1000HP泥浆泵组的优化设计

张廷威 张沛

摘 要：针对一种1000HP泥浆泵组结构稍显冗余的问题，对其结构优化进行探讨，提出3种优化方案，并从经济性、可靠性、安装便捷及移运简便性等多方面对不同方案进行论证分析，最终确定了一种相对最优的优化方案，以期为泥浆泵组的优化设计提供参考。

关键词：泥浆泵组;优化;方案设计

中图分类号：TE95 文献标识码：A 文章编号：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泥浆泵组为常用的1000HP泥浆泵组之一，其传动方式为皮带驱动，整个泥浆泵组分为两橇。其中一橇为发动机橇，CAT的3512发动机和小皮带轮装置等都安装于发动机橇;另一橇为泥浆泵橇，泥浆泵和吸入管汇等都安装于泥浆泵橇上。

1 JBZ10P泥浆泵组简介

JBZ10P泥浆泵组整体布置如图1所示。发动机的动力输出通过小皮带轮传递给大皮带轮来驱动泥浆泵。原有泥浆泵组发动机橇的结构分为三层：最下层为发动机橇;中间层为发动机底座;最上层为发动机、发动机附件及小皮带轮装置等。泥浆泵橇的结构分为两层：最下层为泥浆泵橇;最上层为泥浆泵及吸入管汇等附件。从整体布置图上可以看出，该泥浆泵组的结构稍显冗余，准备对其进行结构优化设计。由于该泥浆泵组的传动结构简单、传动效率较高且易于维修，决定在不改变相关传动部件的情况下，从发动机橇和泥浆泵橇的结构优化等方面着手，对2个橇座进行优化设计，从而达到结构优化的目的。

2 优化方案

2.1 方案一

该方案的优化方向为优化发动机橇的结构，将原有发动机橇的第二层结构即发动机底座去掉，同时将皮带调节装置放置于泥浆泵橇上，通过调节泥浆泵来实现传动皮带的调节张紧。在优化过程中主要有以下几点问题需要解决。

①原有泥浆泵组的发动机相对于发动机橇为偏置，有一部分发动机橇的空间为皮带调节装置的行程空间。本方案的皮带调节装置放置于泥浆泵橇上之后，发动机橇的一部分空间造成很大浪费，去掉发动机底座之后，改为发动机沿发动机橇的中心线正置并缩短发动机橇的宽度，同时在发动机橇上加装新的发动机支座。

②发动机布置于新的发动机橇上，空间相对于原有结构较为紧凑，需要更改原有的燃油箱和气包。

③通过调节泥浆泵来实现皮带的张紧调节，原有的吸入管汇为硬连接，需要考虑给予吸入管汇一定的缓冲余地满足皮带张紧调节。

④优化后的泥浆泵组小皮带轮包角，大小皮带轮中心距以及联组窄V带的带长都会变化，需要重新计算。

优化后的泥浆泵组的布置如图2所示，发动机相对于发动机橇对中布置，发动机橇的长度尺寸不做改变，宽度相对于原有发动机橇缩减450mm;原有的燃油箱有效容积为600L左右，优化后的燃油箱有效容积为450L左右，可以保证为发动机提供持续有效的燃料来源;同时，空气包在保证气路系统气源的基础上，选用较小容积的空气包，这样燃油箱和空气包仍可放置于发动机橇上;在吸入管汇中增加伸缩式由壬，保证了在调节皮带张紧度时吸入管汇有一定的缓冲余地。

优化后决定选用长度为9 500mm的4联组窄V带，查阅机械设计手册中关于V带传动的内容可知，V帶的有效长度为[1]：

（1）

其中，[Le0]为窄V带的有效长度，[Le0]=9 500mm;[a0]为大小皮带轮的中心距;[de2]为大皮带轮的直径，[de2]=1 010mm;[de1]为小皮带轮的直径，[de1]=485mm。将上述的数据带入公式之后得到大小皮带轮的中心距为[a0]≈3 567mm，小皮带轮包角约为172°。

2.2 方案二

该方案的优化方向为优化泥浆泵橇的结构，将泥浆泵出厂配备的自带底座去掉，皮带调节装置仍参照JBZ10P泥浆泵组的结构放置于发动机橇上，在优化过程中主要有以下几点问题需要解决。

