卧式螺旋离心机调速系统的改进

卧式螺旋离心机调速系统的改进
2007-09-04文字选择：
卧式螺旋离心机通常由两部分组成：一部分是转鼓，另一部分是螺旋输送器。

螺旋在转鼓里面，且两者同轴，转鼓与螺旋之间有２ｍｍ的间隙。

当浆液由供料端进入转鼓中，泥浆液随同转鼓旋转，这时固体颗粒在离心力的作用下便沉降到转鼓壁上，在螺旋输送器的作用下，将沉降到转鼓壁上的固体颗粒排出。

这样就实现了固—液相的分离。

螺旋输送器、转鼓的转速差与转鼓转速之比称为转差率，该转差率很小，并且在实际应用中根据泥浆情况，应能调节转差率，以便达到更好的分离效果。

调节转鼓和螺旋输送器的转差率，从目前来看国内采用行星差速器。

将转鼓与螺旋输送器轴连接起来，这样转差率没有办法调整。

若要调整只能更换不同齿数的齿轮，因此，调节转差率麻烦，且为有级调速。

从国外来看，将转鼓与螺旋输送器由液压马达连接起来，通过改变液压马达的转速连续调节转差率。

而采用液压马达还要配备储油箱、油泵及驱动油泵电机，结构复杂，成本高，密封不好，容易漏油，两种方法都存在不足。

我们对离心机的传动装置进行改进，将复杂的差速器去掉，转鼓和螺旋输送器分别用两个电动机通过同步带进行传动。

而电动机由变频器进行控制，可实现无级调速，ＰＬＣ集成具体的控制功能，能够实现自动控制。

该设计方法目前在国内尚属首次，是一次新的尝试，若能研制成功将具有推广价值。

１卧式螺旋卸料沉降离心机工作原理
卧式螺旋卸料沉降离心机的主要构件有转鼓、螺旋推进器、差速器、过载保护装置、卸载装置。

卧螺离心机的工作原理如图１所示，在机壳５内有两个同心装在主轴承３和７上的回转部件，外面是无孔转鼓６，里面是螺旋叶片输送器４。

主电动机通过三角皮带轮２带动转鼓旋转。

转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器８的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动，但转速不同，其转差率一般为转鼓转速的０．２％￣３％。

泥浆从右端的中心加料管１连续送入机内，经过螺旋输送器的内筒加料隔仓的进料孔进到转鼓内。

在离心力的作用下，转鼓内形成了一个环形液池，重相固体粒子离心沉降到转鼓内表面上而形成沉渣，由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓小端的干燥区，从排渣口甩出。

在转鼓大端盖上开设有若干溢流口，澄清液便从此处流出，经机壳的排液室排出。

器的转差、进料速度，就可以改变沉渣的含湿量和澄清液的含固量。

此外，当过载或螺旋输送器意外卡住时，保护装置９能够自动断开主电动机电源，停止进料，防止事故发生。

２卧式螺旋沉降离心机内部结构
转鼓的形状有圆筒形、圆锥形、筒锥结合形。

圆筒形有利于固相脱水，圆锥形有利于液相澄清，筒锥结合兼有两者特点，本设计中的研究对象是筒锥结合形，在转鼓内表面通常焊有筋条，为了减少筒壁的磨损和防止沉渣打滑。

转鼓长
径比对分离来说是个很重要的参数，愈难分离的物料需要的比值就愈大。

另外，转鼓锥体部分的锥角也对物料的输送有很大的影响，对越难输送的沉渣，转鼓的锥角也就越小，因为这可以避免产生回流现象，以便顺利排渣，但是，转鼓的
锥角越小卧螺离心机的沉降面积越小，使用效率也就越低。

在转鼓排渣口处，为了使出了液面的沉渣继续脱水，并且不让离心机出来的液体随着沉渣一起从排渣口排出，在排渣口处设置一个挡板结构，挡板形式多种多样。

螺旋输送器是卧螺离心机的一个主要部件，它的主要作用是输送沉渣、排掉滤渣，它由螺旋叶片、内筒和进料管组成。

它的螺旋叶片为了平衡通常是双螺旋，螺距需根据实际情况而定，叶片的材料具有高耐磨性。

叶片的倾角一般有两
种，一种是螺旋叶片垂直于转鼓母线，在转鼓锥筒段，叶片倾角等于转鼓锥段的半角；另一种是叶片母线垂直于转鼓的回转轴线，但是经过试验有时在锥段也可以采用叶片倾角大于转鼓锥段的半角的设计结构，这种结构的输渣效果好而且省功，减少磨损。

叶片采用板材，按一个导程通过计算展开、下料、成型组装焊接而成。

螺旋叶片的下料展开可以采用图解展开法和计算展开法。

在螺旋推进器处设置一些压榨结构，可以形成一种新型的卧螺离心机，即压榨式卧螺离心机，一般有在螺旋筒体上设置压榨板，在
螺旋槽内设置压榨棍，在螺旋筒体上、螺旋叶片推料面上设置压力囊等几种结构，对于这种机型需要注意防止固相沉渣的阻塞，因此都带有差转速自动控制系统。

