提出了多发动机驱动的模式，该模式下又分为三种传动模式，一种是多个发动机耦合后通过传动轴驱动压裂泵，一种是将发动机输出通过液压泵转变为液压传动，液压驱动马达，马达再驱动压裂泵，一种是全液压传动，即用油缸泵替换压裂泵，直接用液压驱动油缸泵实现压裂介质的吸入与排出。
目前，行业内的一些公司和有关高校已经在油液混动压裂车方面取得了一些进展。如：公开号CN205026040U的专利“一种用于压裂车的液压传动系统及压裂车”的液压传动系统包括发动机单元、液压传动油路、压裂执行机构和液压油箱，发动机单元的每一台发动机都有液压驱动单元，驱动压裂泵，具有供油能力强、驱动能力强，输出最大压力、最大排量大的优点；石油矿场机械期刊编号1001-3482(2015)02-0032-05的“2500型全液压式压裂车设计研究”采用全液压传动，通过主阀组控制油缸泵的交替动作，实现压裂介质的吸入与排除，能够满足超高压、大排量的各种压裂工况的需求，适用范围广，压裂成本低。
但以上的油液混动的效率较低、能耗大，造成较大的燃油浪费以及排气污染。鉴于此，发明了一种油液混合动力压裂车及其控制方法。该发明不仅解决了效率较低的问题，充分利用了发动机的高效率区域，节约了燃料和减少了排放污染，还实现了压裂车的长时间高效工作。由于利用了行走柴油机，可以减少上装的柴油机数量及其配备的附属设备，减轻了上装质量，从而减少了车辆运行时的能量消耗，还降低了设备成本。
发明内容
本发明的目的在于提出一种油液混合动力压裂车，根据负载功率的变化提供不同的动力驱动方法，从而保证发动机能长时间运行在稳态高效率工作区，不受压裂泵负载功率变化的影响。
本发明还提供了一种油液混合动力压裂车的控制方法，由柴油机组和两高压蓄能器共同驱动，使柴油机一直在高效稳定区工作，通过高压蓄能器调节负载功率的波动，从而改善了压裂车的燃油经济性和排放性，且控制方法简单易实现。
本发明提供的技术方案为：一种油液混合动力压裂车，包括底盘行走系统和上装作业系统；
所述底盘行走系统包括：
行走柴油发动机，其输出轴上固定第一主动齿轮；
第一离合器，连接所述行走柴油发动机输出轴以及变速器输入轴；
驱动桥，与所述变速器输出轴连接，所述驱动桥两端连接驱动轮；
所述上装作业系统包括发动机单元、液压传动单元、压裂执行单元、高压蓄能器单元；
所述发动机单元包括：
大功率柴油机和小功率柴油机组，以及其各输出轴连接的第二离合器组；
第二主动齿轮，固定在所述大功率柴油机输出轴上；
第一从动齿轮，与所述第一主动齿轮啮合，其与所述第二离合器组输入轴连接；
所述液压传动单元包括：
液压泵组，其输入轴与所述第二离合器组的从动盘毂输出轴相连接；
过滤装置，排出管连接所述液压泵组的吸入管；
油箱，排出管连接所述过滤装置的吸入管；
主阀组，吸入管连接所述液压泵组的排出管；
主油路，连接所述主阀组；
开关电磁阀组，吸入管连接所述主油路；
液压马达组，吸入管连接所述开关电磁阀组的排出管，排出管连接所述油箱；
所述的压裂执行单元包括：
齿轮系，输入连接所述液压马达的输出轴，输出相互耦合；
第三离合器，输入轴连接所述齿轮系；
压裂泵，输入轴连接所述第三离合器的从动盘毂输出轴，所述压裂泵还包括吸入管汇和排出管汇；
散热装置组，连接所述主阀组；
所述的高压蓄能器单元包括：
第二从动齿轮，与所述第二主动齿轮啮合，与第四离合器输入轴相连；
液压泵，输入轴与所述第四离合器的从动盘毂输出轴相连，吸入管连接所述过滤装置；
第一单向阀，连接第一溢流阀，所述第一溢流阀连接着所述油箱；
第二单向阀，连接第二溢流阀，所述第二溢流阀连接着所述油箱；
第一高压蓄能器，连接所述第一单向阀；
第二高压蓄能器，连接所述第二单向阀；
两位三通换向阀，A通道连接所述液压泵，T通道连接所述第一高压蓄能器，P通道连接所述第二高压蓄能器；
三位三通换向阀，A通道连接所述主油路，T通道连接所述第一高压蓄能器，P通道连接所述第二高压蓄能器。
优选的是，所述小功率柴油机组包括三台完全一致的小功率柴油机；
所述的散热装置组包括四台完全一致的散热装置，且分别与所述大功率柴油机和所述小功率柴油机组的三台小功率柴油机一一匹配；
所述第一高压蓄能器和所述第二高压蓄能器完全一致。
优选的是，所述第二离合器组包括五台完全一致的离合器；
所述液压泵组包括五台完全一致的液压泵，且分别与所述第二离合器组的五台离合器一一匹配；
所述开关电磁阀组包括五个完全一致的开关电磁阀；
所述液压马达组包括五台完全一致的液压马达，且分别与所述开关电磁阀组的五个开关电磁阀一一匹配。
优选的是，所述两位三通换向阀用于控制所述液压泵排出管和所述第一高压蓄器和所述第二高压蓄能器之间的通断，其处在1位时，所述液压泵排出管与所述第一高压蓄能器相连，其处在2位时，所述液压泵排出管与所述第二高压蓄能器相连。
优选的是，所述三位三通换向阀用于控制所述主油路和所述第一高压蓄器和所述第二高压蓄能器之间的通断，其处在1位时，所述主油路与所述第一高压蓄能器相连，其处在2位时，均不连通，其处于3位时，所述主油路与所述第二高压蓄能器相连。
一种油液混合动力压裂车的控制方法，包括：
当Pmax≤Pe1，Pmax≤Pe1_min，pa_av＜pa≤pa_high时，三位三通阀打开，两位三通阀关闭，系统工作在高压蓄能器单独驱动的工作模式；其中，Pmax为当前压裂泵运行周期内峰值功率，Pe1＝Pe2_min+Pe1_max，Pe1_min、Pe1_max分别为大功率柴油机的高效工作区的功率下限和功率上限，Pe2_min为小功率柴油机高效工作区的功率下限，Pa_av为高压蓄能器的充放压界限，Pa_high为高压蓄能器压力上限，Pa为高压蓄能器当前压力；
