直線型鉆井液振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉 偉，陶德清，繆 宏，張瑞宏，李 祥，季亞楠，張鐘鳴

（揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

振動篩是目前常用的機械設(shè)備之一，主要用于脫泥、脫水、篩分、物料輸送等，在選煤、石油化工、礦山、冶金、水利水電等生產(chǎn)部門應(yīng)用廣泛［1，2］。油田鉆井作業(yè)過程中，振動篩通過激振電機強迫篩箱振動，并通過篩箱中的篩網(wǎng)過濾回收鉆井液中的液相，實現(xiàn)鉆井液的循環(huán)利用［3］。本文利用三維建模軟件CATIA對振動篩的總體結(jié)構(gòu)及其重要零部件進(jìn)行設(shè)計，旨在設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)合理、適合于我國使用的鉆井液振動篩。

1 振動篩振動類型的確定和實現(xiàn)

本文設(shè)計的振動篩為雙電機自同步直線型鉆井液振動篩，它具有鉆井液的處理量大、工作效率高等特點［4］。直線振動篩振動工作原理如圖1所示。直線型振動篩使用兩臺激振電機，激振軸分別為O1、O2，其偏心塊質(zhì)量相等，即m1＝m2＝m；偏心半徑相等，即r1＝r2＝r。在坐標(biāo)系Oxy中，設(shè)原點O為參振部件的質(zhì)心。工作前，兩偏心塊在O1，O2的連線上；工作時，兩電機同步反向轉(zhuǎn)動，經(jīng)t時刻后，兩個偏心塊轉(zhuǎn)過的角度都為ωt。

圖1 直線振動篩振動工作原理圖

對兩振動電機進(jìn)行受力分析，因偏心質(zhì)量和偏心距相等，故兩電機技術(shù)參數(shù)相同。根據(jù)單個電機激振力Fm＝mrω2可知，兩電機的激振力時時相等。偏心塊從起始位置轉(zhuǎn)過ωt后，兩激振器在y方向產(chǎn)生的激振力分力相加，在x方向的激振力互相抵消。因此，兩激振電機產(chǎn)生的合力始終垂直平分于O1與O2的連線上，使激振力合力通過參振部件質(zhì)心，實現(xiàn)了振動篩參振部件在該方向的直線運動。圖2中給出了4個特殊工作位置處偏心塊瞬時工作位置示意圖，可以看出存在的合力始終保持在y方向上。

圖2 不同位置處偏心塊瞬時工作位置示意圖

該產(chǎn)品設(shè)計使用的電機型號為 MVE3500／15L，其技術(shù)參數(shù)見表1。由如表1所示的電機技術(shù)參數(shù)和在CATIA中得到的參振部件的總質(zhì)量，可計算出振動篩的振幅［5］，計算公式為：

其中：s為振幅；ω 為角速度，ω＝2πn／60，n為轉(zhuǎn)速；F為電機激振力；M為參振部件總質(zhì)量。

表1 MVE3500／15L型振動電機主要技術(shù)參數(shù)

在三維軟件中對模型稱重可得到振動篩篩框質(zhì)量

約為581 kg，設(shè)篩箱中正在處理的鉆井液質(zhì)量為100 kg，因雙電機激振，振幅計算如下：

由此可見，振幅為0.0052 m＝5.2 mm。工作中，參振部件受減振部件影響，實際工作振幅比計算值略小，取振幅為5 mm。

2 振動篩主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

振動篩主要由進(jìn)料斗、篩箱、漏斗、減振系統(tǒng)、篩箱角度調(diào)節(jié)裝置、激振器、篩網(wǎng)、篩網(wǎng)張緊機構(gòu)等組成。

2.1 進(jìn)料斗

進(jìn)料斗設(shè)計為堰式進(jìn)料斗，結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。鉆井液流入進(jìn)料罐后緩慢地漫過溢流堰，均勻分布于篩箱的篩網(wǎng)上；體積重量偏大的顆粒流入進(jìn)料罐后無法漫過溢流堰，實現(xiàn)大顆粒一級篩分。進(jìn)料罐底部設(shè)計有排空堵頭，以排除沉積的大顆粒固相。

圖3 進(jìn)料斗二維結(jié)構(gòu)圖

圖4 進(jìn)料斗三維結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 減振系統(tǒng)

