雙電機鉆井廢液雙軌跡振動篩結構優化研究

(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，實現鉆井廢液初步機械分離和回收工藝的振動篩是必不可少的關鍵設備[1]。由于鉆井廢液成分較一般鉆井液復雜，所以用于鉆井廢棄物無害化處理工藝的振動篩多采用雙軌跡振動篩。所謂雙軌跡，指的是在同一振動篩上既能實現直線振動軌跡，又能實現平動橢圓振動軌跡。

經過理論和現場實踐證明，實現振動篩直線振動軌跡的結構較為簡單[2]，易制造；實現平動橢圓軌跡的振動篩制造精度高，現場維護條件要求高[3]，結構復雜，制造較為困難。本文利用文獻[1]中涉及的雙電機雙軌跡振動篩推導出的規律式，輔助Solidworks三維軟件模擬，大幅減少了雙軌跡振動篩制作前的試驗工作，且提高了質心和力心重合精度，確保了振動篩振動軌跡嚴格按設計運行。

1 振動源位置確定

鉆井廢液雙軌跡振動篩結構優化設計的初衷達到與否，主要在于振動軌跡是否按技術設計要求進行工作。產品如期按設計軌跡進行，就必須要保證在平動橢圓運動振動軌跡時，質心和力心重合，在直線振動軌跡時，激振力合力作用線要通過質心。振動篩激振源的設定是設計任務的重中之重，以前設計振動篩的振源時，為了質心和力心重合或盡量重合，主要采用漸進安裝、十字測試、反復調試的辦法，即在試驗篩箱的側板按初次設計附件橫豎鉆一排工藝孔，依孔安裝振動源，根據測試軌跡進行調整，直至達到滿意的位置，然后定型，批量生產，如圖1。這種方法在每次研制新篩型的時候均需采用，工藝較為繁瑣，且受限于工藝孔位置，力心和質心重合精度不高，造成實際振動時軌跡發生偏移，處理效果不佳。

圖1 篩箱質心力心漸進重合工藝

1.1 振動源位置設計原則

雙軌跡振動篩振動源位置設計三原則：①直線軌跡時振動合力作用線通過整體參振質量質心；②平動橢圓軌跡時振動力心與整體參振質量質心重合；③與質心形成合理的振動角。

1.2 振動源直線軌跡質心與力心重合設計

根據SolidWorks三維軟件，進行圖紙繪制，找出質心。因篩箱各部件均為左右對稱結構，故質心在整體參振質量中軸線xoy平面上。

首先進行直線軌跡合力作用線通過質心的振動源位置的設計。根據文獻[4]，可將振動篩的參振質量分為兩部分，一部分為激振器，質量為m1，質心點為O1，坐標為(x1，y1)；另一部分為篩箱，質量為m2，質心點為O2，坐標為(x2，y2)；整體參振質量的質量為m，質心點為O，坐標為(x，y)，如圖2所示。

圖2 直線振動軌跡質心關系

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

根據質心計算公式[5]：

(1)

式中：mi為第i個零部件的質量，kg；xi，yi為第i個零部件的質心坐標，mm；n為整體參振質量的零部件數量。

將圖2中參數代入式(1)得：

(2)

故振動篩整體參振質量的質心(x，y)在O1O2直線上。

通過SolidWorks三維軟件，按1∶1對振動篩參振質量部件繪圖，自動尋找出激振器和篩箱的質心。如圖3～4。

圖3 激振器質心三維示意

圖4 篩箱質心三維示意

將找出質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境，盡量在縱向y軸上降低激振器，根據制造及使用經驗，一般在縱向上激振器最低點離開篩網200 mm。根據激振器合力作用線和篩箱質心斜線的距離，橫向移動激振器，使兩線重合，則整體參振質量質心、篩箱質心、激振器質心就一定能在激振器合力作用線上，振動篩做平動直線振動。

圖5 整體參振質量質心示意

調整好激振器位置后，利用SolidWorks軟件，得到振動源位置設計參數如表1。

表1 振動源位置設計參數

其中激振器總質量、篩箱總質量、參振總質量、電機安裝板與水平面夾角和振動方向角為振動篩固有設計參數。前電機振動中心A點橫向距離(距篩箱最前沿)、前電機振動中心A點縱向距離(距篩箱最低沿)以及質心坐標(以A點為坐標原點)由軟件模擬設計得出。

1.3 平動橢圓軌跡激振器參數確定

若使振動篩做平動橢圓運動，必須保證兩電機振動產生的力心在質心上。本文的雙軌跡振動篩是通過控制雙電機的正反轉來實現，在實現直線軌跡運動時，振動源在參振部件中位置已經固定，因此，實現平動橢圓軌跡最重要的是確定兩臺電機激振合力的比值[5]，以前的辦法是通過反復調試來確定，需要準備多組電機激振力塊，逐漸縮小范圍，費工費力。

振動篩做平動橢圓運動時，相位差角△γ小于180°，通過軟件計算出質心位置。

(3)

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

力心軌跡表達式為

(4)

設前后電機產生的力心力關系為F2=NF1=NF。

(5)

式中：N為兩電機偏心塊產生的離心力的比值；L為兩電機振動軸線距離，mm；β為電機擺放平面與水平面(篩箱平面)夾角，rad；Δγ為兩電機偏心塊達到自同步穩定運轉時候的相位差角，rad。

代入兩電機振動軸線L=340 mm；電機擺放平面與水平面(篩箱平面)夾角β=25°，質心坐標(337.26，-98.06)，得到兩電機激振器合力比值n≈3。則橢圓軌跡長短軸軸比為2。根據兩電機激振器合力比值，調節活動偏心塊質量，使其轉動產生的力為固定偏心塊的1/3，即可滿足設計要求。