当Pmax≤Pe1，Pmax≤Pe1_min，Pa≤Pa_av或Pmax≤Pe1，Pe1_min＜Pmax≤Pe1_max，Pa≤Pa_av时，大功率柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开，两位三通阀关闭，系统工作在大柴油机同时稳定驱动和补压的工作模式；
当Pmax≤Pe1，Pe1_min＞Pmax≤Pe1_max，pa_av＜pa≤pa_high时，大功率柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开1位，两位三通阀关闭，系统工作在大柴油机稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动的工作模式；
当Pmax≤Pe1，Pe1_max＞Pmax≤Pe1，Pe1_max＞Pmax≤Px1时，大功率柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开1位，两位三通阀关闭，系统工作在大柴油机稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动的工作模式；直至Pmax＞Px1，第一高压蓄能器不足以补偿负载功率波动；其中Px1为第一高压蓄能器能补偿负载功率波动的临界功率，Pa＜0时，高压蓄能器充压，Pa＞0时，高压蓄能器放压；
当Pmax≤Pe1，Pe1_max＜Pmax≤Pe1，Px1＜Pmax≤Pe1时，大功率柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开，两位三通阀打开，高压蓄能器单元处的液压泵启动，系统工作在大柴油机稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动的工作模式；直至Pmax＞Pe1，第一高压蓄能器和第二高压蓄能器的交替循环不足以补偿负载功率波动；
当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pe1＜Pmax≤Pem1，pa_av＜pa≤pa_high时，大功率柴油机和小功率柴油机组的第一台柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开，两位三通阀关闭，系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动和补压的工作模式；其中Pem1＝Pe2_max+Pe1_max，Pe2_max为小功率柴油机高效工作区的功率上限，Pe2＝Pe2_max+Pe1_max+Pe2_min；
当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pe1＜Pmax≤Pem1，pa≤pa_av时，大功率柴油机和小功率柴油机组的第一台柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开1位，两位三通阀关闭，系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动的工作模式；
当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pem1＜Pmax≤Pe2，Pem1＜Pmax≤Px2时，大功率柴油机和小功率柴油机组的第一台柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开1位，两位三通阀关闭，系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动的工作模式；直至Pmax＞Px2，第一高压蓄能器不足以补偿负载功率波动；其中，Px2为该阶段第一高压蓄能器能补偿负载功率波动的临界功率；
当Pe1<Pmax≤Pe2，Pem1<Pmax≤Pe2，Px2<Pmax≤Pe2时，大功率柴油机和小功率柴油机组的第一台柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开，两位三通阀打开，高压蓄能器单元处的液压泵启动，系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动的工作模式；直至Pmax＞Pe2，第一高压蓄能器和第二高压蓄能器的交替循环不足以补偿负载功率波动；
同理，当Pe3＜Pmax≤Pe3或Pe3＜Pmax≤Pe4或Pe4＜Pmax≤PeMAX时，如同Pe1＜Pmax≤Pe1一样，也有如上的四种模式及模式切换方式：即同时稳定驱动和补压、同时稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动、同时稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动、同时稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动；以上输出功率均为P；其中P为压裂泵实时功率，Pem2＝2Pe2_max+Pe1_max，Pe3＝2Pe2_max+Pe1_max+Pe2_min，Pem3＝3Pe2_max+Pe1_max，Pe4＝3Pe2_max+Pe1_max+Pe3_min，Pem4＝3Pe2_max+Pe1_max+Pe3_max，Pe3_min和Pe3_max为行走柴油机高效工作区的功率下限和功率上限，PeMAX为整个动力系统所能提供的峰值功率，并且各阶段仍有第一高压蓄能器能补偿负载功率波动的临界功率Px3、Px4、Px5。
