劉 偉，陶德清，繆 宏，張瑞宏，李 祥，季亞楠，張鐘鳴

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

振動(dòng)篩是目前常用的機(jī)械設(shè)備之一，主要用于脫泥、脫水、篩分、物料輸送等，在選煤、石油化工、礦山、冶金、水利水電等生產(chǎn)部門(mén)應(yīng)用廣泛［1，2］。油田鉆井作業(yè)過(guò)程中，振動(dòng)篩通過(guò)激振電機(jī)強(qiáng)迫篩箱振動(dòng)，并通過(guò)篩箱中的篩網(wǎng)過(guò)濾回收鉆井液中的液相，實(shí)現(xiàn)鉆井液的循環(huán)利用［3］。本文利用三維建模軟件CATIA對(duì)振動(dòng)篩的總體結(jié)構(gòu)及其重要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)合理、適合于我國(guó)使用的鉆井液振動(dòng)篩。

1 振動(dòng)篩振動(dòng)類(lèi)型的確定和實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩為雙電機(jī)自同步直線型鉆井液振動(dòng)篩，它具有鉆井液的處理量大、工作效率高等特點(diǎn)［4］。直線振動(dòng)篩振動(dòng)工作原理如圖1所示。直線型振動(dòng)篩使用兩臺(tái)激振電機(jī)，激振軸分別為O1、O2，其偏心塊質(zhì)量相等，即m1＝m2＝m；偏心半徑相等，即r1＝r2＝r。在坐標(biāo)系Oxy中，設(shè)原點(diǎn)O為參振部件的質(zhì)心。工作前，兩偏心塊在O1，O2的連線上；工作時(shí)，兩電機(jī)同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)t時(shí)刻后，兩個(gè)偏心塊轉(zhuǎn)過(guò)的角度都為ωt。

圖1 直線振動(dòng)篩振動(dòng)工作原理圖

對(duì)兩振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行受力分析，因偏心質(zhì)量和偏心距相等，故兩電機(jī)技術(shù)參數(shù)相同。根據(jù)單個(gè)電機(jī)激振力Fm＝mrω2可知，兩電機(jī)的激振力時(shí)時(shí)相等。偏心塊從起始位置轉(zhuǎn)過(guò)ωt后，兩激振器在y方向產(chǎn)生的激振力分力相加，在x方向的激振力互相抵消。因此，兩激振電機(jī)產(chǎn)生的合力始終垂直平分于O1與O2的連線上，使激振力合力通過(guò)參振部件質(zhì)心，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)篩參振部件在該方向的直線運(yùn)動(dòng)。圖2中給出了4個(gè)特殊工作位置處偏心塊瞬時(shí)工作位置示意圖，可以看出存在的合力始終保持在y方向上。

圖2 不同位置處偏心塊瞬時(shí)工作位置示意圖

該產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用的電機(jī)型號(hào)為 MVE3500／15L，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。由如表1所示的電機(jī)技術(shù)參數(shù)和在CATIA中得到的參振部件的總質(zhì)量，可計(jì)算出振動(dòng)篩的振幅［5］，計(jì)算公式為：

其中：s為振幅；ω 為角速度，ω＝2πn／60，n為轉(zhuǎn)速；F為電機(jī)激振力；M為參振部件總質(zhì)量。

表1 MVE3500／15L型振動(dòng)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

在三維軟件中對(duì)模型稱(chēng)重可得到振動(dòng)篩篩框質(zhì)量

約為581 kg，設(shè)篩箱中正在處理的鉆井液質(zhì)量為100 kg，因雙電機(jī)激振，振幅計(jì)算如下：

由此可見(jiàn)，振幅為0.0052 m＝5.2 mm。工作中，參振部件受減振部件影響，實(shí)際工作振幅比計(jì)算值略小，取振幅為5 mm。

2 振動(dòng)篩主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)篩主要由進(jìn)料斗、篩箱、漏斗、減振系統(tǒng)、篩箱角度調(diào)節(jié)裝置、激振器、篩網(wǎng)、篩網(wǎng)張緊機(jī)構(gòu)等組成。

2.1 進(jìn)料斗

進(jìn)料斗設(shè)計(jì)為堰式進(jìn)料斗，結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。鉆井液流入進(jìn)料罐后緩慢地漫過(guò)溢流堰，均勻分布于篩箱的篩網(wǎng)上；體積重量偏大的顆粒流入進(jìn)料罐后無(wú)法漫過(guò)溢流堰，實(shí)現(xiàn)大顆粒一級(jí)篩分。進(jìn)料罐底部設(shè)計(jì)有排空堵頭，以排除沉積的大顆粒固相。

圖3 進(jìn)料斗二維結(jié)構(gòu)圖

圖4 進(jìn)料斗三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 減振系統(tǒng)

