泥浆泵试验装置的研制

郑会勇

（渤海装备辽河重工，辽宁 盘锦 124010）

泥浆泵试验装置的研制

郑会勇

（渤海装备辽河重工，辽宁 盘锦 124010）

对泥浆泵实验装置研制过程进行了阐述，重点对泥浆泵底座强度进行了校核。

泥浆泵；试验装置；强度

目前在国内泥浆泵试验台的动力提供方式有两种：一种是两台或三台柴油机通过联动机并车，提供动力，特点是占地面积大，柴油机需要定期保养；一种是电机通过减速箱提供动力，选用直流变频电机或交流变频电机，主要特点是主电机免维护，占地面积小。传动方式一般有皮带传动和万向联轴器传动两种，万向联轴器传动，传动简单，运行安全系数高。

泥浆泵作为陆地钻机以及海洋钻井平台钻机的核心配套件之一，未来的发展趋势是制造高压泥浆泵，泥浆泵试验台的主要技术参数必须高于泥浆泵的作业要求，因此设计方案可行性要高，结构更合理。

研制的泥浆泵试验台动力传动系统需要满足EEC-800、EEC-1300、EEC-1600型泥浆泵满功率试验；机械传动部分采用单级单速传动机构；电机采用免维护的交流变频调速电动机，主电机可实现无级调速，减速箱传动比为与计算理论值接近；泥浆泵底座设计要求3种泵可以互换，互换时应调整传动轴上与万向轴连接的连接套和泥浆泵底座，并且要满足强度要求。

一、动力传动系统方案

泥浆泵试验台动力传动系统主要包括电机、减速器、护罩、泥浆泵底座等。传动系统采用交流变频电机为动力源，通过单级单速减速箱减速后，将动力由万向轴输出到泥浆泵，通过减速箱变速后再转化成泥浆泵冲数来实现对泥浆泵的控制。泥浆泵试验台传动结构图如图1所示。

在这种传动结构下泥浆泵冲数的计算公式为：N冲数=n电机/（i减速箱×i泵）

式中：n电机——电机编码器测得的交流变频电机转数，n/min;

i减速箱——减速箱传动比，为2.24;

i800泵——EEC800泥浆泵传动比，为3.821；

i1300泵——EEC1300泥浆泵传动比，为3.81；

i1600泵——EEC1600泥浆泵传动比，为3.81。

采用这种传动方式的优点在于结构简单，运行安全系数高；传动装置占地面积小；主电机维护周期长；噪声小；泥浆泵上、下试验台时安装、拆卸方便，不仅减少了人力劳动强度，还大大提升了试验效率。

图1 泥浆泵试验台传动结构图

二、调速系统与电机选型

常用的电机调速方法有直流调速和交流变频调速两种。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电力传动总容量80%以上的不变速传动系统则采用交流电动机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪末，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流传动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认可的交直流传动按调速性能分工的格局终于被打破了。这时，直流电动机和交流电动机相比的缺点就显露出来，例如：具有电刷和换向器因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度等等。另外，直流电机的维护量大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。相比直流调速而言，交流变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此在这套泥浆泵试验系统中优先选择的是交流调速系统。

交流变频泥浆泵试验台最大设计功率为1176kW以满足EEC-1600泵的功率需要，选用免维护的交流变频主电动机，可以实现主电机转速0～1000r/min的无级调速。

三、减速箱选型

根据泥浆泵输入轴额定转速458r/min和电机额定转速1000r/min，减速箱传动比的理论值i=n输入/n输出=1000/458=2.183。为满足需求，经对减速箱优化与筛选，确定选用传动比为i=2.24减速箱，型号为H1SH13-2.24-071221F。

四、泥浆泵底座设计与强度计算

泥浆泵底座是整个实验装置的重要部件。试验时泥浆泵底座安装在试验平台基础上，用于固定安装不同型号的泥浆泵。既要保证底座强度要求，安装拆卸方便，尺寸又不能过大，以免影响试验台的整体连接尺寸。为了保证泥浆泵试验台在寿命要求期限工作可靠，安全地进行泥浆泵试车作业，作业过程中泥浆泵底座不发生失稳或失效现象，对泥浆泵底座强度进行计算和有限元分析。

整体结构由角钢、圆管和钢板焊接而成。EEC1300泥浆泵底座如图2所示。

图2 EEC1300泥浆泵底座传动结构图

根据EEC1300泥浆泵底座设计参数，经过简化后，建立泥浆泵底座三维模型，并创建静态分析算例，用于模拟泥浆泵底座工作时的承载情况。由于泥浆泵底座是由标准型材焊接而成，定义材料为Q235，力学性能：弹性模量E为212GPa，泊松比μ 为0.288，质量密度ρ 为8230kg/m3，屈服极限［σ］=235MPa，切变模量G=82.3GPa。

模拟泥浆泵底座承载泥浆泵的真实情况，约束泥浆泵底座下表面的自由度，将EEC1300泥浆泵的重力223.98kN均匀加载到泥浆泵底座上表面，泥浆泵底座三维模型和具体加载情况如图3所示。对泥浆泵底座进行高品质实体网格划分，单元总数为37274，最小单元大小为10mm，网格划分情况如图4所示。

图3 泥浆泵底座三维模型和具体加载 图4 泥浆泵底座网格划分

根据约束和加载情况，对泥浆泵底座进行有限元计算，运行分析后，底座位移分布如图5所示。位移分布图显示，最大位移产生在底座前部外侧位置，是由于底座前部的悬空造成的，最大位移为0.2764mm。底座应力分布如图6所示。

图5 泥浆泵底座位移分布图

图6 泥浆泵底座应力分布图

应力分布图6显示，底座后部中间位置产生最大弯曲应力，最大弯曲应力为128.125MPa，材质为Q235的型钢的屈服应力为235MPa，因此泥浆泵底座的强度安全系数为1.83，满足强度要求。

五、结语

泥浆泵试验台的传动系统采用的交流变频电机－单级单速减速箱－万向轴－泥浆泵传递方式，可以取代以往由柴油机提供动力，通过皮带传动的传递方式，完全实现了泥浆泵的软启动，并有着噪声低的优点。

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