优选的是，所述高压蓄能器的充放压界限pa_av满足：
优选的是，所述高压蓄能器当前压力由高压蓄能器压力传感器实时监测，所述压裂泵实时功率由压裂泵输出管汇处安装的压裂泵压力/流量传感器实时监测并由控制单元计算，所述当前压裂泵运行周期内峰值功率取压裂泵功率波动周期内的最大值。
模式切换信号可以来自于ECU根据所述高压蓄能器压力传感器信号和所述压裂泵压力/流量传感器信号计算比较后的结果，也可以来自布置在驾驶室的工作模式切换开关。所述模式切换信号用于控制各柴油机控制器、所述两位三通换向阀、所述三位三通换向阀和其余控制器。
优选的是，在压裂车行驶时，若所述高压蓄能器当前压力pa≤pa_av时，可将所述第二离合器组接合，行走发动机一边驱动车辆运行，一边给所述第一高压蓄能器和所述第二高压蓄能器补压，直至pa＝pa_high。
本发明的有益效果是：
1.本发明所述的油液混合动力压裂车利用行走发动机取代了一个上装发动机，减轻了上装的质量，节省了布置空间，降低了成本，降低了整车质量，在车辆行驶过程中能减少燃油消耗。
2.本发明所述的油液混合动力压裂车在运行时，可根据不同的负载功率以及负载的工作特性，通过本发明的控制方法，可令各个发动机略过低效率工作区，始终处于高效稳定的工作区，高压蓄能器提供了功率补偿和双向调压的作用。稳定了上装发动机的工作区间，提高了发动机的燃油利用率，减少了排放污染。并且采用一个大功率发动机和三个小功率发动机来代替传统的一个更大功率发动机，能够满足压裂车工作区间大的特点，提高发动机的负荷率，燃油经济性好，且每个发动机配备一个散热装置，满足了压裂车长时间工作的特点。
本发明所述的油液混合动力压裂车在运行时，可通过两高压蓄能器的交替循环双向调压，弥补单一蓄能器可大功率输出，但能量密度不高的问题，采用交替工作可进一步稳定上装发动机的功率输出，提高动力系统的输出峰值功率。
附图说明
图1为本发明所述的油液混合动力压裂车动力系统的结构简图。
图2为本发明所述的油液混合动力压裂车电气连接关系图。
图3为本发明所述的油液混合动力压裂车作业时负载功率特性图。
图4为本发明所述的油液混合动力压裂车作业时控制流程图。
图5为本发明的两位三通换向阀和三位三通换向阀结构简图。
图6为本发明所述的油液混合动力压裂车在高压蓄能器单独工作时的功率流图。
图7为本发明所述的油液混合动力压裂车在大柴油机同时稳定驱动和补压工作时的功率流图。
图8为本发明所述的油液混合动力压裂车在大柴油机稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动时的功率流图。
图9为本发明所述的油液混合动力压裂车在大柴油机稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动时的功率流图。
图10为本发明所述的油液混合动力压裂车在大柴油机稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动时的功率流图。
图11为本发明所述的油液混合动力压裂车在大小两柴油机同时稳定驱动和补压工作时的功率流图。
图12为本发明所述的油液混合动力压裂车在大小两柴油机同时稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动时的功率流图。
图13为本发明所述的油液混合动力压裂车在大小两柴油机同时稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动时的功率流图。
图14为本发明所述的油液混合动力压裂车在大小两柴油机同时稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动时的功率流图。
图15为本发明所述的油液混合动力压裂车在大小四柴油机和行走柴油发动机同时稳定驱动和补压工作时的功率流图。
图16为本发明所述的油液混合动力压裂车在大小四柴油机和行走柴油发动机同时稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动时的功率流图。
图17为本发明所述的油液混合动力压裂车在大小四柴油机和行走柴油发动机同时稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动时的功率流图。
图18为本发明所述的油液混合动力压裂车在大小四柴油机和行走柴油发动机同时稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动时的功率流图。
