1000HP泥漿泵組的優(yōu)化設(shè)計

張廷威 張沛

摘 要：針對一種1000HP泥漿泵組結(jié)構(gòu)稍顯冗余的問題，對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行探討，提出3種優(yōu)化方案，并從經(jīng)濟性、可靠性、安裝便捷及移運簡便性等多方面對不同方案進行論證分析，最終確定了一種相對最優(yōu)的優(yōu)化方案，以期為泥漿泵組的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：泥漿泵組;優(yōu)化;方案設(shè)計

中圖分類號：TE95 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0057-03

Abstract： In view of the slightly redundant structure of a 1000HP slurry pump set， this paper discussed its structural optimization， put forward three optimization schemes， and demonstrated and analysed different schemes from the aspects of economy， reliability， convenient installation and convenient transportation， finally determined a relatively optimal optimization scheme， with a view to serving as slurry. The optimum design of slurry pump set can provide reference.

Keywords： mud pump unit;optimization;scheme design

JBZ10P泥漿泵組為常用的1000HP泥漿泵組之一，其傳動方式為皮帶驅(qū)動，整個泥漿泵組分為兩橇。其中一橇為發(fā)動機橇，CAT的3512發(fā)動機和小皮帶輪裝置等都安裝于發(fā)動機橇;另一橇為泥漿泵橇，泥漿泵和吸入管匯等都安裝于泥漿泵橇上。

1 JBZ10P泥漿泵組簡介

JBZ10P泥漿泵組整體布置如圖1所示。發(fā)動機的動力輸出通過小皮帶輪傳遞給大皮帶輪來驅(qū)動泥漿泵。原有泥漿泵組發(fā)動機橇的結(jié)構(gòu)分為三層：最下層為發(fā)動機橇;中間層為發(fā)動機底座;最上層為發(fā)動機、發(fā)動機附件及小皮帶輪裝置等。泥漿泵橇的結(jié)構(gòu)分為兩層：最下層為泥漿泵橇;最上層為泥漿泵及吸入管匯等附件。從整體布置圖上可以看出，該泥漿泵組的結(jié)構(gòu)稍顯冗余，準(zhǔn)備對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。由于該泥漿泵組的傳動結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率較高且易于維修，決定在不改變相關(guān)傳動部件的情況下，從發(fā)動機橇和泥漿泵橇的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面著手，對2個橇座進行優(yōu)化設(shè)計，從而達到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

2 優(yōu)化方案

2.1 方案一

該方案的優(yōu)化方向為優(yōu)化發(fā)動機橇的結(jié)構(gòu)，將原有發(fā)動機橇的第二層結(jié)構(gòu)即發(fā)動機底座去掉，同時將皮帶調(diào)節(jié)裝置放置于泥漿泵橇上，通過調(diào)節(jié)泥漿泵來實現(xiàn)傳動皮帶的調(diào)節(jié)張緊。在優(yōu)化過程中主要有以下幾點問題需要解決。

①原有泥漿泵組的發(fā)動機相對于發(fā)動機橇為偏置，有一部分發(fā)動機橇的空間為皮帶調(diào)節(jié)裝置的行程空間。本方案的皮帶調(diào)節(jié)裝置放置于泥漿泵橇上之后，發(fā)動機橇的一部分空間造成很大浪費，去掉發(fā)動機底座之后，改為發(fā)動機沿發(fā)動機橇的中心線正置并縮短發(fā)動機橇的寬度，同時在發(fā)動機橇上加裝新的發(fā)動機支座。

②發(fā)動機布置于新的發(fā)動機橇上，空間相對于原有結(jié)構(gòu)較為緊湊，需要更改原有的燃油箱和氣包。

③通過調(diào)節(jié)泥漿泵來實現(xiàn)皮帶的張緊調(diào)節(jié)，原有的吸入管匯為硬連接，需要考慮給予吸入管匯一定的緩沖余地滿足皮帶張緊調(diào)節(jié)。