減振系統(tǒng)支撐參振篩箱，衰減非參振部件的動(dòng)載荷沖擊［6］。該減振器為4組懸掛式橡膠復(fù)合彈簧，兩個(gè)為1組共8個(gè)，如圖5、圖6所示。其優(yōu)點(diǎn)是：①具有輔助篩面傾角的調(diào)節(jié)；②可設(shè)計(jì)三維空間剛度，實(shí)現(xiàn)三維減振效果；③內(nèi)摩擦阻力大，振動(dòng)篩啟動(dòng)和停止時(shí)共振區(qū)振幅小、噪聲小。根據(jù)裝配需要，在靜止?fàn)顟B(tài)下，設(shè)計(jì)橡膠彈簧減振器的預(yù)剪切變形量約為Δx＝20 mm。設(shè)橡膠彈簧減振器的剪切剛度為ks，則有：

由式（3）可得：

式（4）中M 和Δx已知，經(jīng)計(jì)算，減振器需滿(mǎn)足ks＝680 N／cm±68 N／cm。

2.3 篩網(wǎng)張緊機(jī)構(gòu)

篩網(wǎng)張緊機(jī)構(gòu)主要有兩個(gè)作用：①給篩網(wǎng)施加所需繃緊力；②保證篩網(wǎng)具有適度的疲勞強(qiáng)度和動(dòng)、靜強(qiáng)度。篩網(wǎng)張緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。其工作原理為：調(diào)節(jié)張緊螺母2使調(diào)節(jié)螺栓1受到向外頂出的軸向力，進(jìn)而壓縮板彈簧3，讓板彈簧有適當(dāng)?shù)膲壕o力，使安裝在卡指4上的篩網(wǎng)有適度的繃緊力。

圖5 減振器二維結(jié)構(gòu)

圖6 減振器三維結(jié)構(gòu)

圖7 篩網(wǎng)張緊機(jī)構(gòu)二維結(jié)構(gòu)

圖8 篩網(wǎng)張緊機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)

2.4 篩箱

該篩箱結(jié)構(gòu)如圖9和圖10所示。篩箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是確保篩箱的實(shí)際重心與設(shè)計(jì)重心重合，因此在CATIA軟件中首先找出其三維模型的質(zhì)心位置，即圖9中點(diǎn)O處，然后利用幾何作圖法得到激振力作用方向。設(shè)圖9中的質(zhì)心與激振力作用線在x方向上的距離為a，當(dāng)a＞0時(shí)，電機(jī)座往x正向移動(dòng)；當(dāng)a＜0時(shí)，電機(jī)座往x反向移動(dòng)。采用這種逐步逼近法迫使激振力與質(zhì)心距離a等于或接近零，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求［7］。

3 振動(dòng)篩整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)篩整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在CATIA的裝配設(shè)計(jì)中進(jìn)行。整體結(jié)構(gòu)裝配前，首先在CATIA的零件設(shè)計(jì)中將所有的零件模型建好，然后將建好的零件模型導(dǎo)入到裝配設(shè)計(jì)界面，對(duì)部件進(jìn)行裝配；接著將所有裝配好的部件再次導(dǎo)入到裝配設(shè)計(jì)中進(jìn)行整機(jī)裝配，整機(jī)所需要的標(biāo)準(zhǔn)連接件和緊固件（螺栓、螺釘、螺母、墊片等）在3Dsource零件庫(kù)CATIA客戶(hù)端中可直接調(diào)用。裝配好的振動(dòng)篩三維模型如圖11所示。

圖9 篩箱二維結(jié)構(gòu)

圖10 篩箱三維結(jié)構(gòu)

圖11 振動(dòng)篩三維模型

4 小結(jié)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)鉆井液振動(dòng)篩情況，設(shè)計(jì)出一種新型直線鉆井液振動(dòng)篩。首先采用逐步逼近法設(shè)計(jì)振動(dòng)篩篩箱的質(zhì)心；用三維建模軟件CATIA對(duì)振動(dòng)篩的進(jìn)料斗、篩箱、篩網(wǎng)張緊機(jī)構(gòu)、減振器等主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在裝配設(shè)計(jì)中對(duì)整機(jī)進(jìn)行裝配，完成了直線型鉆井液振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)。

［1］ 宋書(shū)中，周祖德，胡業(yè)發(fā).振動(dòng)篩分機(jī)械發(fā)展概述及新型振動(dòng)篩研究初探［J］.礦山機(jī)械，2006，34（4）：73－75.

［2］ 郭年琴，匡永江.振動(dòng)篩國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.技術(shù)與裝備，2009（5）：26－27.

［3］ 鉆井液固相控制分離手冊(cè)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

［4］ 賀鑫.大型直線振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)仿真研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2008：16－28.

［5］ 李玉鳳，李永志，潘東明，等.直線振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的確定［J］.煤礦機(jī)械，2008，29（3）：33－34.

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［7］ 趙環(huán)帥，張鄭愷，楊海玲，等.逐步逼近法在直線振動(dòng)篩質(zhì)心設(shè)計(jì)和計(jì)算中的應(yīng)用［J］.礦山機(jī)械，2011，39（4）：89－91.