图例说明：100、行走柴油发动机；101、第一主动齿轮；102、第一离合器；103、变速器；104、驱动桥；105、驱动车轮；200、大功率柴油机；201、小功率柴油机组；202、第二主动齿轮；203、第一从动齿轮；204、第二离合器组；300、第二从动齿轮；301、第四离合器；302、液压泵；303、两位三通换向阀；304、三位三通换向阀；305、第一高压蓄能器；306、第一单向阀；307、第一溢流阀；308、第二高压蓄能器；309、第二单向阀；310、第二溢流阀；400、液压泵组；401、油箱；402、过滤装置；403、主阀组；404、主油路；405、开关电磁阀组；406、液压马达组；500、散热装置组；501、齿轮系；502、第三离合器；503、压裂泵；504、输入管汇；505、输出管汇；600、底盘行走系统；700、上装作业系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1至图5所示，本发明是用于提高混合动力压裂车节能化水平的一种油液混合动力压裂车及其控制方法。本发明所述压裂车动力系统主要由底盘行走系统600和上装作业系统700组成。所述底盘行走系统600由行走柴油发动机100、第一主动齿轮101、第一离合器102、变速器103、驱动桥104、驱动车轮105组成。所述上装作业系统700由发动机单元、高压蓄能器单元、液压传动单元、压裂执行单元组成，其中所述发动机单元由大功率柴油机200、小功率柴油机组201、第二主动齿轮202、第一从动齿轮203、第二离合器组204，所述高压蓄能器单元由第二从动齿轮300、第四离合器301、液压泵302、两位三通换向阀303、三位三通换向阀304、第一高压蓄能器305、第一单向阀306、第一溢流阀307、第二高压蓄能器308、第二单向阀309、第二溢流阀310，所述液压传动单元由液压泵组400、油箱401、过滤装置402、主阀组403、主油路404、开关电磁阀组405、液压马达组406组成，所述压裂执行单元由散热装置组500、齿轮系501、第三离合器502、压裂泵503、输入管汇504、输出管汇505组成。
所述底盘行走系统600中，行走柴油发动机100的输出轴固连了第一主动齿轮101，与第一离合器102的主动盘机械固连。第一离合器102的从动盘毂输出轴与变速器103的输入轴相连，变速器103通过传动轴与驱动桥104机械连接，驱动桥104从而与两侧的驱动轮105机械连接，实现车辆行驶驱动。
所述上装作业系统700中，第一从动齿轮203与底盘行走系统600中的第一主动齿轮101啮合传动，大功率柴油机200的输出轴固连了第二主动齿轮202，与小功率柴油机组201的输出轴和第一从动齿轮203的输出轴一起与第二离合器组204的主动盘机械固连。第二离合器组204的从动盘毂输出轴与液压泵组400的输入轴机械连接。液压泵组400的吸入管通过过滤装置402与油箱401接通，排出管与主阀组403相连。主阀组403排出管分为两条支路，一支进入主油路404，一支给散热装置500供能以给大功率柴油机200、小功率柴油机组201和行走柴油发动机100散热。主油路404同时连接了主阀组403、三位三通阀304、开关电磁阀组405。液压马达组吸入管通过开关电磁阀组405与主油路403接通，其排出管与油箱401接通，其输出轴固连齿轮系406。齿轮系406彼此啮合共同输出动力，齿轮系406的输出轴与第三离合器502的主动盘机械固连。压裂泵503输入轴与第三离合器502的从动盘毂输出轴机械固连，其吸入管连通吸入管汇504，排出管连通排出管汇505。所述高压蓄能器单元的第二从动齿轮300与第二主动齿轮202啮合；第二从动齿轮300的输出轴与第四离合器301的主动盘机械固连。液压泵302输入轴与第四离合器301的从动盘毂输出轴机械固连，液压泵302的吸入管通过过滤装置402与油箱401接通，液压泵302排出管与两位三通换向阀303的A通道接通。如图5所示，两位三通换向阀303的两位为1位和2位，其三通道为A通道、P通道和T通道，其A通道与液压泵302接通，P通道与第二高压蓄能器308以及三位三通换向阀304的P通道同时接通，T通道与第一高压蓄能器305以及三位三通换向阀304的T通道接通，用于控制液压泵302排出管和第一高压蓄器305和第二高压蓄能器308之间的通断，其处在1位时，液压泵302排出管与第一高压蓄能器305相连，其处在2位时，液压泵302排出管与第二高压蓄能器308相连。如图5所示，三位三通换向阀304的三位为1位、2位和3位，其三通道为A通道、P通道和T通道，其A通道与主油路404接通，用于控制主油路404和第一高压蓄器305和第二高压蓄能器308之间的通断，其处在1位时，主油路404与第一高压蓄能器305相连，其处在2位时，均不连通，其处于3位时，主油路404与第二高压蓄能器308相连。第一高压蓄能器305还通过第一单向阀306和第一溢流阀307与油箱401相连。第二高压蓄能器308还通过第二单向阀309和第二溢流阀310与油箱401相连。
小功率柴油机组201包括三台完全一致的小功率柴油机。散热装置组500包括四台完全一致的散热装置，且分别与大功率柴油机200和小功率柴油机组201的三台小功率柴油机一一匹配。第一高压蓄能器305和第二高压蓄能器308完全一致。第二离合器组204包括五台完全一致的离合器。液压泵组400包括五台完全一致的液压泵，且分别与第二离合器组204的五台离合器一一匹配。开关电磁阀组405包括五个完全一致的开关电磁阀。液压马达组406包括五台完全一致的液压马达，且分别与开关电磁阀组405的五个开关电磁阀一一匹配。
如图3、图4和表1所示，本发明所述的一种油液混合动力压裂车及其控制方法在压裂车作业时的控制流程具体步骤如下：
