雙電機(jī)鉆井廢液雙軌跡振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

(渤海石油裝備制造有限公司，河北 青縣 062650)①

在頁巖氣鉆井廢棄物無害化處理的裝備中，實(shí)現(xiàn)鉆井廢液初步機(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[1]。由于鉆井廢液成分較一般鉆井液復(fù)雜，所以用于鉆井廢棄物無害化處理工藝的振動(dòng)篩多采用雙軌跡振動(dòng)篩。所謂雙軌跡，指的是在同一振動(dòng)篩上既能實(shí)現(xiàn)直線振動(dòng)軌跡，又能實(shí)現(xiàn)平動(dòng)橢圓振動(dòng)軌跡。

經(jīng)過理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩直線振動(dòng)軌跡的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單[2]，易制造；實(shí)現(xiàn)平動(dòng)橢圓軌跡的振動(dòng)篩制造精度高，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)條件要求高[3]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較為困難。本文利用文獻(xiàn)[1]中涉及的雙電機(jī)雙軌跡振動(dòng)篩推導(dǎo)出的規(guī)律式，輔助Solidworks三維軟件模擬，大幅減少了雙軌跡振動(dòng)篩制作前的試驗(yàn)工作，且提高了質(zhì)心和力心重合精度，確保了振動(dòng)篩振動(dòng)軌跡嚴(yán)格按設(shè)計(jì)運(yùn)行。

1 振動(dòng)源位置確定

鉆井廢液雙軌跡振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的初衷達(dá)到與否，主要在于振動(dòng)軌跡是否按技術(shù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作。產(chǎn)品如期按設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行，就必須要保證在平動(dòng)橢圓運(yùn)動(dòng)振動(dòng)軌跡時(shí)，質(zhì)心和力心重合，在直線振動(dòng)軌跡時(shí)，激振力合力作用線要通過質(zhì)心。振動(dòng)篩激振源的設(shè)定是設(shè)計(jì)任務(wù)的重中之重，以前設(shè)計(jì)振動(dòng)篩的振源時(shí)，為了質(zhì)心和力心重合或盡量重合，主要采用漸進(jìn)安裝、十字測(cè)試、反復(fù)調(diào)試的辦法，即在試驗(yàn)篩箱的側(cè)板按初次設(shè)計(jì)附件橫豎鉆一排工藝孔，依孔安裝振動(dòng)源，根據(jù)測(cè)試軌跡進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到滿意的位置，然后定型，批量生產(chǎn)，如圖1。這種方法在每次研制新篩型的時(shí)候均需采用，工藝較為繁瑣，且受限于工藝孔位置，力心和質(zhì)心重合精度不高，造成實(shí)際振動(dòng)時(shí)軌跡發(fā)生偏移，處理效果不佳。

圖1 篩箱質(zhì)心力心漸進(jìn)重合工藝

1.1 振動(dòng)源位置設(shè)計(jì)原則

雙軌跡振動(dòng)篩振動(dòng)源位置設(shè)計(jì)三原則：①直線軌跡時(shí)振動(dòng)合力作用線通過整體參振質(zhì)量質(zhì)心；②平動(dòng)橢圓軌跡時(shí)振動(dòng)力心與整體參振質(zhì)量質(zhì)心重合；③與質(zhì)心形成合理的振動(dòng)角。

1.2 振動(dòng)源直線軌跡質(zhì)心與力心重合設(shè)計(jì)

根據(jù)SolidWorks三維軟件，進(jìn)行圖紙繪制，找出質(zhì)心。因篩箱各部件均為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故質(zhì)心在整體參振質(zhì)量中軸線xoy平面上。

首先進(jìn)行直線軌跡合力作用線通過質(zhì)心的振動(dòng)源位置的設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，可將振動(dòng)篩的參振質(zhì)量分為兩部分，一部分為激振器，質(zhì)量為m1，質(zhì)心點(diǎn)為O1，坐標(biāo)為(x1，y1)；另一部分為篩箱，質(zhì)量為m2，質(zhì)心點(diǎn)為O2，坐標(biāo)為(x2，y2)；整體參振質(zhì)量的質(zhì)量為m，質(zhì)心點(diǎn)為O，坐標(biāo)為(x，y)，如圖2所示。

圖2 直線振動(dòng)軌跡質(zhì)心關(guān)系

通過調(diào)整激振器安裝位置，使O1O2為前后電機(jī)的振動(dòng)合力作用線。設(shè)O1O2直線斜率為k，以篩箱質(zhì)心點(diǎn)O2為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)，篩面排砂方向水平軸為x軸，則其方程為：y=kx。

