泥漿泵試驗裝置的研制

鄭會勇

（渤海裝備遼河重工，遼寧 盤錦 124010）

泥漿泵試驗裝置的研制

鄭會勇

（渤海裝備遼河重工，遼寧 盤錦 124010）

對泥漿泵實驗裝置研制過程進行了闡述，重點對泥漿泵底座強度進行了校核。

泥漿泵；試驗裝置；強度

目前在國內泥漿泵試驗臺的動力提供方式有兩種：一種是兩臺或三臺柴油機通過聯動機并車，提供動力，特點是占地面積大，柴油機需要定期保養；一種是電機通過減速箱提供動力，選用直流變頻電機或交流變頻電機，主要特點是主電機免維護，占地面積小。傳動方式一般有皮帶傳動和萬向聯軸器傳動兩種，萬向聯軸器傳動，傳動簡單，運行安全系數高。

泥漿泵作為陸地鉆機以及海洋鉆井平臺鉆機的核心配套件之一，未來的發展趨勢是制造高壓泥漿泵，泥漿泵試驗臺的主要技術參數必須高于泥漿泵的作業要求，因此設計方案可行性要高，結構更合理。

研制的泥漿泵試驗臺動力傳動系統需要滿足EEC-800、EEC-1300、EEC-1600型泥漿泵滿功率試驗；機械傳動部分采用單級單速傳動機構；電機采用免維護的交流變頻調速電動機，主電機可實現無級調速，減速箱傳動比為與計算理論值接近；泥漿泵底座設計要求3種泵可以互換，互換時應調整傳動軸上與萬向軸連接的連接套和泥漿泵底座，并且要滿足強度要求。

一、動力傳動系統方案

泥漿泵試驗臺動力傳動系統主要包括電機、減速器、護罩、泥漿泵底座等。傳動系統采用交流變頻電機為動力源，通過單級單速減速箱減速后，將動力由萬向軸輸出到泥漿泵，通過減速箱變速后再轉化成泥漿泵沖數來實現對泥漿泵的控制。泥漿泵試驗臺傳動結構圖如圖1所示。

在這種傳動結構下泥漿泵沖數的計算公式為：N沖數=n電機/（i減速箱×i泵）

式中：n電機——電機編碼器測得的交流變頻電機轉數，n/min;

i減速箱——減速箱傳動比，為2.24;

i800泵——EEC800泥漿泵傳動比，為3.821；

i1300泵——EEC1300泥漿泵傳動比，為3.81；

i1600泵——EEC1600泥漿泵傳動比，為3.81。

采用這種傳動方式的優點在于結構簡單，運行安全系數高；傳動裝置占地面積小；主電機維護周期長；噪聲小；泥漿泵上、下試驗臺時安裝、拆卸方便，不僅減少了人力勞動強度，還大大提升了試驗效率。

圖1 泥漿泵試驗臺傳動結構圖

二、調速系統與電機選型

常用的電機調速方法有直流調速和交流變頻調速兩種。在20世紀上半葉的年代里，鑒于直流傳動具有優越的調速性能，高性能可調速傳動都采用直流電動機，而約占電力傳動總容量80%以上的不變速傳動系統則采用交流電動機，這種分工在一段時期內已成為一種舉世公認的格局。交流調速系統的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統相匹敵。直到20世紀末，隨著電力電子技術的發展，使得采用電力電子變換器的交流傳動系統得以實現，特別是大規模集成電路和計算機控制的出現，高性能交流調速系統便應運而生，一直被認可的交直流傳動按調速性能分工的格局終于被打破了。這時，直流電動機和交流電動機相比的缺點就顯露出來，例如：具有電刷和換向器因而必須經常檢查維修，換向火花使它的應用環境受到限制，換向能力限制了直流電動機的容量和速度等等。另外，直流電機的維護量大，單機容量、最高轉速以及使用環境都受到限制。相比直流調速而言，交流變頻器不僅調速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩，而且節能效果明顯。因此在這套泥漿泵試驗系統中優先選擇的是交流調速系統。

交流變頻泥漿泵試驗臺最大設計功率為1176kW以滿足EEC-1600泵的功率需要，選用免維護的交流變頻主電動機，可以實現主電機轉速0～1000r/min的無級調速。

三、減速箱選型

根據泥漿泵輸入軸額定轉速458r/min和電機額定轉速1000r/min，減速箱傳動比的理論值i=n輸入/n輸出=1000/458=2.183。為滿足需求，經對減速箱優化與篩選，確定選用傳動比為i=2.24減速箱，型號為H1SH13-2.24-071221F。

四、泥漿泵底座設計與強度計算

泥漿泵底座是整個實驗裝置的重要部件。試驗時泥漿泵底座安裝在試驗平臺基礎上，用于固定安裝不同型號的泥漿泵。既要保證底座強度要求，安裝拆卸方便，尺寸又不能過大，以免影響試驗臺的整體連接尺寸。為了保證泥漿泵試驗臺在壽命要求期限工作可靠，安全地進行泥漿泵試車作業，作業過程中泥漿泵底座不發生失穩或失效現象，對泥漿泵底座強度進行計算和有限元分析。

整體結構由角鋼、圓管和鋼板焊接而成。EEC1300泥漿泵底座如圖2所示。

圖2 EEC1300泥漿泵底座傳動結構圖

根據EEC1300泥漿泵底座設計參數，經過簡化后，建立泥漿泵底座三維模型，并創建靜態分析算例，用于模擬泥漿泵底座工作時的承載情況。由于泥漿泵底座是由標準型材焊接而成，定義材料為Q235，力學性能：彈性模量E為212GPa，泊松比μ 為0.288，質量密度ρ 為8230kg/m3，屈服極限［σ］=235MPa，切變模量G=82.3GPa。

模擬泥漿泵底座承載泥漿泵的真實情況，約束泥漿泵底座下表面的自由度，將EEC1300泥漿泵的重力223.98kN均勻加載到泥漿泵底座上表面，泥漿泵底座三維模型和具體加載情況如圖3所示。對泥漿泵底座進行高品質實體網格劃分，單元總數為37274，最小單元大小為10mm，網格劃分情況如圖4所示。

圖3 泥漿泵底座三維模型和具體加載 圖4 泥漿泵底座網格劃分

根據約束和加載情況，對泥漿泵底座進行有限元計算，運行分析后，底座位移分布如圖5所示。位移分布圖顯示，最大位移產生在底座前部外側位置，是由于底座前部的懸空造成的，最大位移為0.2764mm。底座應力分布如圖6所示。

圖5 泥漿泵底座位移分布圖

圖6 泥漿泵底座應力分布圖

應力分布圖6顯示，底座后部中間位置產生最大彎曲應力，最大彎曲應力為128.125MPa，材質為Q235的型鋼的屈服應力為235MPa，因此泥漿泵底座的強度安全系數為1.83，滿足強度要求。

五、結語

泥漿泵試驗臺的傳動系統采用的交流變頻電機－單級單速減速箱－萬向軸－泥漿泵傳遞方式，可以取代以往由柴油機提供動力，通過皮帶傳動的傳遞方式，完全實現了泥漿泵的軟啟動，并有著噪聲低的優點。

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1671-0711（2016）06-0038-02