“岩土钻掘设备”泥浆泵的教学改革探讨

校文超 杨义勇 岳文 康嘉杰

摘 要 本文以中国地质大学（北京）地质工程专业本科三年级学生专业必修课“岩土钻掘设备”中的“泥浆泵”教学为例，基于单作用泵不同缸数下的流量不均匀系数讲解，从教学方法、教学过程、常见问题等方面讨论了数理推导在教学过程中的应用。对比之前单纯的知识讲解，教学过程中增加了公式推导和知识的归纳总结，加深了学生们对泥浆泵相关知识点的掌握，锻炼了学生们分析问题、解决问题的能力。

关键词 教学改革 岩土钻掘设备 泥浆泵 流量不均匀系数

中图分类号：G424                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.01.073

Abstract This paper takes the teaching of "mud pump" in the required course "rock and soil drilling and excavation equipment" of the third year undergraduate of China University of Geosciences （Beijing） as an example， based on the explanation of the flow nonuniformity coefficient under different cylinder numbers of single acting pump， discusses the application of mathematical derivation in the teaching process from the aspects of teaching method， teaching process and common problems. Compared with the previous simple knowledge explanation， formula derivation and knowledge induction and summary are added in the teaching process， which deepens the students' mastery of relevant knowledge points of mud pump， and exercises the students' ability to analyze and solve problems.

Keywords teaching reform; geotechnical drilling equipment; mud pump; flow nonuniformity coefficient

岩土钻掘设备是我校地质工程专业本科学生的专业必修课，该课程旨在介绍和分析应用于岩土钻掘施工的各类机械装置。[1]泥浆泵是岩土钻掘设备的重要组成部分。[2]在岩土钻掘过程中，泥浆泵向孔内输送钻井液并维持循环，起到冷却并润滑钻头、维护井壁、排除岩屑等功能，是钻掘过程中必不可少的机械设备。[3]对该部分教学内容的深入讲解，有利于学生全面掌握泥浆泵的工作机理、性能要求，为学生将来走向工作岗位打下良好的理论基础。

在过去的教学中，由于讲解课时所限，泥浆泵的讲解多以知识点的罗列为主。如单作用泵的流量不均匀系数，教学过程中多是直接告诉学生相关知识点，在考虑泵结构的复杂程度与流量不均匀系数的综合影响下，3缸单作用泵相对较优，在实践中得到了更多的使用。然而，学生对该知识点的掌握并不牢靠，容易随时间逐渐忘却。教研室经讨论后认为应当在教学环节中增加公式推导内容，以加深学生对该知识的深入理解，同时锻炼学生分析问题和解决问题的能力。

1 教学内容设置

在往复式泥浆泵的设计中，一个十分重要的设计参数是流量不均匀系数，该系数可评价流量的不均匀程度。 [4]用公式表示：

泥浆泵在运动过程中，每一个瞬间的输出流量都处在变化中，用流量不均匀系数可以较准确地反映流量的波动情况。较大的流量不均匀系数会对设备及施工造成不良影响，如降低了排除岩屑的能力，破坏孔壁的稳定性，引起管路振动并导致噪声，破坏孔内装置的工作稳定性等。因此，在泥浆泵的设计及选用中，应尽可能地选择流量不均匀系数较小的泵，以提升钻井施工的效率及质量。在教材中，单作用泵的流量不均匀系数直接以表的形式给出，如表1所示，并未给出详细的推导过程。

传统教学过程中的讲解是，在考虑泵结构的复杂程度与流量不均匀系数的综合影响下，3缸单作用泵相对较优，在实践中得到了更多的使用。然而，学生难以对该知识点深刻理解，容易随时间逐渐忘却。教研室经讨论后认为应当在教学环节中增加公式推导内容，以加深学生对该知识的深入理解，同时锻炼学生分析问题和解决问题的能力。本教学环节为了增强学生对该理论的理解，将教学内容由原有的直接告诉结论性知识点，转变为数理推导式教学，分三个步骤完成：

（1）学生自主推导计算单缸至四缸的流量不均匀系数，由于该部分用时较多，以作业的形式由学生课下完成;

（2）教师板书演绎正确的推导过程，并针对学生作业的情况对部分推导细节进行着重讲解;

