海洋平臺(tái)1600HP泥漿泵組傳動(dòng)裝置優(yōu)化分析

張治明

（蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅蘭州 730314）

海洋平臺(tái)1600HP泥漿泵組傳動(dòng)裝置優(yōu)化分析

張治明

（蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅蘭州 730314）

石油天然氣的勘探開(kāi)發(fā)，尤其是海洋鉆采裝置對(duì)鉆采配套設(shè)備的自動(dòng)化和輕型化要求越來(lái)越高，設(shè)備輕型化是主要發(fā)展方向之一。此文對(duì)新型泥漿泵組（FB1600）與傳統(tǒng)泥漿泵組（F-1600）進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，主要針對(duì)這兩種泥漿泵動(dòng)力端的傳動(dòng)方式進(jìn)行了優(yōu)化分析比較，新型泥漿泵組（FB1600）可實(shí)現(xiàn)輕型化設(shè)計(jì)制造，它傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單、可靠，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合海洋鉆井平臺(tái)和陸地鉆機(jī)的相應(yīng)配套，滿足海上惡劣環(huán)境的使用要求。

泥漿泵組；輕型化；傳動(dòng)方式；曲軸受力；電機(jī)支架；分析

隨著全球海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略不斷出臺(tái)，海洋鉆井裝備數(shù)量增長(zhǎng)迅猛，大力發(fā)展深水石油勘探開(kāi)發(fā)裝備將是我國(guó)海洋能源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的主要方向之一。但是隨著海洋水深的不斷增加，鉆井環(huán)境不斷惡劣，勘探開(kāi)發(fā)和平臺(tái)建造的難度也不斷加大，全球海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)承包商在對(duì)作業(yè)平臺(tái)和鉆井船選用時(shí)，對(duì)質(zhì)量、體積、可靠性等方面都有嚴(yán)格的控制要求[1]。目前7 000 m海洋石油鉆機(jī)作為海洋勘探開(kāi)發(fā)的主流產(chǎn)品，1600HP泥漿泵組是其中重要的泥漿循環(huán)設(shè)備[2]，鉆機(jī)廠家都在努力地對(duì)其進(jìn)行各種輕量化設(shè)計(jì)工作，但目前設(shè)計(jì)優(yōu)化工作一直處在降低零部件的設(shè)計(jì)質(zhì)量上，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未做深入的優(yōu)化分析。就目前而言，海洋平臺(tái)鉆機(jī)配套其主要為鏈條傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)泥漿泵組兩種形式，從使用情況來(lái)看，鏈條傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)都面臨共同的問(wèn)題：傳動(dòng)效率低、傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)尺寸大[3-4]，同時(shí)鏈條和皮帶作為易損件需要不定期地進(jìn)行更換，極大地增加鉆井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)降低了鉆井的效率，造成了能源和時(shí)間的極大浪費(fèi)，不利于提高鉆機(jī)的自動(dòng)化、節(jié)能化和輕型化水平。為此，根據(jù)目前鉆機(jī)配套泥漿泵組的特點(diǎn)，對(duì)海洋平臺(tái)1600HP泥漿泵組動(dòng)力端進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，研制開(kāi)發(fā)了泥漿泵動(dòng)力端一級(jí)齒輪傳動(dòng)的新型化傳動(dòng)裝置，目前產(chǎn)品已通過(guò)省新型專利成果鑒定，為進(jìn)一步在海洋石油鉆井平臺(tái)的推廣應(yīng)用起到拋磚引玉的作用，也為實(shí)現(xiàn)能源的高速高效開(kāi)發(fā)提供支持保障。

1 產(chǎn)品優(yōu)化目的

新型1600HP齒輪傳動(dòng)泥漿泵組如圖1所示，它通過(guò)橇裝的模塊化思路，基于F-1600泥漿泵優(yōu)化設(shè)計(jì)，將泥漿泵本體，電機(jī)，電機(jī)支架，傳動(dòng)裝置，強(qiáng)制潤(rùn)滑裝置及其附件進(jìn)行成橇化設(shè)計(jì)布局，滿足海洋平臺(tái)整體吊裝、移運(yùn)、安裝的工況需求，降低了平臺(tái)建造場(chǎng)地設(shè)備安裝、維修、維護(hù)的費(fèi)用，為客戶提供了一站式整體解決方案。動(dòng)力傳動(dòng)裝置采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，主要通過(guò)電機(jī)軸端安裝的齒輪直接驅(qū)動(dòng)曲軸齒輪，曲軸齒輪帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終輸出高壓泥漿。

圖1 產(chǎn)品模型及傳動(dòng)原理圖

2 新型泥漿泵組與傳統(tǒng)泥漿泵組工況適應(yīng)性對(duì)比

2.1 傳動(dòng)泥漿泵組動(dòng)力裝置

目前陸地鉆機(jī)配套泥漿泵組使用皮帶傳動(dòng)，如圖2所示，然而皮帶傳動(dòng)動(dòng)力裝置受到皮帶包角[4]、傳動(dòng)中心距、傳動(dòng)比恒定難以保證、傳動(dòng)裝置外輪廓尺寸大、皮帶消耗大、傳動(dòng)效率相對(duì)較低等特點(diǎn)的影響，海洋鉆井平臺(tái)早就采用鏈條傳動(dòng)方式。

