張永洪 張浩榮 張勁南

（1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.青島工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；3.成都格意思科技有限公司）

引言

在鉆井作業(yè)中，振動篩承擔(dān)著將井底返回的鉆井液進(jìn)行回收利用，并清除鉆井液中夾帶的巖屑及有害固相顆粒物的工作，是目前鉆井固控裝備中的必備設(shè)備[1-3]。鉆井作業(yè)中對振動篩的工作要求一方面能夠盡可能多地回收成本較高的鉆井液，需要具備較大的處理量；另一方面也要求盡可能多地清除鉆井液中存在的有害固相顆粒。正是這些特殊要求，推動著鉆井振動篩不斷地發(fā)展和更新[4-5]。

目前，國外主要以美國為首，持續(xù)開展鉆井振動篩新產(chǎn)品的研制工作。三大公司MISWACO、Derrick和NOVBrandt的振動篩處于國際領(lǐng)先地位[6]。SchlumbergerMISWACO公司的MD-3雙軌跡三層振動篩可變G力，運(yùn)動軌跡可在變橢圓和平動橢圓之間切換，采用氣動液壓方式在線調(diào)整篩箱傾角[7]。NOVBrandt公司的VSMMulti-Sizer振動篩采用變頻技術(shù)連續(xù)調(diào)速，具有恒定拋擲指數(shù)控制技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測篩箱加速度，并可實(shí)現(xiàn)串、并聯(lián)模式之間的靈活切換[8]。Derrick公司的DualPool600系列直線振動篩使用了居中技術(shù)，能夠迫使鉆井液向兩側(cè)主篩網(wǎng)的中部流動，使流經(jīng)主篩網(wǎng)的鉆井液流量最大，從而提高了處理能力，并采用近程或遠(yuǎn)程液壓驅(qū)動方式來調(diào)整篩箱傾角[9]。國內(nèi)振動篩較為突出的有河北冠能固控、唐山大川機(jī)械、寶石機(jī)械等公司的系列單層鉆井篩，均具備變頻、可調(diào)篩箱傾角等功能[10]。

隨著鉆井井深的增加以及鉆井新工藝的發(fā)展和實(shí)施，高密度、高黏度鉆井液及油基鉆井液的推廣使用勢在必行。而傳統(tǒng)的鉆井振動篩在處理新型鉆井液時，常常會顯得“力不從心”，出現(xiàn)“跑漿”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行，也降低了能源利用效率。在現(xiàn)場生產(chǎn)中，為了提高對高黏度鉆井液的分離效果，不得不使用更多的單層鉆井篩，并輔以離心機(jī)進(jìn)行分離[11-12]。即使如此，對鉆井液的分離也不夠充分，后級離心機(jī)經(jīng)常由于前級鉆井篩分離不夠充分，而導(dǎo)致頻繁損壞[13]。近年來，國內(nèi)外從事鉆井振動篩研發(fā)的專業(yè)人員多是圍繞振動篩變頻、變軌跡、模塊化和智能化等方面開展了較多研究工作，而從提升激振力、增大振幅的本質(zhì)上提升振動篩的動力學(xué)性能方面研究較少[14-15]。在實(shí)際生產(chǎn)中，既需要振動篩處理量大，又需固液分離效果好；因此，考慮加大篩面寬度增大進(jìn)料量，增長篩面長度延長物料沿篩面的流程，更利于包裹在固相顆粒表面液相介質(zhì)的剝離，提升固液分離效果。

現(xiàn)有的單層鉆井篩或多層鉆井篩激振力不超過78kN，篩箱的寬度不超過1.2m[7]。本文提出的超寬多層篩面平動橢圓振動篩，由于使用了大跨度振動電動機(jī)，使得激振力達(dá)到450kN，篩面寬度增加至1.8m。該篩可有效提高每臺振動篩的處理量，用1臺篩替代傳統(tǒng)的多臺振動篩，在提高處理量的情況下也可大大節(jié)省設(shè)備占地面積。而且，根據(jù)“振動同步傳動”原理[16]，在2臺激振電動機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)后，切斷其中1臺激振電動機(jī)的電源，仍然使振動篩保持持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