①适当缩减原有发动机橇的宽度，保证皮带调节装置行程的同时使结构更加简单。

②将泥浆泵的自带底座去掉之后，泥浆泵橇需要加装一个泥浆泵加高底座，以保证泥浆泵和吸入管汇安装的便捷性以及后续更换相应易损件的便捷性。

③皮带仍选用原有的长度，确保小皮带轮包角及大小皮带轮中心距不变。

优化后的泥浆泵组的布置图如图3所示。发动机橇的长度尺寸不做改变，宽度相对于原有发动机橇缩减250mm;燃油箱和空气包的结构借用方案一中的结构，保证功能性的同时，使结构更加简单合理;泥浆泵加高底座选用30B/Q235B作为底座的主梁材料，中间的横撑选用U16B/Q235B等材料，整体结构轻便。

2.3 方案三

该方案的优化方向为同时优化发动机橇和泥浆泵橇的结构，皮带张紧调节装置仍放置于发动机橇上，在优化过程中主要有以下几点问题需要注意。

①降低原有发动机橇的中间结构即发动机底座的高度，同时，皮带调节丝杠装置的高度也要相应降低，保证调节丝杠的支撑受力点在发动机底座上。

②将泥浆泵出厂配备的自带底座去掉，同时在泥浆泵橇上加装泥浆泵加高底座，保证功能性的同时尽量缩减底座高度。

③不需要更改泥浆泵组小皮带轮包角、大小皮带轮中心距以及联组窄V带的带长。

优化后的泥浆泵组布置图如图4所示。发动机橇的长度尺寸不做改变，宽度相对于原有发动机橇缩减250mm;燃油箱和空气包的结构仍借用方案一中的结构，保证功能性的同时使结构简单合理;原有发动机底座的高度降低了135mm，泥浆泵加高底座的高度为160mm，高度均相对于原有结构有所降低;在确保结构简化的同时，实现了不改变泥浆泵组小皮带轮包角、大小皮带轮中心距以及联组窄V带的带长。

3 方案的对比论证

在上述的3种方案中，方案一将发动机橇的中间层发动机底座直接去掉，尽可能保证了结构的轻量化，其余的泥浆泵组附件如燃油箱和空气包也做出了相应的优化，同时大小皮带轮的直径未改变，只改变了联组窄V带的带长，保证了传动部件的尺寸不做大的改动;方案二发动机橇的结构未改动，将泥浆泵自带底座去掉的同时，加装了与原泥浆泵底座等高的支撑底座，结构简便，同时大小皮带轮、小皮带轮包角和窄V带的带长均未改动，但发动机橇处的结构仍稍显复杂;方案三对发动机橇与泥浆泵橇的结构均做了改动，即将发动机橇第二层结构中的发动机底座和为泥浆泵配备的加高底座的高度都适当降低，实现了同时对发动机底座和泥浆泵加高底座的结构进行优化，但优化后的泥浆泵组的结构仍与原有的JBZ10P泥浆泵组的整体结构相似，无论是对整个泥浆泵组的拆装还是维修，都会带来较大不便。

4 结论

综上所述，方案一是相对来说较为合适的方案。方案一将原有的第二层结构发动机底座去掉，同时也缩减了最下层结构发动机橇的宽度尺寸，底座等结构件减重大约5t，泥浆泵自带底座的质量大约为1t，去掉自带底座的同时增加了一个加高底座。其余两种方案的减重效果相对于方案一并不具有优势。因此，在不改变泥浆泵组传动比即大小皮带轮直径的情况下，方案一是相对较为合适的方案。需要注意的是，JBZ10P泥浆泵组发动机橇和泥浆泵橇原有结构中的主梁和框架材料大部分都采用的是H型钢，可以在保证底座整体刚度和承载能力的同时替换部分H型钢，这样也能达到减重优化的目的。在后续的设计中，也应当考虑到泥浆泵组的气路管线走线相对来说较为随意，可以在对應的橇座上加装线槽或者在橇座内部预埋对应的管线，以保证气路管线走线美观实用，同时对管线起到一定的保护作用。此外，在设计过程中，也要考虑到泥浆泵组如果在极寒地区工作，需要加装保温棚等，因此要预留保温棚的安装位置。这样整个泥浆泵组可以根据不同的工况条件来选择必需的零部件，以达到泥浆泵组模块化和集成化的目的。

参考文献：

[1]成大先.机械设计手册：第3卷[M].5版.北京：化学工业出版社，2008.