上电后，压裂车整车控制器初始化，完成自检过程，读取模式切换控制参数，包括：高压蓄能器压力上限pa_high和下限pa_low，以及充放压界限值pa_av,各发动机的万有特性曲线(以数据表的形式存储在程序中)，发动机在高效率工作区间的输出功率的上限Pe_max和功率下限Pe_min。本发明设定的充放压界限值pa_av计算如下：
如图2所示，控制单元ECU通过传感器实时获取控制信号，所述控制单元中存储有所述的压裂车作业时的控制策略；所述传感器包括：两高压蓄能器压力传感器、压裂泵压力/流量传感器。两高压蓄能器压力传感器分别安装在第一、第二高压蓄能器305、308的入口处，压裂泵压力/流量传感器安装在压裂泵503排出管处，所述两高压蓄能器压力传感器、液压泵压力/流量传感器通过CAN总线将两高压蓄能器压力信号、压裂泵的压力/流量信号传输到ECU，ECU根据两高压蓄能器压力信号、压裂泵的压力/流量信号进行计算比较后，得到模式切换信号；模式切换信号也可以来自布置在驾驶室的工作模式切换开关，可以根据操作者意愿人为产生模式切换信号。该模式切换信号经CAN总线传输到模式切换控制器，所述模式切换控制器根据ECU的控制信号，完成对各柴油机控制器、两位三通换向阀303、三位三通换向阀304和其余控制器的控制。
根据控制单元输出的信号决策当前功率的输出和调节方式，并通过各柴油机控制器、两位三通换向阀303、三位三通换向阀304和其余控制器完成模式切换的操作。具体如下：
1)当Pmax≤Pe1，Pmax≤Pe1_min，pa_av＜pa≤pa_high时，如图6所示，此时三位三通阀304打开，两位三通阀303关闭，当高压蓄能器305工作时，三位三通阀304移到1位，当高压蓄能器308工作时，三通阀304移到3位，输出功率为Pa＝P，经开关电磁阀组405、液压马达组406、第三离合器502驱动压裂泵503完成作业工作；系统工作在高压蓄能器单独驱动的工作模式。
2)当Pmax≤Pe1，Pmax≤Pe1_min，Pa≤Pa_av或Pmax≤Pe1，Pe1_min＜Pmax≤Pe1_max，Pa≤Pa_av时，如图7所示，此时大功率柴油机200启动，第二离合器组204接合，三位三通阀304打开，两位三通阀303关闭，柴油机200的输出功率为Pmax，经开关电磁阀组405、液压马达组406、第三离合器502驱动压裂泵503完成作业工作，且多余高压油液可以给两高压蓄能器305、308充压；系统工作在大柴油机同时稳定驱动和补压的工作模式。
3)当Pmax≤Pe1，Pe1_min＜Pmax≤Pe1_max，pa_av＜pa≤pa_high时，如图8所示，此时大功率柴油机200启动，第二离合器组204接合，三位三通阀304打开1位，两位三通阀303关闭，第一高压蓄能器305对负载功率波动进行补偿，柴油机200输出功率为Pe1_min,第一高压蓄能器蓄能器补偿功率为Pa＝P-Pe1_min，经开关电磁阀组405、液压马达组406、第三离合器502驱动压裂泵503完成作业工作；系统工作在大柴油机稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动的工作模式。
4)当Pmax≤Pe1，Pe1_max＜Pmax≤Pe1，Pe1_max＜Pmax≤Px1时，如图9所示，大功率柴油机200启动，第二离合器组204接合，三位三通阀304打开1位，两位三通阀303关闭，且第一高压蓄能器305对负载功率波动进行补偿，柴油机200输出功率为Pe1_max,第一高压蓄能器输出的补偿功率为Pa＝P-Pe1_max，经开关电磁阀组405、液压马达组406、第三离合器502驱动压裂泵503完成作业工作；直至Pmax＞Px1，第一高压蓄能器305不足以补偿负载功率波动，即其压力低于pa_low；系统工作在大柴油机稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动的工作模式。
5)当Pmax≤Pe1，Pe1_max＜Pmax≤Pe1，Px1＜Pmax≤Pe1时，如图10所示，大功率柴油机200启动，第二离合器组204接合，三位三通阀304打开，两位三通阀303打开，第四离合器301接合，带动高压蓄能器单元处的液压泵302启动，且第一高压蓄能器305和第二高压蓄能器308对负载功率波动进行交替循环补偿，柴油机200输出功率为Pe1_max,其余补偿功率由高压蓄能器提供Pa＝P-Pe1_max，经开关电磁阀组405、液压马达组406、第三离合器502驱动压裂泵503完成作业工作；直至Pmax＞Pe1，表明第一高压蓄能器305和第二高压蓄能器308的交替循环不足以补偿负载功率波动，即单位周期内，蓄能器补偿压力降于pa_low的速率高于蓄能器由液压泵302充压的速率；系统工作在大柴油机稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动的工作模式。
第一高压蓄能器305和第二高压蓄能器308对负载功率波动进行交替循环补偿的具体步骤如下：
当第一高压蓄能器305对主油路404进行功率补偿时，此时两位三通阀303移到2位，三位三通阀304移到1位，第四离合器301接通第二从动齿轮和液压泵302，柴油机200带动液压泵302给第二高压蓄能器308进行充压；当第一高压蓄能器305的压力pa≤pa_low时，两位三通阀303移到1位，三位三通阀304移到3位，液压泵302对第一高压蓄能器305进行充压，而第二高压蓄能器308则对主油路404进行功率补偿；当第二高压蓄能器308的压力pa≤pa_low时，再由第一高压蓄能器305对主油路404进行功率补偿，液压泵302给第二高压蓄能器308进行充压，如此循环。当充压压力超过pa_high时，则可通过溢流阀307、310溢流。