根據(jù)質(zhì)心計(jì)算公式[5]：

(1)

式中：mi為第i個(gè)零部件的質(zhì)量，kg；xi，yi為第i個(gè)零部件的質(zhì)心坐標(biāo)，mm；n為整體參振質(zhì)量的零部件數(shù)量。

將圖2中參數(shù)代入式(1)得：

(2)

故振動(dòng)篩整體參振質(zhì)量的質(zhì)心(x，y)在O1O2直線上。

通過SolidWorks三維軟件，按1∶1對(duì)振動(dòng)篩參振質(zhì)量部件繪圖，自動(dòng)尋找出激振器和篩箱的質(zhì)心。如圖3～4。

圖3 激振器質(zhì)心三維示意

圖4 篩箱質(zhì)心三維示意

將找出質(zhì)心的激振器和篩箱組裝在一起，如圖5。在裝配圖中，固定篩箱位置，為了獲得更好的受力環(huán)境，盡量在縱向y軸上降低激振器，根據(jù)制造及使用經(jīng)驗(yàn)，一般在縱向上激振器最低點(diǎn)離開篩網(wǎng)200 mm。根據(jù)激振器合力作用線和篩箱質(zhì)心斜線的距離，橫向移動(dòng)激振器，使兩線重合，則整體參振質(zhì)量質(zhì)心、篩箱質(zhì)心、激振器質(zhì)心就一定能在激振器合力作用線上，振動(dòng)篩做平動(dòng)直線振動(dòng)。

圖5 整體參振質(zhì)量質(zhì)心示意

調(diào)整好激振器位置后，利用SolidWorks軟件，得到振動(dòng)源位置設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 振動(dòng)源位置設(shè)計(jì)參數(shù)

其中激振器總質(zhì)量、篩箱總質(zhì)量、參振總質(zhì)量、電機(jī)安裝板與水平面夾角和振動(dòng)方向角為振動(dòng)篩固有設(shè)計(jì)參數(shù)。前電機(jī)振動(dòng)中心A點(diǎn)橫向距離(距篩箱最前沿)、前電機(jī)振動(dòng)中心A點(diǎn)縱向距離(距篩箱最低沿)以及質(zhì)心坐標(biāo)(以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn))由軟件模擬設(shè)計(jì)得出。

1.3 平動(dòng)橢圓軌跡激振器參數(shù)確定

若使振動(dòng)篩做平動(dòng)橢圓運(yùn)動(dòng)，必須保證兩電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的力心在質(zhì)心上。本文的雙軌跡振動(dòng)篩是通過控制雙電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)直線軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)源在參振部件中位置已經(jīng)固定，因此，實(shí)現(xiàn)平動(dòng)橢圓軌跡最重要的是確定兩臺(tái)電機(jī)激振合力的比值[5]，以前的辦法是通過反復(fù)調(diào)試來確定，需要準(zhǔn)備多組電機(jī)激振力塊，逐漸縮小范圍，費(fèi)工費(fèi)力。

振動(dòng)篩做平動(dòng)橢圓運(yùn)動(dòng)時(shí)，相位差角△γ小于180°，通過軟件計(jì)算出質(zhì)心位置。

(3)

代入振動(dòng)方向角θ=45°，電機(jī)座板與水平軸夾角β=25°，得到相位差角△γ=40°。

力心軌跡表達(dá)式為

(4)

設(shè)前后電機(jī)產(chǎn)生的力心力關(guān)系為F2=NF1=NF。

(5)

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。

代入兩電機(jī)振動(dòng)軸線L=340 mm；電機(jī)擺放平面與水平面(篩箱平面)夾角β=25°，質(zhì)心坐標(biāo)(337.26，-98.06)，得到兩電機(jī)激振器合力比值n≈3。則橢圓軌跡長(zhǎng)短軸軸比為2。根據(jù)兩電機(jī)激振器合力比值，調(diào)節(jié)活動(dòng)偏心塊質(zhì)量，使其轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力為固定偏心塊的1/3，即可滿足設(shè)計(jì)要求。

2 優(yōu)化軌跡的同步性和穩(wěn)定性驗(yàn)證

因本文提及的優(yōu)化篩是在成熟的直線篩基礎(chǔ)上優(yōu)化而來，限于篇幅，其直線軌跡的同步性和穩(wěn)定性不在贅述，下面主要驗(yàn)證在直線篩型上實(shí)現(xiàn)平動(dòng)橢圓軌跡時(shí)的同步性和穩(wěn)定性。

