蝸輪蝸桿傳動的泥漿攪拌器設(shè)計及仿真研究

摘 要：泥漿攪拌器在泥漿循環(huán)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，承擔(dān)著實現(xiàn)泥漿攪拌均勻以及現(xiàn)場配漿的重任，主要由防爆電機、減速器、機座及葉輪組成。對泥漿攪拌器傳動結(jié)構(gòu)（蝸輪蝸桿減速器）和葉輪總成進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計；利用Ansys、Fluent軟件分別對主要零部件（蝸輪軸、攪拌軸）的強度以及攪拌過程進(jìn)行仿真模擬分析，確定了蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計參數(shù)；確定了圓盤渦輪式斜葉片葉輪的循環(huán)流量和幾何尺寸，確定了攪拌軸的設(shè)計方案。結(jié)果表明，蝸輪軸和攪拌軸強度合格，配置20 m3液罐體積偏小，固體顆粒存在沉淀現(xiàn)象，但整體方案可行。為保證攪拌效果，實際應(yīng)用中應(yīng)選擇較大容積的罐體。

關(guān)鍵詞：泥漿攪拌器；蝸輪蝸桿減速機；葉輪；有限元分析

中圖分類號：TE926" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.02.009

Design and Simulation Study of Mud Mixer With Worm Gear Transmission

JIA Jilei1， WANG Longting2， TIAN Jiashen2， LIANG Guanghui2，

KONG Lingyi2， LIU Xiuquan2， YU Yanqun2

（1. Shenzhen Branch， CNOOC China Limited， Shenzhen 518052， China; 2. College of Mechanical and Electronic Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract：" The mud mixer plays a very important role in the mud circulation system， as it is responsible for achieving uniform mixing of mud and on-site mud treatment. The mud mixer designed in this article can achieve uniform mixing of mud and on-site mud treatment to ensure smooth drilling operations. The mud mixer consists of an explosion-proof motor， reduction gear， base， and impeller. The mud mixer's transmission structure （worm gear） and impeller assembly structure were designed; Ansys and Fluent were used to simulate and analyze the strength of the main components （worm shaft， impeller shaft， mixing shaft） and the mixing process. The design parameters of the worm gear were determined and the results of the strength calculations were qualified. The circulation flow and geometric dimensions of the disc turbine-type inclined blade impeller were determined， and a design scheme for the mixing shaft that meets the stiffness and strength requirements was determined. The analysis results show that the strength of the worm shaft and the mixing shaft are qualified; the liquid tank volume of 20 m3 is too small， and there is sedimentation of solid particles. The sludge mixer designed in this article has a reference value. To ensure the mixing effect， a larger volume tank should be selected in actual applications.

Key words： mud agitator; worm gear reducer; impeller; finite element analysis

攪拌設(shè)備廣泛應(yīng)用于化工、合成涂料、污染廢水處理等產(chǎn)業(yè)中［1］。伴隨著鉆井技術(shù)的全面發(fā)展，鉆井液的每一項功能參數(shù)指標(biāo)，已逐漸成為科學(xué)鉆井的代表標(biāo)志，泥漿混合、鉆井液性能保證都需要攪拌設(shè)備來實現(xiàn)［2］。為應(yīng)對井況的許多變化并保持正常鉆井，需要通過泥漿混合系統(tǒng)將散裝添加劑粉添加到鉆井泥漿中。散裝添加劑粉包括用于增加鉆井泥漿密度的膨潤土，用于增加黏度的重晶石，用于化學(xué)控制的聚合物、表面活性劑等。泥漿攪拌器的作用是混合泥漿中散裝添加劑粉。泥漿和散裝添加劑粉在泥漿罐中預(yù)先混合，通過泥漿攪拌器機械葉輪的旋轉(zhuǎn)運動保持鉆井液的均勻性。

