鉆井廢液雙軌跡振動篩的力心參數規律研究

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(渤海石油裝備制造有限公司，河北 青縣 062650)

在頁巖氣鉆井廢棄物無害化處理關鍵裝備研究中，實現鉆井廢液的初步機械分離和回收工藝的振動篩是必不可少的關鍵設備。振動篩的直線振動軌跡和平動橢圓振動軌跡在處理鉆井廢液時的應用范圍不同，直線軌跡的振動篩的特點是拋擲指數大，但容易在篩箱排出口“篩糊”，出現固相泥砂堆積的現象；而平動橢圓軌跡鉆井振動篩在20世紀80年底初期被提出,被稱為“第四代振動篩”[1-2]。平動橢圓軌跡的振動篩則較好地解決了“篩糊現象”，但相對同等規格的直線振動篩來說，拋射指數較直線振動篩小。因此，處理成分復雜的鉆井廢液時，雙軌跡振動篩的穩定尤為重要。

理論和現場實踐證明，平動橢圓軌跡振動篩雖然綜合性能較好，但制造精度高，現場維護條件要求高，結構復雜，且平動橢圓軌跡對振動篩各參數要求很高，而直線振動篩結構相對簡單[3-4]。本文所論述的雙軌跡振動篩篩型是在直線振動篩的基礎上進行優化改進而來。在直線振動篩篩型上實現穩定平動橢圓軌跡，必須保證振動源的力心與質心重合，其難點在于設計階段尋找力心的精確位置[5]。

1 振動篩雙軌跡設計實現

受Mongoose PT型振動篩三電機形式的啟發，發現改變振動篩軌跡實質上是改變振動電機的偏心質量，從而使產生的合力方向發生變化，最終使振動軌跡形成橢圓[6]。

將兩振動電機中靠近篩箱排砂口位置的振動電機的偏心塊進行優化設計，如圖1。在原有的上下偏心塊組中，各設計一塊移動的偏心塊，可沿振動電機軸旋轉一定角度。在設計兩振動電機正轉相背轉動時(做直線振動)，固定偏心塊(半)推動移動偏心塊隨電機轉動，移動偏心塊與固定偏心塊(半)無相位差，可視為一整塊固定偏心塊，產生的離心力可近似為2F，兩振動電機產生的振動力非常接近，可以認為合力的振動軌跡為直線。當兩振動電機反轉相向轉動時(做平動橢圓振動)，移動偏心塊轉動推動固定偏心塊(半)隨電機轉動，此時移動偏心塊和固定偏心塊(半)呈一定相位差角(圖1中相位差角為180°)，此時合力要小于2F，此時前電機產生的振動力要小于后電機的振動力，在保證力心、質心同點的情況下，合力的振動軌跡則為平動橢圓軌跡。這種結構一方面避免了多電機實現直線/平動橢圓雙軌跡振動時的因結構復雜導致的制作困難，另一方面減少了繁復的操作、維護工作，大幅降低了同篩型雙軌跡振動篩的制造和應用門檻[7]。

圖1 偏心塊結構示意

2 平動橢圓軌跡的振動源各參數間規律研究

選取的振動電機應滿足現場工況中平動橢圓振動軌跡和直線軌跡。在設計或優化一種新篩型時，首要工作在于設計優化時如何使振動源的力心始終與參振質量的質心重合或保證在合理范圍內。另一方面，穩定性是不可缺少的，但穩定運行時的相位差角不可測量，如何通過已知參數得到相位差角，是必須要解決的問題。

2.1 偏心塊不同相位角力心軌跡研究

雙軸振動篩在工作時能夠產生圓形、直線、橢圓等運動軌跡，主要由兩個或多個振動電機產生不同方向或力值的振動力，在振動中改變合力及方向，從而形成不同的振動軌跡。而同型號的振動電機之所以能夠產生不同的振動力，主要在于偏心產生的力矩比和穩定運行的相位角差。