根據(jù)文獻(xiàn)[2,6-7]，采用雙電機(jī)的振動(dòng)篩，必須要滿足雙電機(jī)旋轉(zhuǎn)的同步性及穩(wěn)定性，才能保證設(shè)計(jì)的振動(dòng)軌跡平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)，更確切的說，第一，要保證雙電機(jī)各自的偏心塊(回轉(zhuǎn)質(zhì)量)同步回轉(zhuǎn)，即同步性；第二，在同步的前提下，雙電機(jī)各自的偏心塊(回轉(zhuǎn)質(zhì)量)的運(yùn)轉(zhuǎn)相位差角必須一致，即穩(wěn)定性。只有滿足這兩個(gè)條件，參振剛性機(jī)體各點(diǎn)才能保證相同的運(yùn)動(dòng)軌跡。

雙軌跡振動(dòng)篩的自同步分析模型如圖6。圖中：ω為振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad；ψ1為后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，rad，ψ2為前電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，rad；Δα為前后兩振動(dòng)電機(jī)在振動(dòng)中的相位角差。

圖6 雙軌跡電機(jī)自同步分析模型

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，在xoy平面內(nèi)，前后振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)力不等且做同向等速回轉(zhuǎn)的自同步條件為

(6)

前后振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)力不等且做同向等速回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性為

cos(Δα+ζ)<0

(7)

其中：

(8)

式(6)～(8)中各參數(shù)如表2。

將表1中數(shù)據(jù)代入式(6)～(8)，式(6)計(jì)算結(jié)果為5.79>1；式(7)結(jié)果計(jì)算為-0.97<0。即：軌跡優(yōu)化中所選擇的參數(shù)滿足自同步和穩(wěn)定性。

3 振動(dòng)篩的其他主要參數(shù)

評(píng)價(jià)鉆井液振動(dòng)篩性能優(yōu)劣的兩個(gè)主要指標(biāo)為鉆井液處理量和對(duì)鉆井液中的有害固相的分離程度。這也是選擇鉆井液振動(dòng)篩的基本出發(fā)點(diǎn)。

鉆井液處理量就是單位時(shí)間在保證分離效果的前提下，振動(dòng)篩分離的鉆井液體積；而對(duì)有害固相的分離程度主要指的是在振動(dòng)篩使用一定目數(shù)的篩網(wǎng)的情況下，從鉆井液中去除相應(yīng)尺寸的固相顆粒的百分比。影響它們的參數(shù)很多，但對(duì)于振動(dòng)篩自身參數(shù)來說，主要有振動(dòng)軌跡、振幅、振動(dòng)頻率、拋擲指數(shù)、篩型傾斜角度等，這些因素一般相互影響又相互關(guān)聯(lián)。

表2 優(yōu)化軌跡的同步性和穩(wěn)定性參數(shù)

3.1 振動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外的一些產(chǎn)品依靠不同的電機(jī)啟停做振動(dòng)軌跡的變化。本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩主要通過控制按鈕，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的辦法來改變軌跡運(yùn)動(dòng)，不增加額外質(zhì)量，不需要停機(jī)調(diào)整，也符合鉆井作業(yè)不停歇的特點(diǎn)。

3.2 振幅和頻率

增加鉆井液振動(dòng)篩的處理量，增大振幅和減小頻率是必要的手段之一。在振動(dòng)篩處理鉆井液的工作過程中，在拋擲指數(shù)D不變的情況下，頻率的提高會(huì)讓篩面上的鉆井液顆粒移動(dòng)變慢，而振幅的增大，則會(huì)提高其移動(dòng)速度[10]。因此，通常都采取低頻率高振幅的工作形式。但是，過大的振幅會(huì)造成參振部件使用壽命降低，一般直線振動(dòng)篩和平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩振幅選擇范圍為2～6 mm。振幅的近似式為

(9)

式中:me為振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的總激振力距，M為總參振質(zhì)量。

前后電機(jī)偏心塊在做直線振動(dòng)時(shí)，力矩相同，做平動(dòng)橢圓振動(dòng)時(shí)，力矩比值為3∶1。前后電機(jī)偏心塊質(zhì)量設(shè)定為20 kg，偏心距為0.1 m，則直線振動(dòng)軌跡的振幅為λ1=(18×0.1+1.8×0.1)/948.5=3.8 mm；平動(dòng)橢圓振幅λ2=(18×0.1+6×0.1)/948.5=2.5 mm。

3.3 拋擲指數(shù)