泥漿攪拌器是安裝在泥漿罐上的關(guān)鍵設(shè)備，只要投入運行，就應(yīng)該長時間不停持續(xù)工作，以保障泥漿固控設(shè)備的正常作業(yè)［3］。對于攪拌器的設(shè)計，相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)進(jìn)行了一些實驗和數(shù)值研究，包括關(guān)于葉輪幾何形狀變化的基礎(chǔ)實驗［4］、使用不同尺寸葉輪的攪拌性能實驗［5］以及使用45°傾斜葉片改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)矩和位置的實驗［6-7］等。Kumaresan和Joshi［8］使用激光多普勒測速儀（LDV）進(jìn)行實驗測量，對攪拌器中與其幾何形狀和攪拌功率相關(guān)的流型進(jìn)行數(shù)值模擬。Ahn等［9］用攪拌器中的自由表面進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，Darelius等［10］基于Ansys-Fluent進(jìn)行了顆粒流模型的固-液多相攪拌模擬。應(yīng)用CFD軟件可以較準(zhǔn)確地分析流體流動的時變特性，評價攪拌器的整體性能，并根據(jù)流體分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工程設(shè)計中的問題，消除潛在的不利影響。可以降低產(chǎn)品設(shè)計中對實驗驗證的依賴性，縮減不必要的實驗過程，縮短設(shè)計周期［11］。

現(xiàn)今泥漿攪拌器為適應(yīng)更加復(fù)雜的鉆井要求，準(zhǔn)確定時、定速、單多軸，將會逐漸成為發(fā)展趨向；旋轉(zhuǎn)速率平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)勢也會顯現(xiàn)［12］。本文依據(jù)攪拌器基本性能參數(shù)，進(jìn)行關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括減速器、葉輪和攪拌軸的設(shè)計，并通過結(jié)構(gòu)強度分析驗證關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的強度，通過Fluent軟件分析泥漿攪拌器混合過程，評價攪拌器的混合效果。評價結(jié)果，可對泥漿攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供改進(jìn)建議。

1 總體設(shè)計方案

攪拌器，標(biāo)準(zhǔn)運行工況為：負(fù)荷平穩(wěn)，每天持續(xù)運行工作8 h，運行時間10 a，每年運行工作300 d，適用容積為20～30 m3，高度不超過2.5 m的鉆井液罐。選用功率為11 kW的攪拌器，以中等額定有效功率作為自動輸入功率。

減速設(shè)備有齒輪轉(zhuǎn)動和蝸輪蝸桿傳動。當(dāng)前大部分?jǐn)嚢杵魇褂梦佪單仐U減速，蝸桿傳動大量使用在機床設(shè)備、汽車以及其他機械加工制作中。蝸輪蝸桿傳動優(yōu)勢為組成結(jié)構(gòu)緊湊，無噪音，運行工作平穩(wěn)，可以獲取較大的單級機械傳動比以及沖擊載荷小，機械傳動比最大能夠達(dá)到100%。因為單頭蝸桿傳動工作效率偏低，攪拌器減速器多使用2、4、6頭。多頭蝸桿傳動工作效率能夠達(dá)到98%，與固定機械齒輪轉(zhuǎn)動相比，蝸輪蝸桿傳動零部件少，有效質(zhì)量輕，占用空間小。基于此，本次設(shè)計選擇蝸輪蝸桿傳動，從而充分發(fā)揮蝸輪蝸桿傳動的優(yōu)勢。

葉輪是直接接觸鉆井液的部件，因此對葉輪總成存在非常高的設(shè)計要求。在鉆井液中，用攪拌器攪拌，可以維持固相在液相里的懸浮狀態(tài)。葉輪的主要作用是促使固體微小顆粒懸浮起來，并且提高速率高于沉降反應(yīng)作用速率，以在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到比較好的攪拌效果［13］。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

泥漿攪拌器由防爆電機、減速器、機座及葉輪組成，電機和減速器通過彈性聯(lián)軸器連接，減速器和葉輪通過剛性聯(lián)軸器連接。葉輪能夠攪拌泥漿形成渦旋運動，加強攪拌效果。夾在葉片之間的托盤還可預(yù)防停機后泥漿固相微小顆粒沉積在下端葉片的四周，進(jìn)而可降低啟動時沉淀處理物對葉片的阻力矩［14］。

本次設(shè)計攪拌器功率為11 kW，選擇防爆電機的型號為YB2-160M-4-11。減速器和電機之間選擇非金屬功能彈性聯(lián)軸器-爪型功能彈性聯(lián)軸器，質(zhì)量輕、組成結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便。

