泥漿泵試驗(yàn)裝置的研制

鄭會(huì)勇

（渤海裝備遼河重工，遼寧 盤錦 124010）

泥漿泵試驗(yàn)裝置的研制

鄭會(huì)勇

（渤海裝備遼河重工，遼寧 盤錦 124010）

對泥漿泵實(shí)驗(yàn)裝置研制過程進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)對泥漿泵底座強(qiáng)度進(jìn)行了校核。

泥漿泵；試驗(yàn)裝置；強(qiáng)度

目前在國內(nèi)泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力提供方式有兩種：一種是兩臺(tái)或三臺(tái)柴油機(jī)通過聯(lián)動(dòng)機(jī)并車，提供動(dòng)力，特點(diǎn)是占地面積大，柴油機(jī)需要定期保養(yǎng)；一種是電機(jī)通過減速箱提供動(dòng)力，選用直流變頻電機(jī)或交流變頻電機(jī)，主要特點(diǎn)是主電機(jī)免維護(hù)，占地面積小。傳動(dòng)方式一般有皮帶傳動(dòng)和萬向聯(lián)軸器傳動(dòng)兩種，萬向聯(lián)軸器傳動(dòng)，傳動(dòng)簡單，運(yùn)行安全系數(shù)高。

泥漿泵作為陸地鉆機(jī)以及海洋鉆井平臺(tái)鉆機(jī)的核心配套件之一，未來的發(fā)展趨勢是制造高壓泥漿泵，泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)必須高于泥漿泵的作業(yè)要求，因此設(shè)計(jì)方案可行性要高，結(jié)構(gòu)更合理。

研制的泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)需要滿足EEC-800、EEC-1300、EEC-1600型泥漿泵滿功率試驗(yàn)；機(jī)械傳動(dòng)部分采用單級(jí)單速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；電機(jī)采用免維護(hù)的交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，主電機(jī)可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，減速箱傳動(dòng)比為與計(jì)算理論值接近；泥漿泵底座設(shè)計(jì)要求3種泵可以互換，互換時(shí)應(yīng)調(diào)整傳動(dòng)軸上與萬向軸連接的連接套和泥漿泵底座，并且要滿足強(qiáng)度要求。

一、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案

泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電機(jī)、減速器、護(hù)罩、泥漿泵底座等。傳動(dòng)系統(tǒng)采用交流變頻電機(jī)為動(dòng)力源，通過單級(jí)單速減速箱減速后，將動(dòng)力由萬向軸輸出到泥漿泵，通過減速箱變速后再轉(zhuǎn)化成泥漿泵沖數(shù)來實(shí)現(xiàn)對泥漿泵的控制。泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)下泥漿泵沖數(shù)的計(jì)算公式為：N沖數(shù)=n電機(jī)/（i減速箱×i泵）

式中：n電機(jī)——電機(jī)編碼器測得的交流變頻電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，n/min;

i減速箱——減速箱傳動(dòng)比，為2.24;

i800泵——EEC800泥漿泵傳動(dòng)比，為3.821；

i1300泵——EEC1300泥漿泵傳動(dòng)比，為3.81；

i1600泵——EEC1600泥漿泵傳動(dòng)比，為3.81。

采用這種傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行安全系數(shù)高；傳動(dòng)裝置占地面積小；主電機(jī)維護(hù)周期長；噪聲?。荒酀{泵上、下試驗(yàn)臺(tái)時(shí)安裝、拆卸方便，不僅減少了人力勞動(dòng)強(qiáng)度，還大大提升了試驗(yàn)效率。

圖1 泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

二、調(diào)速系統(tǒng)與電機(jī)選型

常用的電機(jī)調(diào)速方法有直流調(diào)速和交流變頻調(diào)速兩種。在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速傳動(dòng)都采用直流電動(dòng)機(jī)，而約占電力傳動(dòng)總?cè)萘?0%以上的不變速傳動(dòng)系統(tǒng)則采用交流電動(dòng)機(jī)，這種分工在一段時(shí)期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實(shí)際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。直到20世紀(jì)末，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流傳動(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生，一直被認(rèn)可的交直流傳動(dòng)按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。這時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相比的缺點(diǎn)就顯露出來，例如：具有電刷和換向器因而必須經(jīng)常檢查維修，換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境受到限制，換向能力限制了直流電動(dòng)機(jī)的容量和速度等等。另外，直流電機(jī)的維護(hù)量大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。相比直流調(diào)速而言，交流變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此在這套泥漿泵試驗(yàn)系統(tǒng)中優(yōu)先選擇的是交流調(diào)速系統(tǒng)。

交流變頻泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)最大設(shè)計(jì)功率為1176kW以滿足EEC-1600泵的功率需要，選用免維護(hù)的交流變頻主電動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)主電機(jī)轉(zhuǎn)速0～1000r/min的無級(jí)調(diào)速。

三、減速箱選型

根據(jù)泥漿泵輸入軸額定轉(zhuǎn)速458r/min和電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1000r/min，減速箱傳動(dòng)比的理論值i=n輸入/n輸出=1000/458=2.183。為滿足需求，經(jīng)對減速箱優(yōu)化與篩選，確定選用傳動(dòng)比為i=2.24減速箱，型號(hào)為H1SH13-2.24-071221F。

四、泥漿泵底座設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算

泥漿泵底座是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的重要部件。試驗(yàn)時(shí)泥漿泵底座安裝在試驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，用于固定安裝不同型號(hào)的泥漿泵。既要保證底座強(qiáng)度要求，安裝拆卸方便，尺寸又不能過大，以免影響試驗(yàn)臺(tái)的整體連接尺寸。為了保證泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)在壽命要求期限工作可靠，安全地進(jìn)行泥漿泵試車作業(yè)，作業(yè)過程中泥漿泵底座不發(fā)生失穩(wěn)或失效現(xiàn)象，對泥漿泵底座強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和有限元分析。

整體結(jié)構(gòu)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(dòng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)EEC1300泥漿泵底座設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)過簡化后，建立泥漿泵底座三維模型，并創(chuàng)建靜態(tài)分析算例，用于模擬泥漿泵底座工作時(shí)的承載情況。由于泥漿泵底座是由標(biāo)準(zhǔn)型材焊接而成，定義材料為Q235，力學(xué)性能：彈性模量E為212GPa，泊松比μ 為0.288，質(zhì)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(shí)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(jìn)行高品質(zhì)實(shí)體網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為37274，最小單元大小為10mm，網(wǎng)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(wǎng)格劃分

根據(jù)約束和加載情況，對泥漿泵底座進(jìn)行有限元計(jì)算，運(yùn)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(chǎn)生在底座前部外側(cè)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(yīng)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(yīng)力分布圖

應(yīng)力分布圖6顯示，底座后部中間位置產(chǎn)生最大彎曲應(yīng)力，最大彎曲應(yīng)力為128.125MPa，材質(zhì)為Q235的型鋼的屈服應(yīng)力為235MPa，因此泥漿泵底座的強(qiáng)度安全系數(shù)為1.83，滿足強(qiáng)度要求。

五、結(jié)語

泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)采用的交流變頻電機(jī)－單級(jí)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(jī)提供動(dòng)力，通過皮帶傳動(dòng)的傳遞方式，完全實(shí)現(xiàn)了泥漿泵的軟啟動(dòng)，并有著噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。

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