④優(yōu)化后的泥漿泵組小皮帶輪包角，大小皮帶輪中心距以及聯(lián)組窄V帶的帶長都會變化，需要重新計算。

優(yōu)化后的泥漿泵組的布置如圖2所示，發(fā)動機相對于發(fā)動機橇對中布置，發(fā)動機橇的長度尺寸不做改變，寬度相對于原有發(fā)動機橇縮減450mm;原有的燃油箱有效容積為600L左右，優(yōu)化后的燃油箱有效容積為450L左右，可以保證為發(fā)動機提供持續(xù)有效的燃料來源;同時，空氣包在保證氣路系統(tǒng)氣源的基礎(chǔ)上，選用較小容積的空氣包，這樣燃油箱和空氣包仍可放置于發(fā)動機橇上;在吸入管匯中增加伸縮式由壬，保證了在調(diào)節(jié)皮帶張緊度時吸入管匯有一定的緩沖余地。

優(yōu)化后決定選用長度為9 500mm的4聯(lián)組窄V帶，查閱機械設(shè)計手冊中關(guān)于V帶傳動的內(nèi)容可知，V帶的有效長度為[1]：

（1）

其中，[Le0]為窄V帶的有效長度，[Le0]=9 500mm;[a0]為大小皮帶輪的中心距;[de2]為大皮帶輪的直徑，[de2]=1 010mm;[de1]為小皮帶輪的直徑，[de1]=485mm。將上述的數(shù)據(jù)帶入公式之后得到大小皮帶輪的中心距為[a0]≈3 567mm，小皮帶輪包角約為172°。

2.2 方案二

該方案的優(yōu)化方向為優(yōu)化泥漿泵橇的結(jié)構(gòu)，將泥漿泵出廠配備的自帶底座去掉，皮帶調(diào)節(jié)裝置仍參照J(rèn)BZ10P泥漿泵組的結(jié)構(gòu)放置于發(fā)動機橇上，在優(yōu)化過程中主要有以下幾點問題需要解決。

①適當(dāng)縮減原有發(fā)動機橇的寬度，保證皮帶調(diào)節(jié)裝置行程的同時使結(jié)構(gòu)更加簡單。

②將泥漿泵的自帶底座去掉之后，泥漿泵橇需要加裝一個泥漿泵加高底座，以保證泥漿泵和吸入管匯安裝的便捷性以及后續(xù)更換相應(yīng)易損件的便捷性。

③皮帶仍選用原有的長度，確保小皮帶輪包角及大小皮帶輪中心距不變。

優(yōu)化后的泥漿泵組的布置圖如圖3所示。發(fā)動機橇的長度尺寸不做改變，寬度相對于原有發(fā)動機橇縮減250mm;燃油箱和空氣包的結(jié)構(gòu)借用方案一中的結(jié)構(gòu)，保證功能性的同時，使結(jié)構(gòu)更加簡單合理;泥漿泵加高底座選用30B/Q235B作為底座的主梁材料，中間的橫撐選用U16B/Q235B等材料，整體結(jié)構(gòu)輕便。

2.3 方案三

該方案的優(yōu)化方向為同時優(yōu)化發(fā)動機橇和泥漿泵橇的結(jié)構(gòu)，皮帶張緊調(diào)節(jié)裝置仍放置于發(fā)動機橇上，在優(yōu)化過程中主要有以下幾點問題需要注意。

①降低原有發(fā)動機橇的中間結(jié)構(gòu)即發(fā)動機底座的高度，同時，皮帶調(diào)節(jié)絲杠裝置的高度也要相應(yīng)降低，保證調(diào)節(jié)絲杠的支撐受力點在發(fā)動機底座上。