在初始狀態下，單臺電機的偏心塊可以通過提前設定的辦法使前后偏心塊角度變化，相位差角強制不為0。華油一機(河北)鉆井裝備有限公司生產S250-2型平動橢圓振動篩就是利用這種辦法，通過豎直擺放(與y軸有適當傾角，如圖2)使2臺振動電機的上偏心塊形成的合力和下偏心塊形成的合力分別形成單獨的振動源，這樣就可根據提前設定好的相位差角得到需要的振動軌跡[8]。但對于振動電機平行上下放置的情況，由于重力作用，2臺振動電機的偏心塊在自然狀態下總是豎直向下的，如果電機座板傾斜放置，2臺電機的偏心塊在自然狀態下的相位角是不相等的[7]，如圖3。

1—篩箱；2—振動電機；3—電纜支架，4—進液槽；5—底座；6—振動彈簧；7—電控箱；8—升降彈簧座； 9—篩框。

1—篩箱；2—振動電機；3—電纜支架，4—進液槽；5—底座；6—振動彈簧；7—電控箱；8—升降彈簧座； 9—篩框。

根據文獻[9-10]，如果2臺振動電機性能相同，即轉速、偏心塊質量、偏心塊旋轉半徑相同，并做相向運動，則隨著電機轉動，初始自然狀態下的相位角差則逐漸減小，最終消失，使振動篩做直線振動。在本文討論的優化雙軌跡振動篩中，改變軌跡的方法主要是通過改變偏心塊質量來實現平動橢圓軌跡，其他振動篩參數不變，只是因為偏心塊質量不同，導致離心力不同，從而使振動篩實現平動橢圓軌跡振動。如果整個系統穩定且同步運轉，則兩電機轉動時一定始終存在一個特定的相位角差來平衡兩偏心塊產生的不同的離心力，假設這個穩定的相位角差為Δγ。

雙軌跡振動篩振動電機設計位置如圖4；簡化幾何模型如圖5。

圖4 雙軌跡振動篩電機設計位置示意

圖5 雙軌跡振動篩振動源幾何模型

圖4～5中：O1、O2為前后電機振源點，O1O2=L；F1為前電機振動產生的離心力，F2為后電機振動時產生的離心力，其中，前電機偏心塊在轉動時因活動偏心塊產生一部分離心力互相抵消，設F1=F，

F2=nF，0

利用軟件AUTOCAD做出Δγ從0～360°之間產生的一系列力心軌跡圖[4]。為作圖簡便，取F=100 N，n=2，O1為原點坐標(0，0)，L長度為300 mm，O2坐標為(300，0)，β=0°。通過力心作圖法，得到各角度力心坐標(Δγ每10°遞增)，如表1。

根據各Δγ角值坐標，可做力心軌跡如圖6所示。Δγ從0～360°變化時，力心軌跡為以一個O″點為起點，圓心在O點的逆時針旋轉的圓。

表1 力心坐標

圖6 力心軌跡

2.2 平動橢圓軌跡力心軌跡規律推導

當F1、F2(F1>F2)作用線同向平行時，合力必與O1O2連線交于一點O′。

(1)

當F1、F2作用線反向平行時，合力必與O1O2延長線連線交于一點O″。

(2)

O′點為力心圓的最左端點，前后電機偏心塊轉動相位角差Δγ=0°；O″點為力心圓的最右端點，前后電機偏心塊轉動相位角差Δγ=180°。同時O點為力心圓圓心，O′O″為直徑且與O1O2共線。

已知O1O2=L，則：

(3)

(4)

(5)

力心圓直徑O′O″=O2O′+O2O″，即：

(6)

O1點與O″點距離為

(7)

O1點與力心圓圓心O點距離為

(8)

O1點坐標為(0，0)，則力心圓圓心O點坐標為

(9)

(10)

設在任意相位角差Δγ的情形下，力心坐標為(Xz，Yz)，其坐標表達式為

(11)