結(jié)合由子塊篩面組合成的超寬篩面和由單層篩面疊加而成的多層篩面，從上至下篩網(wǎng)的目數(shù)依次減小，實(shí)現(xiàn)超寬多層振動篩（圖1）。篩箱由左右兩部分并聯(lián)而成，每個篩箱設(shè)置三層篩面，篩面由多塊篩網(wǎng)層疊組成；每層篩面的下方都設(shè)有回流導(dǎo)流板，以使通過上層篩面過濾的流體依次導(dǎo)向下一層篩面進(jìn)行進(jìn)一步的固液分離[17-18]。

如圖1（a）所示，由于采用了超寬多層篩面，增大了鉆井液進(jìn)料量，進(jìn)而增大了對鉆井液的處理量。如圖1（b）所示，每層篩面下方的導(dǎo)流板將上層篩面出口端流體導(dǎo)入下層篩面入口端，增加了鉆井液在篩面上的流程，更有利于鉆井液中的固液分離，改善固液分離效果，可實(shí)現(xiàn)大處理量地分離高密度、高黏度的固液混合物。這種有效的組合可以代替現(xiàn)有的多種、多臺振動篩。

評價振動篩性能效果的主要指標(biāo)是鉆井液處理量的大小和固液分離效果的好壞。而在直接影響這兩項(xiàng)指標(biāo)的諸多因素中，最重要的影響因素是結(jié)構(gòu)參數(shù)與振動參數(shù)[19-20]。下面具體分析這些參數(shù)的選擇原則與計(jì)算方法。

1.1 振型

篩箱特征點(diǎn)的振型分為圓振型、直線振型和橢圓振型。橢圓振型（平動橢圓振型）篩因其具有圓振型篩與直線振型篩的優(yōu)點(diǎn)，并克服了各自所固有的缺陷而被國內(nèi)外的使用者所認(rèn)可、接受和推崇，特別是在處理高密度與高黏度鉆井液時其優(yōu)勢更為明顯。理論分析和試驗(yàn)研究表明，在相同的條件下，在處理量方面，平動橢圓振動篩與直線振動篩相比，處理量可提高20%～30%，而且篩網(wǎng)愈細(xì)，其優(yōu)越性就更加明顯；在排屑速度方面，平動橢圓振動篩也比直線振動篩高出10%～20%，而且黏度愈大，其優(yōu)勢也更加明顯[21-24]。因此，將該超寬多層振動篩振型設(shè)計(jì)為平動橢圓振型。

1.2 參振質(zhì)量

振動篩的參振質(zhì)量為篩箱、激振器等參振機(jī)械部件的總質(zhì)量與篩面物料質(zhì)量的總和，其計(jì)算方式如下：

式中：M——參振總質(zhì)量，kg；

Mi——參振機(jī)械部件的總質(zhì)量，kg；

Mm——篩面上物料質(zhì)量，kg；

km——物料結(jié)合系數(shù)，通常取0.2。

通過相關(guān)計(jì)算，最終確定該振動篩的參振總質(zhì)量為7200kg。

1.3 激振頻率與振幅

振動篩的處理量隨著其激振頻率、振幅的增加而增加。振動篩的振動頻率大小由激振器的轉(zhuǎn)速決定，激振器旋轉(zhuǎn)速度越高，振動篩的振動頻率也就越高。在振動篩拋擲指數(shù)一定的情況下，振幅與激振頻率呈反比關(guān)系。利用大振幅可減少堵塞篩網(wǎng)孔眼的情況發(fā)生，對于高黏度鉆井液的凈化而言，采用低頻率、大振幅比較適宜。根據(jù)中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——SY/T5612—2007《石油鉆井液固相控制設(shè)備規(guī)范》，平動橢圓型的振動篩振幅需在5～10mm范圍內(nèi)，為使振動篩具備較高的固液分離性能，取本篩的振幅A為4.39mm，即雙振幅為8.78mm。