拋擲指數(shù)D是指振動(dòng)時(shí)設(shè)備最大振動(dòng)加速度的垂直分量與重力加速度g的比值，它直接反應(yīng)了振動(dòng)過程中被篩分的物料當(dāng)接觸篩網(wǎng)時(shí)，在因振動(dòng)產(chǎn)生的周期性拋力和自身重力的合力作用下，運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的相位差。被篩分物料的跳動(dòng)與振動(dòng)篩本身的振動(dòng)基本重合，因此，高低點(diǎn)的相位關(guān)系就直接影響透篩率的高低和振動(dòng)篩的物料處理量。所以拋擲指數(shù)D是反映振動(dòng)篩性能的重要參數(shù)之一[9]。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，拋擲指數(shù)D為

(10)

式中：K為機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，λ為振幅，δ為振動(dòng)方向角，α0為篩面傾角。

拋擲指數(shù)是振動(dòng)篩自身工作的振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)方向角及篩面傾斜角所綜合反應(yīng)的參數(shù)。制造時(shí)選用頻率為25 Hz的振動(dòng)電機(jī)，則兩種軌跡拋擲指數(shù)值如表3。

表3 兩種軌跡拋擲指數(shù)值

3.4 篩面傾斜角

篩面傾斜角是影響振動(dòng)篩處理量的一個(gè)重要參數(shù)[10]。負(fù)篩面傾斜角可非常顯著地提高振動(dòng)篩排出鉆井液中的鉆屑速度，在特殊的情況下，例如要處理的鉆井液量較少，但黏度較高時(shí)負(fù)篩面傾斜角可顯著提高處理效果并減少篩口的積砂。但通過調(diào)整篩面傾斜角來提高排屑速度的辦法，實(shí)際上是以犧牲處理量來實(shí)現(xiàn)的，不恰當(dāng)?shù)呢?fù)篩面傾斜角將會(huì)導(dǎo)致或加劇“跑漿”現(xiàn)象；正篩面傾斜角可增加鉆井液中顆粒的透篩率，但過大的正篩面傾斜角會(huì)造成篩網(wǎng)壽命嚴(yán)重降低。一般篩面傾斜角為-5°～+5°。

3.5 振動(dòng)電機(jī)

振動(dòng)篩選用的振動(dòng)電機(jī)主要有長(zhǎng)筒振動(dòng)電機(jī)和短型振動(dòng)電機(jī)2種，因長(zhǎng)筒振動(dòng)電機(jī)機(jī)身較長(zhǎng)，容易出現(xiàn)多支撐軸的靜不定結(jié)構(gòu)，其受力情況復(fù)雜惡劣，對(duì)振動(dòng)篩整體制作的要求特別高。本文振動(dòng)篩選取短型振動(dòng)電機(jī)。

3.6 振動(dòng)篩篩網(wǎng)

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)在篩網(wǎng)采用平板篩網(wǎng)，主要是考慮更換篩網(wǎng)時(shí)的迅速性。平板篩網(wǎng)采用楔塊壓緊，楔塊壓緊的方向與振動(dòng)方向相反，在振動(dòng)過程中通過自鎖，將篩網(wǎng)壓緊；而更換篩網(wǎng)時(shí)，只需簡(jiǎn)單的反向取下楔塊，就可快速更換篩網(wǎng)。為了便于拆取楔塊，楔塊采用工程塑料制作，一方面是質(zhì)量輕，減少振動(dòng)篩總的參振質(zhì)量；另一方面是不會(huì)由于自鎖，難以拆卸。采用楔塊壓緊方式的平板篩網(wǎng)更換速度較采用傳統(tǒng)的鉤邊篩網(wǎng)快5～10倍。

優(yōu)化振動(dòng)篩的主要參數(shù)如表4。

表4 優(yōu)化振動(dòng)篩主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié)論

1) 采用SolidWorks三維軟件中自動(dòng)尋找零部件質(zhì)心的功能，在計(jì)算機(jī)上模擬尋找振動(dòng)篩參振質(zhì)量的總質(zhì)心，較工裝反復(fù)試驗(yàn)的方法，使質(zhì)心位置的準(zhǔn)確度有了大幅提高，更好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的直線振動(dòng)軌跡。

2) 在直線篩型上，利用振動(dòng)源各參數(shù)之間規(guī)律式，確定了實(shí)現(xiàn)平動(dòng)橢圓振動(dòng)軌跡平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的相位差角和電機(jī)活動(dòng)偏心塊在平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與固定偏心塊產(chǎn)生的合力比值兩個(gè)重要參數(shù)。

3) 優(yōu)化設(shè)計(jì)的平動(dòng)橢圓軌跡的同步性和穩(wěn)定性得到驗(yàn)證。

4) 優(yōu)化了振動(dòng)篩的各項(xiàng)參數(shù)。包括振動(dòng)篩的拋擲指數(shù)、振幅頻率、篩箱傾角等主要參數(shù)。