内筒的主要作用是接收分布和加速悬浮液。

内筒为了使悬浮液进入转鼓的沉降效果更好，可以采用多种设计方案。

它的主要方法是让悬浮液在内筒的出口处的径向速度最小，这样就使得悬浮液在径向停留时间加长，有利于悬浮液的沉降分离。

差速器一般是摆线针行星变速器和渐开线行星齿轮差速器，使转鼓和螺旋推进器之间保持一定的转速差的同向旋转。

过载保护装置有机械式、机械液压式和电控机械式。

３整体设计
３．１总体设计
传统的卧式螺旋离心机本身结构复杂，调节转鼓与螺旋输送器之间转速差的差速器更是离心机中最复杂而又极为重要的部件，其性能和质量往往决定着整个机器的工作能力和可靠性。

欲设计出体积小、重量轻、可靠耐用、效率高的差
速器就必须正确选择传动类型，精确合理地进行结构设计和强度计算，精密制造齿轮、行星轮轴承和转臂等主要构件，并严格进行动平衡，这样设计制造出的传动装置才能使螺旋卸料沉降离心机在生产中得到正常的运转。

这无疑提高了离
心机的设计制造难度和生产成本。

并且采用差速器传动转速差不能够任意调节，在很大程度上制约了分离效果，离心机在钻井液净化时处理量小，容易发生堵塞，传动速度无法任意调节，使用寿命短，价格昂贵。

基于以上几点提出了采用
变频器控制、双电机驱动的设计，希望通过对传动装置的改进使卧螺离心机的分离效果提高，达到实现无级调速的目的。

图２为改进后的卧螺离心机总体方案，图３为改进后的卧螺离心机传动原理图，去掉卧螺离心机原有的最复杂的部件差速器，用两个变频电机分别带动转鼓与螺旋输送器旋转。

变频电机
通过同步带传递转鼓与螺旋输送器运转分离泥浆所需要的动力，同步带具有结构紧凑，不易打滑等优点。

采用具有多段速、可编程自动运行、通讯等功能的变频器控制两个变频电机，通过对变频电机的控制来调节螺旋输送器与转鼓之间的转
速差，转速差可以任意调节，实现无级调速，从而高效可靠地完成离心分离过程。

具体的分离控制功能则被集成在ＰＬＣ离心机控制软件中。

卧螺离心机改进后简化了整个机体结构，自动控制卧螺离心机的运转速度，显著提高了卧螺离心机的工作能力、可靠性，具有更好的分离效果。

离心机采用变频调速技术，可根据不同的工艺要求进行调速，根据泥浆密度的不同可方便地采用多段速运行，同时采用变频控制实现电机的软启动，减少对电网的冲击，变频具有过流、过载、过压等丰富的保护等功能。

当负载或电机出现异常时变频器因故障停机，并快速封锁输出，这样可及时保护电机。

３．２工作原理
改进后卧螺离心机的工作原理如图４所示，在机壳５内有两个同心装在主轴承３和７
上的回转部件，外面是无孔转鼓６，里面是具有螺旋叶片的输送器４。

两个电动机分别通过皮带轮２带动转鼓６和螺旋输送器４旋转。

但转速不同，其转速差一般为转鼓转速的０．２％￣３％。

钻井液从右端的中心进料管１连续送入机内，经过螺旋输送器内筒加料隔仓的进料孔进到转鼓内。

在比重大几百甚至上千倍的离心力的作用下，转鼓内形成了一环形液池，重相固体粒子离心沉降到转鼓内表面上而形成沉渣，由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓小端的干燥区，从排渣口甩出。

在转鼓大端盖上开设有若干溢流口，澄清液便从此处流出，经机壳的
排液室排出。

调节溢流挡板溢流口位置、机器转速、转鼓与螺旋输送器的转速差、进料速度，可以改变沉渣的含湿量和澄清液的含固量。

此外，当过载或螺旋输送器意外卡住时，变频器能够自动断开电动机电源，停止进料，防止事故发生。

４结论
改进后的卧螺离心机在结构、性能方面明显不同：
（１）改进后，电动机通过同步带带动转鼓旋转，电动机通过同步带带动大端轴旋转，大端轴与螺旋输送器相连，在大端轴的带动下螺旋输送器旋转；
（２）两个电动机分别带动转鼓与螺旋输送器旋转，转鼓与螺旋输送器之间的转差由变频器控制，转速差可以任意调节，能够实现无级调速；
（３）去掉了复杂的差速器，使机器结构简单，省去了易损易磨件，很少发生机械和电气故障，节约工时，检修方便，工作能力和可靠性提高；
（４）离心机改装变频器后，电动机启动电流减小，对电网没有冲击。

在变频器的控制下确保离心机达到设定的转速，运转平稳，提高了泥浆分离效果；
（５）改造后采用再生发电式制动，装置内杜绝了高温点，增加安全系数。

可解决离心机因惯性较大造成停车困难的问题，对安全生产极为有利。

参考文献
１周凤石．钻井液净化系统发展方向探讨．石油矿场机械，１９９５（１）
２吴忠智，黄立培，吴加林调速用变频器及配套设备选用指南．
北京：机械工业出版社，２０００．。