鉆井廢液雙軌跡振動(dòng)篩的力心參數(shù)規(guī)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(guān)鍵裝備研究中，實(shí)現(xiàn)鉆井廢液的初步機(jī)械分離和回收工藝的振動(dòng)篩是必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。振動(dòng)篩的直線振動(dòng)軌跡和平動(dòng)橢圓振動(dòng)軌跡在處理鉆井廢液時(shí)的應(yīng)用范圍不同，直線軌跡的振動(dòng)篩的特點(diǎn)是拋擲指數(shù)大，但容易在篩箱排出口“篩糊”，出現(xiàn)固相泥砂堆積的現(xiàn)象；而平動(dòng)橢圓軌跡鉆井振動(dòng)篩在20世紀(jì)80年底初期被提出,被稱為“第四代振動(dòng)篩”[1-2]。平動(dòng)橢圓軌跡的振動(dòng)篩則較好地解決了“篩糊現(xiàn)象”，但相對(duì)同等規(guī)格的直線振動(dòng)篩來說，拋射指數(shù)較直線振動(dòng)篩小。因此，處理成分復(fù)雜的鉆井廢液時(shí)，雙軌跡振動(dòng)篩的穩(wěn)定尤為重要。

理論和現(xiàn)場實(shí)踐證明，平動(dòng)橢圓軌跡振動(dòng)篩雖然綜合性能較好，但制造精度高，現(xiàn)場維護(hù)條件要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且平動(dòng)橢圓軌跡對(duì)振動(dòng)篩各參數(shù)要求很高，而直線振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單[3-4]。本文所論述的雙軌跡振動(dòng)篩篩型是在直線振動(dòng)篩的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)而來。在直線振動(dòng)篩篩型上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平動(dòng)橢圓軌跡，必須保證振動(dòng)源的力心與質(zhì)心重合，其難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)階段尋找力心的精確位置[5]。

1 振動(dòng)篩雙軌跡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

受Mongoose PT型振動(dòng)篩三電機(jī)形式的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)改變振動(dòng)篩軌跡實(shí)質(zhì)上是改變振動(dòng)電機(jī)的偏心質(zhì)量，從而使產(chǎn)生的合力方向發(fā)生變化，最終使振動(dòng)軌跡形成橢圓[6]。

將兩振動(dòng)電機(jī)中靠近篩箱排砂口位置的振動(dòng)電機(jī)的偏心塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖1。在原有的上下偏心塊組中，各設(shè)計(jì)一塊移動(dòng)的偏心塊，可沿振動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)一定角度。在設(shè)計(jì)兩振動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)相背轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(做直線振動(dòng))，固定偏心塊(半)推動(dòng)移動(dòng)偏心塊隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)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(chǎn)生的離心力可近似為2F，兩振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)力非常接近，可以認(rèn)為合力的振動(dòng)軌跡為直線。當(dāng)兩振動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)相向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(做平動(dòng)橢圓振動(dòng))，移動(dòng)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)固定偏心塊(半)隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)移動(dòng)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(shí)合力要小于2F，此時(shí)前電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)力要小于后電機(jī)的振動(dòng)力，在保證力心、質(zhì)心同點(diǎn)的情況下，合力的振動(dòng)軌跡則為平動(dòng)橢圓軌跡。這種結(jié)構(gòu)一方面避免了多電機(jī)實(shí)現(xiàn)直線/平動(dòng)橢圓雙軌跡振動(dòng)時(shí)的因結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致的制作困難，另一方面減少了繁復(fù)的操作、維護(hù)工作，大幅降低了同篩型雙軌跡振動(dòng)篩的制造和應(yīng)用門檻[7]。

圖1 偏心塊結(jié)構(gòu)示意

2 平動(dòng)橢圓軌跡的振動(dòng)源各參數(shù)間規(guī)律研究

選取的振動(dòng)電機(jī)應(yīng)滿足現(xiàn)場工況中平動(dòng)橢圓振動(dòng)軌跡和直線軌跡。在設(shè)計(jì)或優(yōu)化一種新篩型時(shí)，首要工作在于設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)如何使振動(dòng)源的力心始終與參振質(zhì)量的質(zhì)心重合或保證在合理范圍內(nèi)。另一方面，穩(wěn)定性是不可缺少的，但穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的相位差角不可測量，如何通過已知參數(shù)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(dòng)篩在工作時(shí)能夠產(chǎn)生圓形、直線、橢圓等運(yùn)動(dòng)軌跡，主要由兩個(gè)或多個(gè)振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生不同方向或力值的振動(dòng)力，在振動(dòng)中改變合力及方向，從而形成不同的振動(dòng)軌跡。而同型號(hào)的振動(dòng)電機(jī)之所以能夠產(chǎn)生不同的振動(dòng)力，主要在于偏心產(chǎn)生的力矩比和穩(wěn)定運(yùn)行的相位角差。