6)当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pe1＜Pmax≤Pem1，pa≤pa_av时，如图11所示，大功率柴油机200和小功率柴油机组201的第一台柴油机启动，第二离合器组204接合，三位三通阀304打开，两位三通阀303关闭，且多余高压液给两高压蓄能器305、308充压，大功率柴油机200的输出功率为Pe1_max，小功率柴油机201的输出功率为Pmax_Pe1_max，经开关电磁阀组405、液压马达组406、第三离合器502驱动压裂泵503完成作业工作；系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动和补压的工作模式。
7)当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pe1＜Pmax≤Pem1，pa_av＜pa≤pa_high时，如图12所示，大功率柴油机200和小功率柴油机组201的第一台柴油机启动，第二离合器组204接合，三位三通阀304打开1位，两位三通阀303关闭，且第一高压蓄能器305对负载功率波动进行补偿，大功率柴油机200输出功率为Pe1_max，小功率柴油机201输出功率为Pe2_min,第一高压蓄能器305补偿功率Pa=P-Pe1，经开关电磁阀组405、液压马达组406、第三离合器502驱动压裂泵503完成作业工作；系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动的工作模式。
8)当Pe1<Pmax≤Pe2，Pem1＜Pmax≤Px2，Pem1＜Pmax≤Px2时，如图13大功率柴油机200和小功率柴油机组201的第一台柴油机启动，第二离合器组204接合，三位三通阀304打开1位，两位三通阀303关闭，且第一高压蓄能器305对负载功率波动进行补偿，大功率柴油机200输出功率为Pe1_max,小功率柴油机201输出功率为Pe2_max；高压蓄能器输出补偿功率Pa＝P-Pem1，经开关电磁阀组405、液压马达组406、第三离合器502驱动压裂泵503完成作业工作；直至Pmax≥Px2，第一高压蓄能器305不足以补偿负载功率波动；系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动的工作模式。
9)当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pem1＜Pmax≤Pe2，Px2＜Pmax≤Pe2时，如图14，大功率柴油机200和小功率柴油机组201的第一台柴油机启动，第二离合器组204接合，三位三通阀304打开，两位三通阀303打开，第四离合器301接合，带动高压蓄能器单元处的液压泵302启动，且第一高压蓄能器305和第二高压蓄能器308对负载功率波动进行循环补偿，大功率柴油机200输出功率为Pe1_max,小功率柴油机201输出功率为Pe2_max，补偿功率Pa＝P-Pem1，经开关电磁阀组405、液压马达组406、第三离合器502驱动压裂泵503完成作业工作；直至Pmax＞Pe2，第一高压蓄能器305和第二高压蓄能器308的循环不足以补偿负载功率波动；系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动的工作模式。
同理，当Pe2＜Pmax≤Pe3或Pe3＜Pmax≤Pe4或Pe4＜Pmax≤PeMAX时，如同Pe1＜Pmax≤Pe2一样，也有如模式6至模式9的四种模式及模式切换方式。选其中Pe4＜Pmax≤PeMAX作为一种实施例，具体可见如图15-图18的功率流图，大功率柴油机200、小功率柴油机组201的所有柴油机和行走柴油发动机100一起启动，可将行走柴油发动机100用于作业，提高峰值输出功率。
表1.压裂车作业时的控制策略
表2.表1中参数说明
本发明所述的一种油液混合动力压裂车及其控制方法在上述所有实施例工况条件下，在压裂车行驶时，若第一高压蓄能器305和第二高压蓄能器308的压力pa≤pa_av时，可将第二离合器204接合，此时底盘行走系统600当中的行走柴油发动机100可以一边经第一离合器102、变速箱103和驱动桥104驱动车轮105完成驱动车辆行驶任务的同时，一边经第一主动齿轮101、第一从动齿轮203和第二离合器204带动液压泵组400泵油，经主阀组403、主油路404和三位三通换向阀304给第一高压蓄能器305和第一高压蓄能器308反向充压，直至pa＝pa_high。如此一方面补充高压蓄能器油压以备后续压裂泵高功率作业时蓄能器能及时完成补偿驱动，以弥补大功率柴油机200功率的不足和功率的波动；另一方面可以将压裂车行驶时完成驱动行驶多余的能量利用起来，提升行走柴油发动机100的负荷率以提高其工作效率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外地修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定地一般概念下，本发明并不限于特定地细节和这里出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种油液混合动力压裂车，其特征在于，包括底盘行走系统和上装作业系统；