2.1 減速器設(shè)計

應(yīng)用阿基米德圓柱蝸桿傳動，蝸桿材料為45#鋼；蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鍛造加工。設(shè)計參數(shù)：機械轉(zhuǎn)動比i=25，蝸桿頭數(shù)z1=2，蝸輪齒數(shù)z2=50，模數(shù)m=6.3，設(shè)計參數(shù)如表1～2所示。

2.2 葉輪設(shè)計

當(dāng)前攪拌器葉輪分為圓盤式渦輪和開啟式渦輪。開啟式渦輪雖然沒有加固作用擋板，但存在劇烈的上下對流作用。考慮經(jīng)濟性和實用性，結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，設(shè)計攪拌器葉輪采用圓盤渦輪式斜葉片葉輪。攪拌器葉片對泥漿液的混合、剪切、調(diào)配都是同等重要的，合適的攪拌器葉片選型會使添加的膨潤土、重晶石和化學(xué)藥劑快速混合并使因混合產(chǎn)生的懸浮物降至最小，維持均勻的泥漿黏稠度。

1） 葉輪循環(huán)流量。

徑向型葉片在一定旋轉(zhuǎn)速率下運動，自葉片面處快速排出液流，四周的靜止或者低速流卷入從而在罐體內(nèi)產(chǎn)生周期性循環(huán)流。經(jīng)過葉片排出液體，同時把葉片的能量傳輸?shù)焦迌?nèi)空間，與此同時也能夠使各處液體依次流到劇烈攪拌的葉片周圍。

根據(jù)工程實踐以及經(jīng)驗，固控系統(tǒng)使用的葉輪攪拌漿葉直徑dj為1 016 mm，b為200 mm，此時b/dj=0.20，符合條件。若鉆井液循環(huán)罐D(zhuǎn)為2.8 m，液體密度ρ為1 900 kg/m3，液體實際深度H為3 m，黏度μ為30 mPa·s，采用4片平直葉的開式渦輪攪拌器，攪拌速度為58 r/min。可求罐內(nèi)液體循環(huán)流量及每分鐘循環(huán)次數(shù)。計算得到：Re=0.632×105；NQc′=0.46；NQc=0.469；Qc=0.489 m3/s；循環(huán)次數(shù)為1.54 min-1。

2） 幾何尺寸確定。

葉片的實際具體尺寸通常都是以葉片直徑的實際具體尺寸（葉徑為葉片回轉(zhuǎn)時前部運動軌線圓的有效直徑）和葉片的有效作用寬度來確定。

① 在鉆井液為低液體黏度時，能量容易傳輸，攪拌器有效直徑選取可小些。通常葉片直徑選取dj/D=0.35～0.80，渦輪部件取dj/D=0.25～0.50。

② 如果以固-液相懸浮為主要作用，需攪起罐底固相微小顆粒，選取dj/D =0.45～0.50。

③ 如果為獲得液-液乳化作用效果，可增加旋轉(zhuǎn)速率，降低葉徑，選取dj/D =1/16～1/10。

④ 葉片的有效作用寬度決定于液體黏度大小和動力損耗的多少。

⑤ 葉片的層數(shù)決定于液層的實際高度。低液體黏度的時候，當(dāng)液面高H＜D，僅僅要求一層就可以；在高液體黏度的時候，上下攪動的作用范圍只是葉徑的二分之一，這個時候就需要增長葉片層數(shù)，攪拌層數(shù)有效實際間距確定為dj。

⑥ 下層葉片離罐結(jié)構(gòu)底面的距離C通常都是葉片直徑的1～1.5倍。為了預(yù)防固相沉淀處理，常將C確定為10/D。

3） 葉片強度計算。

葉片強度主要決定于葉片的有效厚度。由前可知，葉輪額定有效功率為P=8.16 kW，綜合設(shè)計應(yīng)用折葉式開式渦輪，葉片材料為QT60（球墨鑄鐵），Rm=600 MPa，安全系數(shù)Nb=8。