在初始狀態(tài)下，單臺(tái)電機(jī)的偏心塊可以通過提前設(shè)定的辦法使前后偏心塊角度變化，相位差角強(qiáng)制不為0。華油一機(jī)(河北)鉆井裝備有限公司生產(chǎn)S250-2型平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩就是利用這種辦法，通過豎直擺放(與y軸有適當(dāng)傾角，如圖2)使2臺(tái)振動(dòng)電機(jī)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(dú)的振動(dòng)源，這樣就可根據(jù)提前設(shè)定好的相位差角得到需要的振動(dòng)軌跡[8]。但對(duì)于振動(dòng)電機(jī)平行上下放置的情況，由于重力作用，2臺(tái)振動(dòng)電機(jī)的偏心塊在自然狀態(tài)下總是豎直向下的，如果電機(jī)座板傾斜放置，2臺(tái)電機(jī)的偏心塊在自然狀態(tài)下的相位角是不相等的[7]，如圖3。

1—篩箱；2—振動(dòng)電機(jī)；3—電纜支架，4—進(jìn)液槽；5—底座；6—振動(dòng)彈簧；7—電控箱；8—升降彈簧座； 9—篩框。

1—篩箱；2—振動(dòng)電機(jī)；3—電纜支架，4—進(jìn)液槽；5—底座；6—振動(dòng)彈簧；7—電控箱；8—升降彈簧座； 9—篩框。

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]，如果2臺(tái)振動(dòng)電機(jī)性能相同，即轉(zhuǎn)速、偏心塊質(zhì)量、偏心塊旋轉(zhuǎn)半徑相同，并做相向運(yùn)動(dòng)，則隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，初始自然狀態(tài)下的相位角差則逐漸減小，最終消失，使振動(dòng)篩做直線振動(dòng)。在本文討論的優(yōu)化雙軌跡振動(dòng)篩中，改變軌跡的方法主要是通過改變偏心塊質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)平動(dòng)橢圓軌跡，其他振動(dòng)篩參數(shù)不變，只是因?yàn)槠膲K質(zhì)量不同，導(dǎo)致離心力不同，從而使振動(dòng)篩實(shí)現(xiàn)平動(dòng)橢圓軌跡振動(dòng)。如果整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定且同步運(yùn)轉(zhuǎn)，則兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)一定始終存在一個(gè)特定的相位角差來平衡兩偏心塊產(chǎn)生的不同的離心力，假設(shè)這個(gè)穩(wěn)定的相位角差為Δγ。

雙軌跡振動(dòng)篩振動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)位置如圖4；簡化幾何模型如圖5。

圖4 雙軌跡振動(dòng)篩電機(jī)設(shè)計(jì)位置示意

圖5 雙軌跡振動(dòng)篩振動(dòng)源幾何模型

圖4～5中：O1、O2為前后電機(jī)振源點(diǎn)，O1O2=L；F1為前電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的離心力，F(xiàn)2為后電機(jī)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力，其中，前電機(jī)偏心塊在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因活動(dòng)偏心塊產(chǎn)生一部分離心力互相抵消，設(shè)F1=F，

F2=nF，0

利用軟件AUTOCAD做出Δγ從0～360°之間產(chǎn)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(diǎn)坐標(biāo)(0，0)，L長度為300 mm，O2坐標(biāo)為(300，0)，β=0°。通過力心作圖法，得到各角度力心坐標(biāo)(Δγ每10°遞增)，如表1。

根據(jù)各Δγ角值坐標(biāo)，可做力心軌跡如圖6所示。Δγ從0～360°變化時(shí)，力心軌跡為以一個(gè)O″點(diǎn)為起點(diǎn)，圓心在O點(diǎn)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓。

表1 力心坐標(biāo)

圖6 力心軌跡

2.2 平動(dòng)橢圓軌跡力心軌跡規(guī)律推導(dǎo)

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

(1)

當(dāng)F1、F2作用線反向平行時(shí)，合力必與O1O2延長線連線交于一點(diǎn)O″。

(2)

O′點(diǎn)為力心圓的最左端點(diǎn)，前后電機(jī)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)相位角差Δγ=0°；O″點(diǎn)為力心圓的最右端點(diǎn)，前后電機(jī)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)相位角差Δγ=180°。同時(shí)O點(diǎn)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(diǎn)與O″點(diǎn)距離為

(7)

O1點(diǎn)與力心圓圓心O點(diǎn)距離為

(8)

O1點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)，則力心圓圓心O點(diǎn)坐標(biāo)為

(9)

(10)

設(shè)在任意相位角差Δγ的情形下，力心坐標(biāo)為(Xz，Yz)，其坐標(biāo)表達(dá)式為

(11)

設(shè)前后電機(jī)產(chǎn)生的力心力關(guān)系為F2=nF1=nF，得到力心軌跡表達(dá)式為

(12)

