双运动轨迹振动筛的设计l论文

设计计算

双运动轨迹振动筛的设计

牟长清1 朱均波2 许锦华1 魏耀华2

李凤玉1 王 奇1 史海英1 徐 征1

(1 华油一机(河北)钻井装备有限公司 2 渤海石油装备制造有限公司钢管制造公司)

摘要 针对钻井液振动筛只能以一种轨迹运行,振动力的大小难以调节,很难满足复杂井钻井作业要求的问题,设计了一种新型结构的振动筛。该振动筛仅利用2台振动电动机的合理配置就可实现2种振动轨迹的转换,振动电动机内部的可变振动力偏心块结构非常新颖,利用此结构能够得到直线和椭圆轨迹运动所需的振动力,结合双电动机反向自同步原理,可以实现理想的双轨迹振动。现场应用表明,在砂岩地层钻进,使用直线振动轨迹振动模式时振动筛排砂速度很快,处理量大,在泥岩层采用平动椭圆轨迹振动模式,减少了糊筛网的现象。

关键词 双轨迹振动筛 平动椭圆运动 直线运动 振动轨迹 偏心块

钻井液振动筛按照振动轨迹的不同可分为直线和平动椭圆2种。经过调试出厂后的振动筛只能以一种振动轨迹运行,振动力的大小难以调节,很难满足复杂井的钻井作业要求。美国M i S WACO公司推出了MONGOOSE双轨迹振动筛,采用3台电动机组合,通过启停电动机就可以改变振幅和振动轨迹,使振动筛的可调性得到很大进步。华油一机(河北)钻井装备有限公司于2008年成功设计了一种新型结构振动筛。该振动筛仅利用2台振动电动机的合理配置,就可实现2种振动轨迹的转换。

1 技术分析

1 1 结构

筛箱通过隔振弹簧置于底座上,筛箱的前上方水平放置2台振动电动机(图1),靠近筛箱质心的后振动电动机内部偏心块为固定式,始终保持100%振动力;前振动电动机内部的偏心块(图2)进行了专门设计,正转时振动力为100%,反转时为50%。

活动偏心块套在轴上,与轴可以相对转动。固定偏心块通过键与轴连接。当逆时针方向旋转时,固定偏心块下部大平面推动活动偏心块连续运转,此时振动力最大;当顺时针方向旋转时,固定偏心块上部平面推动活动偏心块凸台小平面连续运转,此时活动偏心块和固定偏心块的部分力量抵消,振动力小了1/2。活动偏心块两侧有聚氨酯缓冲块,

防止突然转变方向时产生的剧烈撞击。

图1 双运动轨迹振动筛结构示意图

1 前振动电动机;

2 后振动电动机(靠近

筛箱质心);3 筛箱;4 底座;5 弹簧

。

图2 前振动电动机内部偏心块结构

1 活动偏心块;

2 聚氨酯缓冲块;

3 固定偏心块;

4 轴。

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石 油 机 械

CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY

1 2 振动轨迹和振动幅度转化原理

根据双电动机驱动的自同步惯性振动机的理论计算和试验可知,2台振动电动机安装在振动筛的适当位置,相向旋转且振动力之比为1 2时,整个筛箱为平动椭圆运动;背向旋转且2台电动机的振动力之比为1 1时,整个筛箱为直线运动,以此来实现2种振动轨迹的互换(图3)。在结构设计时须注意:当筛箱为平动椭圆运动时,力心和筛箱重心必须重合;当筛箱直线运动时,合力的作用

线须通过筛箱质心。

图3 2台振动电动机的双轨迹振动筛模型

1 3 设计计算1 3 1 振动参数的选择

根据不同的筛分物,可改变椭圆轨迹的椭圆度、长轴倾角等参数使振动筛达到更好的使用状态。综合考虑后初步选择椭圆度为3 1、激振转速为1500r /m in 、单振幅为3 5mm 。

1 3

2 平动椭圆运动时力心位置的确定

根据理想状态下平动椭圆运动模式,确定力心位置,保证力心与整个筛箱的质心重合。前电动机与后电动机的振动力比值为1 2,椭圆轨迹长轴角度为45 时,2台电动机的轴中心距离为350mm 。

利用作图法绘制不同时刻2台电动机合力的作用线汇交图,得出力心的位置(图4)。根据力心和2台电动机位置确定实际样机的制作尺寸,图

4

图4 平动椭圆运动状态力心位置

显示了筛箱质心和2台电动机旋转中心的理想坐标位置。

1 3 3 振动筛的振动方向角

将图4中的质心与2台电动机的中心相连(OO ),并整体旋转图形,保证连线垂直于水平坐标[1]

(图5),点O 为筛箱的质心,O 2为固定偏心块的电动机旋转中心,O 1为活动偏心块的电动机旋转中心。根据反向回转双轴自同步振动机的计算模型计算振动方向角。

图5 反向回转双轴自同步振动机的振动方向角

计算筛箱质心的振动方向线与OY 轴的夹角12

。

=arctg -l 2

o sin2

l 2+l 2

o cos2

(1)

式中 2台振动电动机偏心块之间的相位差

角,12 即是筛箱质心的振动方向线与OY 轴的

夹角;

l o 2台振动电动机轴间距的1/2,l o =0 175m;

l 2台振动电动机合成质心至振动筛质心的距离,l =0 371m;

2台电动机合成质心与筛箱质心连线OO 与2台电动机旋转中心连线O 1O 2之间的夹角, =39 。

计算得 =-12 。筛箱质心的振动方向线与OY 轴的夹角

1

2

=6 。由此可知,筛箱质心的振动方向与两激振器中

心连线之间的夹角

= -1

2

=45 (2)

注: 上述计算是直线运动的方向角计算,椭圆运动与此相似。由于摩擦力矩等参数受到使用条件的影响,振动方向角的计算与实际情况有差

异,准确的振动方向角只有等样机制作出来后验证

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