所述底盘行走系统包括：
行走柴油发动机，其输出轴上固定第一主动齿轮；
第一离合器，连接所述行走柴油发动机输出轴以及变速器输入轴；
驱动桥，与所述变速器输出轴连接，所述驱动桥两端连接驱动轮；
所述上装作业系统包括发动机单元、液压传动单元、压裂执行单元、高压蓄能器单元；
所述发动机单元包括：
大功率柴油机和小功率柴油机组，以及其各输出轴连接的第二离合器组；
第二主动齿轮，固定在所述大功率柴油机输出轴上；
第一从动齿轮，与所述第一主动齿轮啮合，其与所述第二离合器组输入轴连接；
所述液压传动单元包括：
液压泵组，其输入轴与所述第二离合器组的从动盘毂输出轴相连接；
过滤装置，排出管连接所述液压泵组的吸入管；
油箱，排出管连接所述过滤装置的吸入管；
主阀组，吸入管连接所述液压泵组的排出管；
主油路，连接所述主阀组；
开关电磁阀组，吸入管连接所述主油路；
液压马达组，吸入管连接所述开关电磁阀组的排出管，排出管连接所述油箱；
所述的压裂执行单元包括：
齿轮系，输入连接所述液压马达的输出轴，输出相互耦合；
第三离合器，输入轴连接所述齿轮系；
压裂泵，输入轴连接所述第三离合器的从动盘毂输出轴，所述压裂泵还包括吸入管汇和排出管汇；
散热装置组，连接所述主阀组；
所述的高压蓄能器单元包括：
第二从动齿轮，与所述第二主动齿轮啮合，与第四离合器输入轴相连；
液压泵，输入轴与所述第四离合器的从动盘毂输出轴相连，吸入管连接所述过滤装置；
第一单向阀，连接第一溢流阀，所述第一溢流阀连接着所述油箱；
第二单向阀，连接第二溢流阀，所述第二溢流阀连接着所述油箱；
第一高压蓄能器，连接所述第一单向阀；
第二高压蓄能器，连接所述第二单向阀；
两位三通换向阀，A通道连接所述液压泵，T通道连接所述第一高压蓄能器，P通道连接所述第二高压蓄能器；
三位三通换向阀，A通道连接所述主油路，T通道连接所述第一高压蓄能器，P通道连接所述第二高压蓄能器。
2.如权利要求1所述的一种油液混合动力压裂车，其特征在于，所述小功率柴油机组包括三台完全一致的小功率柴油机；
所述的散热装置组包括四台完全一致的散热装置，且分别与所述大功率柴油机和所述小功率柴油机组的三台小功率柴油机一一匹配；
所述第一高压蓄能器和所述第二高压蓄能器完全一致。
3.如权利要求1所述的一种油液混合动力压裂车，其特征在于，所述第二离合器组包括五台完全一致的离合器；
所述液压泵组包括五台完全一致的液压泵，且分别与所述第二离合器组的五台离合器一一匹配；
所述开关电磁阀组包括五个完全一致的开关电磁阀；
所述液压马达组包括五台完全一致的液压马达，且分别与所述开关电磁阀组的五个开关电磁阀一一匹配。
4.如权利要求1所述的一种油液混合动力压裂车，其特征在于，所述两位三通换向阀用于控制所述液压泵排出管和所述第一高压蓄器和所述第二高压蓄能器之间的通断，其处在1位时，所述液压泵排出管与所述第一高压蓄能器相连，其处在2位时，所述液压泵排出管与所述第二高压蓄能器相连。
5.如权利要求1所述的一种油液混合动力压裂车，其特征在于，所述三位三通换向阀用于控制所述主油路和所述第一高压蓄器和所述第二高压蓄能器之间的通断，其处在1位时，所述主油路与所述第一高压蓄能器相连，其处在2位时，均不连通，其处于3位时，所述主油路与所述第二高压蓄能器相连。
6.一种权利要求1所述的油液混合动力压裂车的控制方法，其特征在于，包括：
当Pmax≤Pe1，Pmax≤Pe1_min，pa_av＜pa≤pa_hiah时，三位三通阀打开，两位三通阀关闭，系统工作在高压蓄能器单独驱动的工作模式；其中，Pmax为当前压裂泵运行周期内峰值功率，Pe1＝Pe2_min+Pe1_max，Pe1_min、Pe1_max分别为大功率柴油机的高效工作区的功率下限和功率上限，Pe2_min为小功率柴油机高效工作区的功率下限，pa_av为高压蓄能器的充放压界限，pa_high为高压蓄能器压力上限，pa为高压蓄能器当前压力；
当Pmax≤Pe1，Pmax≤Pe1_min，pa≤pa_av或Pmax≤Pe1，Pe1_min＜Pmax≤Pe1_max，pa≤pa_av时，大功率柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开，两位三通阀关闭，系统工作在大柴油机同时稳定驱动和补压的工作模式；
当Pmax≤Pe1，Pe1_min＜Pmax≤Pe1_max，pa_av＜pa≤pa_high时，大功率柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开1位，两位三通阀关闭，系统工作在大柴油机稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动的工作模式；
当Pmax≤Pe1，Pe1_max＜Pmax≤Pe1，Pe1_max＜Pmax≤Px1时，大功率柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开1位，两位三通阀关闭，系统工作在大柴油机稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动的工作模式；直至Pmax＞Px1，第一高压蓄能器不足以补偿负载功率波动；其中Px1为第一高压蓄能器能补偿负载功率波动的临界功率，Pa＜0时，高压蓄能器充压，Pa＞0时，高压蓄能器放压；