2 優化軌跡的同步性和穩定性驗證

因本文提及的優化篩是在成熟的直線篩基礎上優化而來，限于篇幅，其直線軌跡的同步性和穩定性不在贅述，下面主要驗證在直線篩型上實現平動橢圓軌跡時的同步性和穩定性。

根據文獻[2,6-7]，采用雙電機的振動篩，必須要滿足雙電機旋轉的同步性及穩定性，才能保證設計的振動軌跡平穩實現，更確切的說，第一，要保證雙電機各自的偏心塊(回轉質量)同步回轉，即同步性；第二，在同步的前提下，雙電機各自的偏心塊(回轉質量)的運轉相位差角必須一致，即穩定性。只有滿足這兩個條件，參振剛性機體各點才能保證相同的運動軌跡。

雙軌跡振動篩的自同步分析模型如圖6。圖中：ω為振動電機轉動角速度，rad；ψ1為后電機轉動角度，rad，ψ2為前電機轉動角度，rad；Δα為前后兩振動電機在振動中的相位角差。

圖6 雙軌跡電機自同步分析模型

根據文獻[8]，在xoy平面內，前后振動電機振動力不等且做同向等速回轉的自同步條件為

(6)

前后振動電機振動力不等且做同向等速回轉的穩定性為

cos(Δα+ζ)<0

(7)

其中：

(8)

式(6)～(8)中各參數如表2。

將表1中數據代入式(6)～(8)，式(6)計算結果為5.79>1；式(7)結果計算為-0.97<0。即：軌跡優化中所選擇的參數滿足自同步和穩定性。

3 振動篩的其他主要參數

評價鉆井液振動篩性能優劣的兩個主要指標為鉆井液處理量和對鉆井液中的有害固相的分離程度。這也是選擇鉆井液振動篩的基本出發點。

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

表2 優化軌跡的同步性和穩定性參數

3.1 振動軌跡設計

國內外的一些產品依靠不同的電機啟停做振動軌跡的變化。本文設計的振動篩主要通過控制按鈕，控制電機正反轉的辦法來改變軌跡運動，不增加額外質量，不需要停機調整，也符合鉆井作業不停歇的特點。

3.2 振幅和頻率

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

(9)

式中:me為振動電機產生的總激振力距，M為總參振質量。

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

3.3 拋擲指數

拋擲指數D是指振動時設備最大振動加速度的垂直分量與重力加速度g的比值，它直接反應了振動過程中被篩分的物料當接觸篩網時，在因振動產生的周期性拋力和自身重力的合力作用下，運動最高點和最低點的相位差。被篩分物料的跳動與振動篩本身的振動基本重合，因此，高低點的相位關系就直接影響透篩率的高低和振動篩的物料處理量。所以拋擲指數D是反映振動篩性能的重要參數之一[9]。根據文獻[10]，拋擲指數D為

(10)

式中：K為機械振動強度，ω為電機轉動角速度，λ為振幅，δ為振動方向角，α0為篩面傾角。

拋擲指數是振動篩自身工作的振動頻率、振幅、振動方向角及篩面傾斜角所綜合反應的參數。制造時選用頻率為25 Hz的振動電機，則兩種軌跡拋擲指數值如表3。

表3 兩種軌跡拋擲指數值

3.4 篩面傾斜角

篩面傾斜角是影響振動篩處理量的一個重要參數[10]。負篩面傾斜角可非常顯著地提高振動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，但黏度較高時負篩面傾斜角可顯著提高處理效果并減少篩口的積砂。但通過調整篩面傾斜角來提高排屑速度的辦法，實際上是以犧牲處理量來實現的，不恰當的負篩面傾斜角將會導致或加劇“跑漿”現象；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造成篩網壽命嚴重降低。一般篩面傾斜角為-5°～+5°。

3.5 振動電機

振動篩選用的振動電機主要有長筒振動電機和短型振動電機2種，因長筒振動電機機身較長，容易出現多支撐軸的靜不定結構，其受力情況復雜惡劣，對振動篩整體制作的要求特別高。本文振動篩選取短型振動電機。

3.6 振動篩篩網

本次優化設計在篩網采用平板篩網，主要是考慮更換篩網時的迅速性。平板篩網采用楔塊壓緊，楔塊壓緊的方向與振動方向相反，在振動過程中通過自鎖，將篩網壓緊；而更換篩網時，只需簡單的反向取下楔塊，就可快速更換篩網。為了便于拆取楔塊，楔塊采用工程塑料制作，一方面是質量輕，減少振動篩總的參振質量；另一方面是不會由于自鎖，難以拆卸。采用楔塊壓緊方式的平板篩網更換速度較采用傳統的鉤邊篩網快5～10倍。

優化振動篩的主要參數如表4。

表4 優化振動篩主要設計參數

4 結論

1) 采用SolidWorks三維軟件中自動尋找零部件質心的功能，在計算機上模擬尋找振動篩參振質量的總質心，較工裝反復試驗的方法，使質心位置的準確度有了大幅提高，更好地實現了預期的直線振動軌跡。

2) 在直線篩型上，利用振動源各參數之間規律式，確定了實現平動橢圓振動軌跡平穩運行時的相位差角和電機活動偏心塊在平穩轉動時與固定偏心塊產生的合力比值兩個重要參數。

3) 優化設計的平動橢圓軌跡的同步性和穩定性得到驗證。

4) 優化了振動篩的各項參數。包括振動篩的拋擲指數、振幅頻率、篩箱傾角等主要參數。