（3）在不同缸数流量不均匀系數推导的基础上，对推导方法及规律进行总计分析，并再次对关键知识点进行讲解。

2 教学过程中的常见问题

不同液缸数的流量不均匀系数推导，虽然用到的数理知识不是特别复杂，但要求学生有较为全面的分析能力和认真细致的推导过程，否则无法得到正确的结果。

对学生交上来的作业进行分析可以发现，学生们的推导在单缸、双缸单作用泵的流量分析中较少犯错，但在三缸单作用泵的流量分析中，则产生了较多错误。最常见的错误是无法准确分析出多缸输出流量叠加后的总输出流量，以致无法准确算出流量在变化过程中的最大值和最小值。分析多缸的输出流量通常采用绘制流量变化图的方式来研究。单作用泵单缸、双缸、三缸的流量變化图分别如图1、图2、图3所示。

由单作用泵单缸流量变化图可以看出，泵的瞬时流量在3 /2时出现最大值，在 、2 时出现最小值。由单作用泵双缸流量变化图可以看出，泵的瞬时流量在 /2、3 /2时出现最大值，在0、 、2 时出现最小值。由单作用泵三缸流量变化图可以看出，泵的瞬时流量在 /6、3 /6、5 /6、7 /6、9 /6、11 /6时出现最大值，在0、2 /6、4 /6、6 /6、8 /6、10 /6时出现最小值。将相应位置的正弦函数代入流量不均匀系数计算公式，即可算得单作用泵不同缸数下的流量不均匀系数。

3 教学延伸

系统推演单缸至多缸的单作用泵流量图，有助于学生对泥浆泵的工作特点有更深入和全面的了解。为了进一步提升学生们在解决工程实际问题中的归纳演绎能力，布置开放性思考题：能否由已推导的1至4缸的单作用泵流量不均匀系数，推导出n缸的单作用泵流量不均匀系数？

对学生的作业进行总结，发现学生们找到了一种较为方便的计算方法，即使用计算机数值分析的方法。将第一个缸的瞬时输出流量定义为。式中：表示曲柄角速度;表示运动时间。

将第二个缸的瞬时输出流量定义为。类似的，将第个缸的瞬时输出流量定义为。式中：表示液缸数。

约定各个液缸的瞬时输出流量不得为负值，当数值小于0时，令其等于0。

那么，泵的总的瞬时输出流量：

利用计算机编程对的值进行数值计算，可以较容易算出最大瞬时流量和最小瞬时流量，从而方便算出n缸的单作用泵流量不均匀系数。

结合实际计算效果与教师们的讨论发现，采用计算机数值分析的方法不仅计算准确率高、不易出错，而且方便理解、借助了当今迅速发展的计算机科学，有助于工程实践的推广应用。总体来看，开放性思考题的教学延伸，在促进学生回顾知识点的同时，锻炼了学生发现问题、解决问题的能力。

4 结束语

原有的单纯知识点讲解教学不易于学生深刻掌握知识背后的原理，本教学改革将数理推导应用于多缸单作用泵流量不均匀系数的计算，针对教学中的常见问题做出分析并进行延伸教学，以促进学生对泵工作原理的深入剖析，有助于学生发挥创新性思维。综合来看，该教学改革锻炼了学生发现问题、解决问题的能力，同时也提高了学生在课外学习的积极性。

基金项目：本文受中国地质大学（北京）教学研究与教学改革项目《机械设计一流课程建设》（2019）、《机械专业大学生的工程能力培养模式研究》（JGYB201601）资助

参考文献

[1] 温继伟.对“岩土钻掘设备教学实习”课程教学的探讨[J].中国地质教育，2016.25（02）：72-74.

[2] 郑会勇.泥浆泵试验装置的研制[J].中国设备工程，2016（06）：38-39.

[3] 柴喜元，雷泽勇，刘晓阳，等.小口径深孔绳索取心钻探用泥浆泵性能参数计算[J].地质装备，2018.19（04）：7-11.

[4] 赵建平.三缸单作用柱塞泵动力端结构参数对液力特性的影响研究[J].制造业自动化，2014.36（17）：107-110.