当Pmax≤Pe1，Pe1_max＜Pmax≤Pe1，Px1＜Pmax≤Pe1时，大功率柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开，两位三通阀打开，高压蓄能器单元处的液压泵启动，系统工作在大柴油机稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动的工作模式；直至Pmax＞Pe1，第一高压蓄能器和第二高压蓄能器的交替循环不足以补偿负载功率波动；
当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pe1＜Pmax≤Pem1，pa_av，＜pa≤pa_high时，大功率柴油机和小功率柴油机组的第一台柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开，两位三通阀关闭，系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动和补压的工作模式；其中Pem1＝Pe2_max+Pe1_max，Pe2_max为小功率柴油机高效工作区的功率上限，Pe2＝Pe2_max+Pe1_max+Pe2_min；
当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pe1＜Pmax≤Pem1，pa≤pa_av时，大功率柴油机和小功率柴油机组的第一台柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开1位，两位三通阀关闭，系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动的工作模式；
当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pem1＜Pmax≤Pe2，Pem1＜Pmax≤Px2时，大功率柴油机和小功率柴油机组的第一台柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开1位，两位三通阀关闭，系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动的工作模式；直至Pmax＞Px2，第一高压蓄能器不足以补偿负载功率波动；其中，Px2为该阶段第一高压蓄能器能补偿负载功率波动的临界功率；
当Pe1＜Pmax≤Pe2，Pem1＜Pmax≤Pe2，Px2＜Pmax≤Pe2时，大功率柴油机和小功率柴油机组的第一台柴油机启动，第二离合器组接合，三位三通阀打开，两位三通阀打开，高压蓄能器单元处的液压泵启动，系统工作在大小两柴油机同时稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动的工作模式；直至Pmax＞Pe2，第一高压蓄能器和第二高压蓄能器的交替循环不足以补偿负载功率波动；
同理，当Pe2＜Pmax≤Pe3或Pe3＜Pmax≤Pe4或Pe4＜Pmax≤PeMAX时，如同Pe1＜Pmax≤Pe2一样，也有如上的四种模式及模式切换方式：即同时稳定驱动和补压、同时稳定驱动-高压蓄能器补偿驱动、同时稳定驱动-高压蓄能器双向调压驱动、同时稳定驱动和补压-两高压蓄能器交替双向调压驱动；以上输出功率均为P；其中P为压裂泵实时功率，Pem2＝2Pe2_max+Pe1_max，Pe3＝2Pe2_max+Pe1_max+Pe2_min，Pem3＝3Pe2_max+Pe1_max，Pe4＝3Pe2_max+Pe1_max+Pe3_min，Pem4＝3Pe2_max+Pe1_max+Pe3_max，Pe3_min和Pe3_max为行走柴油机高效工作区的功率下限和功率上限，PeMAX为整个动力系统所能提供的峰值功率，并且各阶段仍有第一高压蓄能器能补偿负载功率波动的临界功率Px3、Px4、Px5。
7.如权利要求6所述的一种油液混合动力压裂车的控制方法，其特征在于，所述高压蓄能器的充放压界限pa_av满足：
8.如权利要求6所述的一种油液混合动力压裂车的控制方法，其特征在于，所述高压蓄能器当前压力由高压蓄能器压力传感器实时监测，所述压裂泵实时功率由压裂泵输出管汇处安装的压裂泵压力/流量传感器实时监测并由控制单元计算，所述当前压裂泵运行周期内峰值功率取压裂泵功率波动周期内的最大值；
模式切换信号可以来自于ECU根据所述高压蓄能器压力传感器信号和所述压裂泵压力/流量传感器信号计算比较后的结果，也可以来自布置在驾驶室的工作模式切换开关；所述模式切换信号用于控制各柴油机控制器、所述两位三通换向阀、所述三位三通换向阀和其余控制器。
9.如权利要求6所述的一种油液混合动力压裂车的控制方法，其特征在于，在压裂车行驶时，若所述高压蓄能器当前压力pa≤pa_av，时，可将所述第二离合器组接合，行走发动机一边驱动车辆运行，一边给所述第一高压蓄能器和所述第二高压蓄能器补压，直至pa＝pa_high。
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2500型全液压式压裂车设计研究;夏益民;石鹏飞;郭雁军;杨鑫;;石油矿场机械(02);全文 *

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