②將泥漿泵出廠配備的自帶底座去掉，同時在泥漿泵橇上加裝泥漿泵加高底座，保證功能性的同時盡量縮減底座高度。

③不需要更改泥漿泵組小皮帶輪包角、大小皮帶輪中心距以及聯(lián)組窄V帶的帶長。

優(yōu)化后的泥漿泵組布置圖如圖4所示。發(fā)動機橇的長度尺寸不做改變，寬度相對于原有發(fā)動機橇縮減250mm;燃油箱和空氣包的結(jié)構(gòu)仍借用方案一中的結(jié)構(gòu)，保證功能性的同時使結(jié)構(gòu)簡單合理;原有發(fā)動機底座的高度降低了135mm，泥漿泵加高底座的高度為160mm，高度均相對于原有結(jié)構(gòu)有所降低;在確保結(jié)構(gòu)簡化的同時，實現(xiàn)了不改變泥漿泵組小皮帶輪包角、大小皮帶輪中心距以及聯(lián)組窄V帶的帶長。

3 方案的對比論證

在上述的3種方案中，方案一將發(fā)動機橇的中間層發(fā)動機底座直接去掉，盡可能保證了結(jié)構(gòu)的輕量化，其余的泥漿泵組附件如燃油箱和空氣包也做出了相應(yīng)的優(yōu)化，同時大小皮帶輪的直徑未改變，只改變了聯(lián)組窄V帶的帶長，保證了傳動部件的尺寸不做大的改動;方案二發(fā)動機橇的結(jié)構(gòu)未改動，將泥漿泵自帶底座去掉的同時，加裝了與原泥漿泵底座等高的支撐底座，結(jié)構(gòu)簡便，同時大小皮帶輪、小皮帶輪包角和窄V帶的帶長均未改動，但發(fā)動機橇處的結(jié)構(gòu)仍稍顯復(fù)雜;方案三對發(fā)動機橇與泥漿泵橇的結(jié)構(gòu)均做了改動，即將發(fā)動機橇第二層結(jié)構(gòu)中的發(fā)動機底座和為泥漿泵配備的加高底座的高度都適當(dāng)降低，實現(xiàn)了同時對發(fā)動機底座和泥漿泵加高底座的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，但優(yōu)化后的泥漿泵組的結(jié)構(gòu)仍與原有的JBZ10P泥漿泵組的整體結(jié)構(gòu)相似，無論是對整個泥漿泵組的拆裝還是維修，都會帶來較大不便。

4 結(jié)論

綜上所述，方案一是相對來說較為合適的方案。方案一將原有的第二層結(jié)構(gòu)發(fā)動機底座去掉，同時也縮減了最下層結(jié)構(gòu)發(fā)動機橇的寬度尺寸，底座等結(jié)構(gòu)件減重大約5t，泥漿泵自帶底座的質(zhì)量大約為1t，去掉自帶底座的同時增加了一個加高底座。其余兩種方案的減重效果相對于方案一并不具有優(yōu)勢。因此，在不改變泥漿泵組傳動比即大小皮帶輪直徑的情況下，方案一是相對較為合適的方案。需要注意的是，JBZ10P泥漿泵組發(fā)動機橇和泥漿泵橇原有結(jié)構(gòu)中的主梁和框架材料大部分都采用的是H型鋼，可以在保證底座整體剛度和承載能力的同時替換部分H型鋼，這樣也能達到減重優(yōu)化的目的。在后續(xù)的設(shè)計中，也應(yīng)當(dāng)考慮到泥漿泵組的氣路管線走線相對來說較為隨意，可以在對應(yīng)的橇座上加裝線槽或者在橇座內(nèi)部預(yù)埋對應(yīng)的管線，以保證氣路管線走線美觀實用，同時對管線起到一定的保護作用。此外，在設(shè)計過程中，也要考慮到泥漿泵組如果在極寒地區(qū)工作，需要加裝保溫棚等，因此要預(yù)留保溫棚的安裝位置。這樣整個泥漿泵組可以根據(jù)不同的工況條件來選擇必需的零部件，以達到泥漿泵組模塊化和集成化的目的。

參考文獻：

[1]成大先.機械設(shè)計手冊：第3卷[M].5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.