圖2 皮帶傳動(dòng)F-1600泥漿泵

鏈條傳動(dòng)可分為電機(jī)頂置（圖3）和電機(jī)后置（圖4）兩種布置方式，較之前者的確在傳遞效率，傳動(dòng)比恒定方面有很大的改善，但在實(shí)際使用中也暴露出諸多不利因素，比如受到傳動(dòng)不平穩(wěn)、鏈條需張緊、鏈條受力狀況不佳，工作時(shí)有頻繁的沖擊、噪音大、鏈條損耗大，導(dǎo)致維護(hù)和維修費(fèi)用高。

2.2 新型泥漿泵組動(dòng)力裝置

采用齒輪傳動(dòng)方式[5-6]，較之皮帶和鏈條傳動(dòng)具有傳動(dòng)圓周速度大、傳遞的功率范圍寬、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)隨著齒輪加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，齒輪加工成本得到降低，尤其適合海洋鉆井平臺(tái)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的要求。新型1600HP泥漿泵組（圖5）傳動(dòng)優(yōu)化采用低速大扭矩交流變頻單電機(jī)一級(jí)齒輪傳動(dòng)，去掉了傳統(tǒng)泥漿泵組的大、小鏈輪、兩副鏈條以及傳動(dòng)軸，同時(shí)曲軸傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得曲軸和泥漿泵機(jī)殼的受力均勻。通過(guò)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行初步對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 電機(jī)頂置鏈條傳動(dòng)F-1600泥漿泵

圖4 電機(jī)后置鏈條傳動(dòng)F-1600泥漿泵

圖5 新型1600HP泥漿泵組

表1 新型1600HP泥漿泵組數(shù)據(jù)對(duì)比

3 泥漿泵動(dòng)力端曲軸優(yōu)化前后的受力分析比較

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由原來(lái)的二級(jí)傳動(dòng)改變?yōu)橐患?jí)傳動(dòng)[5-6]，去掉傳動(dòng)軸和曲軸上原來(lái)的人字齒，在曲軸的兩端增加斜齒傳動(dòng)，曲軸的受力將發(fā)生變化。

3.1 曲軸的力學(xué)模型

曲軸上力學(xué)模型是基于如下假設(shè)建立[3]（如圖6、圖7所示）：

（1）主軸承徑向支反力集中作用在主軸承壓力中心。

（2）連桿力集中作用在偏心輪中心上。

（3）大齒輪的質(zhì)量G齒輪分別作用在兩端軸頭上，曲軸的質(zhì)量G作為重力集中作用在曲軸的中心。

（4）曲軸其余質(zhì)量的1/3，連桿大頭軸承及其壓板質(zhì)量以及連桿零件質(zhì)量的73%的總和G2作為重力分別作用在三個(gè)偏心輪中心上。

圖6 優(yōu)化前鍛造曲軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖7 優(yōu)化后鍛造曲軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 曲軸受力分析計(jì)算

根據(jù)缸套直徑D和排出壓力p計(jì)算連桿推力F[3]（如圖8所示）：

圖8 曲軸的受力分析示意圖

1"、2"、3"曲軸的連桿徑向分力R分別為：

式中：Pl1、Pl2、Pl3為各曲拐的連桿力；β1、β2、β3為各連桿與十字頭的夾角；φ為曲拐1的旋轉(zhuǎn)角度。

類推1"、2"、3"曲軸連桿力切向分量Te分別為：

式中：Pl1=PΣ1/cosβ1；PΣ1為所有作用在活塞桿1的合力。

吸入時(shí)：

排出時(shí)：

式中：P為活塞力；Pmp為所有作用在活塞、介桿、十字頭上的摩擦力；Pmg為慣性力；F1為正壓力產(chǎn)生的摩擦力。

式中：Nx，Ny分別為作用于軸承座X（水平）、Y（垂直）方向各分力的合力；G為曲軸質(zhì)量；G1'為連桿及其附件在曲軸上的折合質(zhì)量；F1'為傳動(dòng)副沿徑向的作用力。

采用有限元分析鍛造曲軸危險(xiǎn)截面位置，曲軸邊界條件加軸承約束，曲軸處在兩種極限工況彎矩和扭矩共同作用下，比較曲軸優(yōu)化前后曲軸的危險(xiǎn)截面位置和應(yīng)力值。優(yōu)化前、后的鍛造曲軸簡(jiǎn)化分析Mises應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖9。

