1000HP泥漿泵組的優化設計

張廷威 張沛

摘 要：針對一種1000HP泥漿泵組結構稍顯冗余的問題，對其結構優化進行探討，提出3種優化方案，并從經濟性、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的優化方案，以期為泥漿泵組的優化設計提供參考。

關鍵詞：泥漿泵組;優化;方案設計

中圖分類號：TE95 文獻標識碼：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動，整個泥漿泵組分為兩橇。其中一橇為發動機橇，CAT的3512發動機和小皮帶輪裝置等都安裝于發動機橇;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。發動機的動力輸出通過小皮帶輪傳遞給大皮帶輪來驅動泥漿泵。原有泥漿泵組發動機橇的結構分為三層：最下層為發動機橇;中間層為發動機底座;最上層為發動機、發動機附件及小皮帶輪裝置等。泥漿泵橇的結構分為兩層：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，該泥漿泵組的結構稍顯冗余，準備對其進行結構優化設計。由于該泥漿泵組的傳動結構簡單、傳動效率較高且易于維修，決定在不改變相關傳動部件的情況下，從發動機橇和泥漿泵橇的結構優化等方面著手，對2個橇座進行優化設計，從而達到結構優化的目的。

2 優化方案

2.1 方案一

該方案的優化方向為優化發動機橇的結構，將原有發動機橇的第二層結構即發動機底座去掉，同時將皮帶調節裝置放置于泥漿泵橇上，通過調節泥漿泵來實現傳動皮帶的調節張緊。在優化過程中主要有以下幾點問題需要解決。

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

②發動機布置于新的發動機橇上，空間相對于原有結構較為緊湊，需要更改原有的燃油箱和氣包。

③通過調節泥漿泵來實現皮帶的張緊調節，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節。

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

優化后的泥漿泵組的布置如圖2所示，發動機相對于發動機橇對中布置，發動機橇的長度尺寸不做改變，寬度相對于原有發動機橇縮減450mm;原有的燃油箱有效容積為600L左右，優化后的燃油箱有效容積為450L左右，可以保證為發動機提供持續有效的燃料來源;同時，空氣包在保證氣路系統氣源的基礎上，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動機橇上;在吸入管匯中增加伸縮式由壬，保證了在調節皮帶張緊度時吸入管匯有一定的緩沖余地。

優化后決定選用長度為9 500mm的4聯組窄V帶，查閱機械設計手冊中關于V帶傳動的內容可知，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。將上述的數據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

該方案的優化方向為優化泥漿泵橇的結構，將泥漿泵出廠配備的自帶底座去掉，皮帶調節裝置仍參照JBZ10P泥漿泵組的結構放置于發動機橇上，在優化過程中主要有以下幾點問題需要解決。

①適當縮減原有發動機橇的寬度，保證皮帶調節裝置行程的同時使結構更加簡單。

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更換相應易損件的便捷性。

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。

優化后的泥漿泵組的布置圖如圖3所示。發動機橇的長度尺寸不做改變，寬度相對于原有發動機橇縮減250mm;燃油箱和空氣包的結構借用方案一中的結構，保證功能性的同時，使結構更加簡單合理;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，整體結構輕便。

2.3 方案三

該方案的優化方向為同時優化發動機橇和泥漿泵橇的結構，皮帶張緊調節裝置仍放置于發動機橇上，在優化過程中主要有以下幾點問題需要注意。

①降低原有發動機橇的中間結構即發動機底座的高度，同時，皮帶調節絲杠裝置的高度也要相應降低，保證調節絲杠的支撐受力點在發動機底座上。

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組窄V帶的帶長。

優化后的泥漿泵組布置圖如圖4所示。發動機橇的長度尺寸不做改變，寬度相對于原有發動機橇縮減250mm;燃油箱和空氣包的結構仍借用方案一中的結構，保證功能性的同時使結構簡單合理;原有發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構有所降低;在確保結構簡化的同時，實現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，方案一將發動機橇的中間層發動機底座直接去掉，盡可能保證了結構的輕量化，其余的泥漿泵組附件如燃油箱和空氣包也做出了相應的優化，同時大小皮帶輪的直徑未改變，只改變了聯組窄V帶的帶長，保證了傳動部件的尺寸不做大的改動;方案二發動機橇的結構未改動，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，結構簡便，同時大小皮帶輪、小皮帶輪包角和窄V帶的帶長均未改動，但發動機橇處的結構仍稍顯復雜;方案三對發動機橇與泥漿泵橇的結構均做了改動，即將發動機橇第二層結構中的發動機底座和為泥漿泵配備的加高底座的高度都適當降低，實現了同時對發動機底座和泥漿泵加高底座的結構進行優化，但優化后的泥漿泵組的結構仍與原有的JBZ10P泥漿泵組的整體結構相似，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構發動機底座去掉，同時也縮減了最下層結構發動機橇的寬度尺寸，底座等結構件減重大約5t，泥漿泵自帶底座的質量大約為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泥漿泵組發動機橇和泥漿泵橇原有結構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化的目的。在后續的設計中，也應當考慮到泥漿泵組的氣路管線走線相對來說較為隨意，可以在對應的橇座上加裝線槽或者在橇座內部預埋對應的管線，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，在設計過程中，也要考慮到泥漿泵組如果在極寒地區工作，需要加裝保溫棚等，因此要預留保溫棚的安裝位置。這樣整個泥漿泵組可以根據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.機械設計手冊：第3卷[M].5版.北京：化學工業出版社，2008.