已知：葉片寬度b=200 mm，葉片數(shù)Z=4，傾角θ=60°；許用應(yīng)力［σ］=75 MPa。

2.3 攪拌軸的設(shè)計

3 基于Ansys的主要零部件強度分析

3.1 蝸輪軸強度分析

在減速箱內(nèi)部，力和扭矩通過蝸桿傳到蝸輪，然后作用在蝸輪軸上，相比于蝸桿，蝸輪受到的力和扭矩更大。使用Ansys軟件對蝸輪軸進(jìn)行強度分析，在軸承處以及剛性聯(lián)軸器處施加約束，蝸輪安裝位置施加載荷，整個蝸輪軸受到轉(zhuǎn)矩作用，應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果如圖2～3所示。

由圖2～3可知，蝸輪軸最大應(yīng)力為37.23 MPa，45號鋼最大許用應(yīng)力為355 MPa，蝸輪軸強度校核合格；蝸輪軸的應(yīng)變主要發(fā)生在軸端的連接面上，最大為1.65×10-4 mm，相對于此處的軸徑d=80 mm，應(yīng)變比較小，而且發(fā)生在階梯軸的側(cè)面，對整個傳動過程無明顯影響，可忽略不計。

3.2 攪拌軸強度分析

在攪拌軸的軸徑計算中，已經(jīng)考慮扭轉(zhuǎn)角度，由于攪拌桿較長，在攪拌過程中傳遞轉(zhuǎn)矩，針對攪拌軸進(jìn)行強度校核，攪拌軸只受轉(zhuǎn)矩作用，其應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D4～5所示。

由圖4可知，攪拌軸所受最大應(yīng)力為62.14 MPa，主要分布在光桿部分，相對于45號鋼的許用應(yīng)力值（355 MPa）較小，說明攪拌軸強度合格。由應(yīng)變圖5可以看出，攪拌軸中間光桿部分是主要的變形區(qū)域，這主要是由于攪拌軸受到的扭矩引起的。此處最大變形量為3.11×10-4 mm，相對于攪拌軸徑為70 mm，變形量比較小；且攪拌軸允許撓度0.5°～1.0°，攪拌軸強度合格。

3.2 基于Fluent的鉆井液罐內(nèi)的流場分析

利用Fluent軟件［15］進(jìn)行流場分析，根據(jù)攪拌器的相關(guān)參數(shù)，模擬鉆井液罐內(nèi)的流場情況，設(shè)定鉆井液罐為圓柱形。相關(guān)參數(shù)：底面半徑為1 500 mm，液罐高為2 500 mm，泥漿密度為1.8 g/cm3，葉輪轉(zhuǎn)速為58 r/min，攪拌前罐底泥漿厚度為50 mm，葉輪距液罐底面高度為350 mm。流動場的計算采用多重參考系法（MRF）［16］。將計算域分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域，選用標(biāo)準(zhǔn)湍流模式來模擬湍流狀態(tài)［17］。為保證計算結(jié)果的收斂性，數(shù)值模擬的時間步長取0.05 s。分析結(jié)果如圖6～8所示。

由圖6～8可以看出，原來沉積在罐體底部的固相已經(jīng)被攪拌起來，較為均勻。模擬設(shè)定的鉆井液罐體積約為20～30 m3，本次設(shè)計工況20 m3，顯示固體顆粒有一點沉淀現(xiàn)象。這是因為液罐容積偏小，導(dǎo)致攪拌器周轉(zhuǎn)率過低，固相顆粒循環(huán)在葉輪上方出現(xiàn)回旋，從而導(dǎo)致固體顆粒在罐體下方開始沉淀。為了確保設(shè)備的適應(yīng)性和實用性，建議在實際應(yīng)用中選擇具有較大容積的罐體。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計了泥漿攪拌器的減速箱（蝸輪蝸桿減速器）。經(jīng)過相關(guān)計算，確定了蝸輪蝸桿部件的有效尺寸，并對蝸輪蝸桿部件進(jìn)行了強度校核。

2） 設(shè)計了葉輪總成，包括攪拌軸和葉輪的設(shè)計。計算了葉輪排量、功率等參數(shù)。根據(jù)攪拌軸的剛度和強度條件，通過設(shè)計計算確定了攪拌軸的設(shè)計方案。

3） 使用Ansys軟件對主要零件（蝸輪軸、攪拌軸）的強度進(jìn)行了校核；使用Fluent軟件對攪拌過程的流場分布進(jìn)行了分析，直觀地展示出攪拌效果。

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（編輯：馬永剛）