減振系統(tǒng)支撐參振篩箱，衰減非參振部件的動載荷沖擊［6］。該減振器為4組懸掛式橡膠復(fù)合彈簧，兩個為1組共8個，如圖5、圖6所示。其優(yōu)點是：①具有輔助篩面傾角的調(diào)節(jié)；②可設(shè)計三維空間剛度，實現(xiàn)三維減振效果；③內(nèi)摩擦阻力大，振動篩啟動和停止時共振區(qū)振幅小、噪聲小。根據(jù)裝配需要，在靜止?fàn)顟B(tài)下，設(shè)計橡膠彈簧減振器的預(yù)剪切變形量約為Δx＝20 mm。設(shè)橡膠彈簧減振器的剪切剛度為ks，則有：

由式（3）可得：

式（4）中M 和Δx已知，經(jīng)計算，減振器需滿足ks＝680 N／cm±68 N／cm。

2.3 篩網(wǎng)張緊機構(gòu)

篩網(wǎng)張緊機構(gòu)主要有兩個作用：①給篩網(wǎng)施加所需繃緊力；②保證篩網(wǎng)具有適度的疲勞強度和動、靜強度。篩網(wǎng)張緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。其工作原理為：調(diào)節(jié)張緊螺母2使調(diào)節(jié)螺栓1受到向外頂出的軸向力，進(jìn)而壓縮板彈簧3，讓板彈簧有適當(dāng)?shù)膲壕o力，使安裝在卡指4上的篩網(wǎng)有適度的繃緊力。

圖5 減振器二維結(jié)構(gòu)

圖6 減振器三維結(jié)構(gòu)

圖7 篩網(wǎng)張緊機構(gòu)二維結(jié)構(gòu)

圖8 篩網(wǎng)張緊機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)

2.4 篩箱

該篩箱結(jié)構(gòu)如圖9和圖10所示。篩箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是確保篩箱的實際重心與設(shè)計重心重合，因此在CATIA軟件中首先找出其三維模型的質(zhì)心位置，即圖9中點O處，然后利用幾何作圖法得到激振力作用方向。設(shè)圖9中的質(zhì)心與激振力作用線在x方向上的距離為a，當(dāng)a＞0時，電機座往x正向移動；當(dāng)a＜0時，電機座往x反向移動。采用這種逐步逼近法迫使激振力與質(zhì)心距離a等于或接近零，滿足設(shè)計需求［7］。

3 振動篩整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

振動篩整體結(jié)構(gòu)設(shè)計在CATIA的裝配設(shè)計中進(jìn)行。整體結(jié)構(gòu)裝配前，首先在CATIA的零件設(shè)計中將所有的零件模型建好，然后將建好的零件模型導(dǎo)入到裝配設(shè)計界面，對部件進(jìn)行裝配；接著將所有裝配好的部件再次導(dǎo)入到裝配設(shè)計中進(jìn)行整機裝配，整機所需要的標(biāo)準(zhǔn)連接件和緊固件（螺栓、螺釘、螺母、墊片等）在3Dsource零件庫CATIA客戶端中可直接調(diào)用。裝配好的振動篩三維模型如圖11所示。

圖9 篩箱二維結(jié)構(gòu)

圖10 篩箱三維結(jié)構(gòu)

圖11 振動篩三維模型

4 小結(jié)

本文針對國內(nèi)鉆井液振動篩情況，設(shè)計出一種新型直線鉆井液振動篩。首先采用逐步逼近法設(shè)計振動篩篩箱的質(zhì)心；用三維建模軟件CATIA對振動篩的進(jìn)料斗、篩箱、篩網(wǎng)張緊機構(gòu)、減振器等主要零部件進(jìn)行設(shè)計，最后在裝配設(shè)計中對整機進(jìn)行裝配，完成了直線型鉆井液振動篩的設(shè)計。

［1］ 宋書中，周祖德，胡業(yè)發(fā).振動篩分機械發(fā)展概述及新型振動篩研究初探［J］.礦山機械，2006，34（4）：73－75.

［2］ 郭年琴，匡永江.振動篩國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.技術(shù)與裝備，2009（5）：26－27.

［3］ 鉆井液固相控制分離手冊［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

［4］ 賀鑫.大型直線振動篩動態(tài)仿真研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2008：16－28.

［5］ 李玉鳳，李永志，潘東明，等.直線振動篩運動學(xué)參數(shù)的確定［J］.煤礦機械，2008，29（3）：33－34.

［6］ 丁智平，陳吉平，宋傳江，等.橡膠彈性減振元件疲勞裂紋擴展壽命分析［J］.機械工程學(xué)報，2010，46（22）：58－64.

［7］ 趙環(huán)帥，張鄭愷，楊海玲，等.逐步逼近法在直線振動篩質(zhì)心設(shè)計和計算中的應(yīng)用［J］.礦山機械，2011，39（4）：89－91.