式中：n為兩電機(jī)偏心塊產(chǎn)生的離心力的比值；L為兩電機(jī)振動(dòng)軸線距離，mm；β為電機(jī)擺放平面與水平面(篩箱平面)夾角，rad；Δγ為兩電機(jī)偏心塊達(dá)到自同步穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候的相位差角，rad。

假設(shè)n=2，L=450 mm，β=10°；前電機(jī)(離心力較小的電機(jī))振源點(diǎn)O1為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)，4個(gè)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(duì)應(yīng)的力心坐標(biāo)，如圖7。

圖7 不同相位角力心坐標(biāo)

將n，L，β，Δγ代入式(12)，得出力心坐標(biāo)如表2。

表2 力心坐標(biāo)數(shù)據(jù)

從表2中可看出，采用式(12)計(jì)算的Xz、Yz坐標(biāo)與AUTOCAD的坐標(biāo)值一致，說明式(12)成立。

因只有質(zhì)心和力心重合時(shí)，振動(dòng)篩才能夠?qū)崿F(xiàn)平動(dòng)，所以質(zhì)心坐標(biāo)與力心坐標(biāo)重合，式(12)為振動(dòng)篩做平動(dòng)橢圓振動(dòng)時(shí)(電機(jī)相對(duì)篩箱y軸平放)的質(zhì)心坐標(biāo)表達(dá)式。亦為設(shè)計(jì)優(yōu)化的雙電機(jī)平行于振動(dòng)篩y軸上方方向擺放的平動(dòng)橢圓軌跡振動(dòng)篩的參數(shù)指導(dǎo)式。

振動(dòng)篩設(shè)計(jì)為平動(dòng)橢圓振動(dòng)軌跡時(shí)，振動(dòng)篩參振質(zhì)量的質(zhì)心與兩電機(jī)偏心塊產(chǎn)生的離心力的比值n，兩電機(jī)振動(dòng)軸線距離L，電機(jī)擺放平面與水平面(篩箱平面)夾角β以及兩電機(jī)偏心塊達(dá)到自同步穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的相位差角Δγ四個(gè)數(shù)據(jù)有關(guān)。為了便于維修和操作，一般電機(jī)距離L和擺放角β為事先確定，力的比值n調(diào)整也比較方便，所以式(12)也直接反應(yīng)了無法提前預(yù)知的相位差角Δγ和其他參數(shù)的關(guān)系。

2.3 平動(dòng)橢圓軌跡的振動(dòng)方向角選擇

在特定相位差角Δγ下，兩振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的合力距長軸與水平軸的角度(振動(dòng)方向角)與各參數(shù)關(guān)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(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的離心力，F(xiàn)2為后電機(jī)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力，F(xiàn)3為前后兩電機(jī)離心力之合力；α1、α2為前后電機(jī)某一時(shí)刻離心力與電機(jī)力軸線O1O2的夾角；O′為力心軌跡圓與電機(jī)力軸線交點(diǎn)，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(dòng)篩的主振動(dòng)角；δ為F3力三角形對(duì)角；K為此時(shí)力心。

1) 合力軌跡和長短軸比。從圖8中幾何關(guān)系可推導(dǎo)出：

δ=2π-(α1+α2)

(13)

(14)

當(dāng)δ為0°或180°時(shí)，合力F3最大，兩角度力矢端點(diǎn)連線即為橢圓的長軸；當(dāng)δ為90°或270°時(shí)，合力F3最小，兩角度力矢端點(diǎn)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(dòng)方向角。

當(dāng)0°<Δγ≤180°時(shí)，三角形O′KO″為等腰三角形，Δγ為其內(nèi)角。

(16)

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

(17)

振動(dòng)方向角θ與相位差角Δγ、夾角β有關(guān)。鉆井液振動(dòng)篩的振動(dòng)方向角根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般為：直線30°～60°，平動(dòng)橢圓為40°～50°。

3 結(jié)論

1) 在直線振動(dòng)篩篩型上進(jìn)行振動(dòng)雙軌跡理論設(shè)計(jì)時(shí)，采取直線篩篩型的振動(dòng)電機(jī)擺放形式，通過改造電機(jī)偏心塊的辦法，實(shí)現(xiàn)雙振動(dòng)軌跡中的平動(dòng)橢圓振動(dòng)。以簡單有效的電機(jī)擺放方式和數(shù)量實(shí)現(xiàn)直線/平動(dòng)橢圓雙軌跡振動(dòng)，降低同篩型雙軌跡振動(dòng)篩的制造和應(yīng)用門檻。

2) 研究了實(shí)現(xiàn)平動(dòng)橢圓軌跡時(shí)振動(dòng)源的各參數(shù)之間的規(guī)律，并進(jìn)行驗(yàn)證。為振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。