設前后電機產生的力心力關系為F2=nF1=nF，得到力心軌跡表達式為

(12)

式中：n為兩電機偏心塊產生的離心力的比值；L為兩電機振動軸線距離，mm；β為電機擺放平面與水平面(篩箱平面)夾角，rad；Δγ為兩電機偏心塊達到自同步穩定運轉時候的相位差角，rad。

假設n=2，L=450 mm，β=10°；前電機(離心力較小的電機)振源點O1為坐標原點(0，0)，4個象限各取Δγ為20°，130°，215°，280°。通過AUTOCAD軟件查找四象限不同Δγ下對應的力心坐標，如圖7。

圖7 不同相位角力心坐標

將n，L，β，Δγ代入式(12)，得出力心坐標如表2。

表2 力心坐標數據

從表2中可看出，采用式(12)計算的Xz、Yz坐標與AUTOCAD的坐標值一致，說明式(12)成立。

因只有質心和力心重合時，振動篩才能夠實現平動，所以質心坐標與力心坐標重合，式(12)為振動篩做平動橢圓振動時(電機相對篩箱y軸平放)的質心坐標表達式。亦為設計優化的雙電機平行于振動篩y軸上方方向擺放的平動橢圓軌跡振動篩的參數指導式。

振動篩設計為平動橢圓振動軌跡時，振動篩參振質量的質心與兩電機偏心塊產生的離心力的比值n，兩電機振動軸線距離L，電機擺放平面與水平面(篩箱平面)夾角β以及兩電機偏心塊達到自同步穩定運轉時的相位差角Δγ四個數據有關。為了便于維修和操作，一般電機距離L和擺放角β為事先確定，力的比值n調整也比較方便，所以式(12)也直接反應了無法提前預知的相位差角Δγ和其他參數的關系。

2.3 平動橢圓軌跡的振動方向角選擇

在特定相位差角Δγ下，兩振動電機產生的合力距長軸與水平軸的角度(振動方向角)與各參數關系如圖8所示。

圖8 特定相位角合力矢端圖

圖8中：F1為前電機振動產生的離心力，F2為后電機振動時產生的離心力，F3為前后兩電機離心力之合力；α1、α2為前后電機某一時刻離心力與電機力軸線O1O2的夾角；O′為力心軌跡圓與電機力軸線交點，O″為力心軌跡圓圓心；θ為力橢圓軌跡長軸與水平軸夾角，亦為振動篩的主振動角；δ為F3力三角形對角；K為此時力心。

1) 合力軌跡和長短軸比。從圖8中幾何關系可推導出：

δ=2π-(α1+α2)

(13)

(14)

當δ為0°或180°時，合力F3最大，兩角度力矢端點連線即為橢圓的長軸；當δ為90°或270°時，合力F3最小，兩角度力矢端點連線即為橢圓的短軸。

橢圓長短軸比z值為1.5～4.5。

(15)

2) 振動方向角。

當0°<Δγ≤180°時，三角形O′KO″為等腰三角形，Δγ為其內角。

(16)

當180°<Δγ≤360°時，三角形O′KO″為等腰三角形，Δγ為其圓外角。

(17)

振動方向角θ與相位差角Δγ、夾角β有關。鉆井液振動篩的振動方向角根據經驗一般為：直線30°～60°，平動橢圓為40°～50°。

3 結論

1) 在直線振動篩篩型上進行振動雙軌跡理論設計時，采取直線篩篩型的振動電機擺放形式，通過改造電機偏心塊的辦法，實現雙振動軌跡中的平動橢圓振動。以簡單有效的電機擺放方式和數量實現直線/平動橢圓雙軌跡振動，降低同篩型雙軌跡振動篩的制造和應用門檻。

2) 研究了實現平動橢圓軌跡時振動源的各參數之間的規律，并進行驗證。為振動篩的結構優化設計提供理論指導。