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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并做适当调整。

直线振动时,振动力的方向与电动机中心和质心连线的方向有6 左右的夹角,因此不是严格意义上的平动直线运动,在筛箱前后各点绕筛箱质心有一轻微摆动,当摆动量控制在一定范围时,形成进液端角度大于45 ,出口端角度小于45 的结构,既加大了筛箱入口段的透筛量,又提高了排砂端的水平速度。

1 3 4 电动机运转同步性分析
为了保证双电动机自同步振动筛能够正常运转,首先要保证2台电动机的偏心块能够实现同步回转,其次还要使2台电动机的偏心块保持一定的相位差。

因此,需要验证同步性条件和同步状态的稳定性条件[2]。

同步性指数D的计算式为:
D=
m20 2r2W
M g- M f(3)
式中 W 稳定性指数,1/kg;
M g 两轴的输出转矩之差,设定值为12 1N m;
M f 两轴的摩擦力矩之差,设定值为2 N m;
m
每一轴上的偏心块质量,设定值为15kg;
同步转速,设定值为157rad/s;
r 偏心块回转半径,设定值为0 05m。

稳定性指数的计算公式为:
W=1
J
(l2+l2o cos22 )2+l2o s i n22 (4)
式中 J 筛箱对质心的转动惯量,采用So li d w ork三维软件测算,测定值为400kg m2。

两轴反向同步旋转时,稳定性指数为:
W=10000
400
(0 3712+0 1752cos278 )2+
0 1752si n278
1
2
=5 5(5)
D=152 1572 0 0025
12 1-2
W=7550>1
(6)
由于符合稳定性条件D>1,所以2台电动机的偏心块能够实现同步运转。

2 现场试验与应用
华油一机(河北)钻井装备有限公司制作了2台样机,设计参数达到了理论数值。

将这2台双运动轨迹振动筛和1台S250平动椭圆振动筛组装在1个大底座上,形成三联筛在华北油田井队进行现场对比试验。

试验结果如下:钻井前期地层以砂岩层为主,钻井液的特点是砂粒多、用量大,使用直线振动轨迹时振动筛排砂速度很快,处理量大,处理效果略好于椭圆轨迹;钻井深度达到1000m 后,地层为泥岩层,钻井液的特点是钻屑颗粒小并且粘稠。

此时使用直线轨迹处理,会出现严重糊筛网的问题,调节成平动椭圆轨迹振动模式,由于各方向都有振动力,减少了糊筛网的现象。

3 结 论
(1)2台振动电动机实现双轨迹振动的振动筛结构简单,性能可靠。

平动椭圆运动时椭圆度为3 1,激振转速为1500r/m in,参数都比较合理。

(2)振动电动机内部的可变振动力偏心块结构非常新颖,采用此结构能够得到直线和椭圆轨迹所需的振动力,结合双电动机反向自同步的原理,可以实现理想的双轨迹振动。

(3)在地表层快速钻井段,振动筛需要快速移动钻屑,此时采用大振幅直线运动比较理想;其他井段则需要振动力稍小一些的椭圆运动,椭圆运动能够在各种复杂的地层和钻井液条件下有效地排砂,尤其在处理油基钻井液时,钻屑在筛网上停留的时间长一些,有利于充分脱干钻屑上的钻井液,以回收更多的钻井液。

振动幅度的减小也可以大大延长筛网的寿命。

参 考 文 献
[1] 屈威德,唐恒龄 机械振动手册[M] 北京:机
械工业出版社,2000:868-869
[2] 唐照千,黄文虎 振动与冲击手册[M] 北京:
国防工业出版社,1992:261-264
第一作者简介:牟长清,工程师,生于1973年,2001年毕业于河北科技大学机电一体化专业,现从事钻井固控设备的研发工作。

地址:(062658)河北省青县。

电话: (0317)2572250。

收稿日期:2010-08-25
(本文编辑 王刚庆)
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