在同種工況作用下，如圖9所示，結(jié)合有限元分析結(jié)果可知，優(yōu)化前的鍛造曲軸危險(xiǎn)截面處在離傳動(dòng)副最遠(yuǎn)的曲柄位置根部，應(yīng)力峰值139.1 MPa。然而優(yōu)化后的曲軸危險(xiǎn)截面處在中間曲柄兩側(cè)對(duì)稱位置，應(yīng)力峰值為103.5 MPa。

結(jié)論：曲軸優(yōu)化后，曲軸的受力情況明顯改善，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，可適當(dāng)減小軸徑，從而減輕曲軸質(zhì)量。

圖10所示曲軸優(yōu)化前后軸承位置的軸位移情況，優(yōu)化后位移量明顯減小，優(yōu)化前為0.072 mm，優(yōu)化后為0.045 mm。軸承位置軸的位移量直接影響選取軸承的游隙，游隙過(guò)大，軸的竄動(dòng)將加劇傳動(dòng)的不平穩(wěn)性，降低軸承的使用壽命。

圖9 優(yōu)化前（上）、后（下）鍛造曲軸簡(jiǎn)化分析Mises應(yīng)力云圖

圖10 優(yōu)化前（上）、后（下）鍛造曲軸簡(jiǎn)化分析位移云圖

4 電機(jī)支架分析

采用單臺(tái)低速大扭矩交流變頻電機(jī)后，根據(jù)泥漿泵在工作情況下，電機(jī)支架（如圖11所示）的受力情況可知，電機(jī)支座的設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足承載和抗扭的能力。

圖11 泥漿泵組支架布置圖

承載計(jì)算：

式中：F1為正壓力；m為作用在支架上電機(jī)及附件的重量。

抗扭計(jì)算：

式中：T、P、n分別為電機(jī)的額定扭矩、額定功率、額定轉(zhuǎn)速；F2為因承受反扭矩而產(chǎn)生的支座力；L為支座力的力臂；M為支座的反扭矩。

載荷加載在電機(jī)的四個(gè)支座上，支座與支架焊接，整個(gè)支架采用焊接結(jié)構(gòu)[7]，支架與底座采用螺栓連接設(shè)為固定約束。

4.1 靜態(tài)力學(xué)分析

采用von Mises屈服理論準(zhǔn)則

式中：σs為材料的屈服點(diǎn)；k為材料的剪切屈服強(qiáng)度。

材料：焊接結(jié)構(gòu)鋼Q235[7]，工字鋼截面：200×200×20×16 mm。

4.2 剛性設(shè)計(jì)分析

由于支架在傳動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要求滿足強(qiáng)度要求，更重要滿足剛性要求（如圖12、圖13所示）。

圖12 Mises等效應(yīng)力云圖

圖13 應(yīng)變位移云圖

結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計(jì)過(guò)程，采用二向應(yīng)力狀態(tài)解析法，任意斜截面上的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系：

結(jié)論：Mises等效應(yīng)力和應(yīng)變位移均符合設(shè)計(jì)要求。

5 展望

新型1600HP大功率泥漿泵，采用優(yōu)化后單臺(tái)交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩端軸伸，齒輪對(duì)稱布置，強(qiáng)制集中潤(rùn)滑的傳動(dòng)布置方式，能夠滿足海洋和陸地對(duì)泥漿泵的苛刻要求，基于在F-1600泥漿泵的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大地改善傳統(tǒng)泥漿泵傳動(dòng)效率低、尺寸大、質(zhì)量大的特點(diǎn)，同時(shí)繼承了原來(lái)液力端的設(shè)計(jì)，這樣一來(lái)既優(yōu)化了動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，也不會(huì)增加客戶對(duì)液力端易損件的任何采購(gòu)成本，完全符合目前我國(guó)石油裝備制造業(yè)“降本增效”的發(fā)展思路，使得能源開(kāi)采更加高效，低碳，環(huán)保。

[1]楊貴田， 劉錫勝. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社，2013： 194-200.

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Optimization Analysis of Transmission Device in 1600HP Mud Pump Group of Offshore Platform

ZHANG Zhiming
（Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Co. Ltd., Lanzhou Gansu 730314, China）

In the exploration and development of oil & gas, the requirement for the automation and light-weight of the corollary equipment in the offshore drilling and production device becomes more and more strict; equipment lightening has become one of the major developing trends. This paper compares the advantages and disadvantages of the new type of mud pump assembly (FB1600) and the traditional mud pump assembly (F-1600), especially focuses on the optimization effect of the power driving mode. FB1600, with simple and reliable drive mode, can meet the requirement of lightweight design and manufacturing. Its suitability to different environment makes it easily equipped with the offshore drilling platforms and land rigs and satisfy the formidable offshore environment.

Mud pump assembly; lightweight trend; drive mode; crankshaft load; motor bracket; analysis

TE951

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.01.101

1008-2336（2017）01-0101-06

2016-10-24；改回日期：2016-11-22

張治明，男，1987年生，畢業(yè)于西安石油大學(xué)，從事海洋石油鉆井裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。E-mail：15117221536@163.com。