圖1 超寬多層振動篩

1.4 激振力

激振力增大可以有效地提高振動篩的固液分離效果，并且大激振力易使卡在篩網(wǎng)網(wǎng)孔中的臨界顆粒透篩，減少“篩糊”、“篩堵”現(xiàn)象的發(fā)生。激振力F的計(jì)算公式如下：

式中：F——激振力，kN；

ω——激振頻率，Hz（ω=2πn/60；n為激振電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min）；

A——振幅，m。

若取激振電動機(jī)轉(zhuǎn)速1140r/min，算得激振頻率為119.32Hz，再帶入上述參振部件總質(zhì)量、激振頻率、振幅等參數(shù)，計(jì)算得激振力為450kN。而國內(nèi)外現(xiàn)在普遍使用的鉆井振動篩最大激振力約為78kN。

1.5 振動方向角

振動方向角（拋射角）為篩面與篩箱運(yùn)動方向所形成的夾角，即篩面物料受到作用力而拋起的方向角，通常取30°～60°。越大的振動方向角，越有利于物料的透篩，但存在生產(chǎn)效率低下的問題，對較難篩分的物料比較適用；而越小的振動方向角，篩面上的物料運(yùn)移速度就越大，其處理能力也就越高，對容易篩分的物料比較適用。振動方向角還對堵孔率有較大的影響，振動方向角越大，激振力越大，篩面的振動幅度也就越大；物料在振動篩上的跳起高度越高，物料在篩面上運(yùn)動時產(chǎn)生堵孔的概率就越低。因此，需綜合考慮，根據(jù)目前國內(nèi)外的泥水分離篩設(shè)計(jì)與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，振動方向角通常取 45°[25-26]。

1.6 拋擲指數(shù)

對振動篩來說，要保證較快的固相顆粒運(yùn)移速度和較好的篩分效果，就應(yīng)確定合理的拋擲指數(shù)。如果篩面法向加速度過大，則會加劇下落的顆粒對篩網(wǎng)碰撞，造成更多的微小顆粒透過篩網(wǎng)，并且加大了對篩網(wǎng)的沖擊，對其強(qiáng)度要求也更高。因此，在拋擲指數(shù)的選擇時，應(yīng)盡可能多地使固相顆粒處于拋擲運(yùn)動模式，并保持適當(dāng)接觸輸送模式，這對固相的穩(wěn)定輸送非常重要。拋擲指數(shù)D的計(jì)算公式如下：

式中：D——拋擲指數(shù)，與一個重力加速度的比值；

g——重力加速度，m/s2。

代入上述振幅、激振頻率和振動方向角等參數(shù)，計(jì)算得出拋擲指數(shù)為4.5g。

1.7 篩箱傾角

篩箱傾角為篩面與水平方向間夾角。對振動篩來說，篩面傾角為負(fù)時，對固相運(yùn)移速度有利，但會造成固相顆粒輸送的不穩(wěn)定，并將導(dǎo)致鉆井液的流失；篩面傾角為正時，有利于提高振動篩的處理量，但傾角過大，會出現(xiàn)固相顆粒爬坡困難，將在篩網(wǎng)入口處堆積鉆屑；因此，篩箱傾角一般取-5°～5°為宜。

2 自同步原理在振動篩節(jié)能控制上的應(yīng)用

20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)的Blehman博士提出了雙激振器式振動機(jī)的同步理論，即在一個振動體上，安裝2臺感應(yīng)電動機(jī)分別驅(qū)動2臺慣性激振器。在具備一定的條件時，2臺慣性激振器可以實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，在振動機(jī)中就可以取消齒輪同步器，可使機(jī)器實(shí)現(xiàn)所要求的直線振動、圓周運(yùn)動或其他形式的運(yùn)動。根據(jù)自同步原理和振動同步傳動原理設(shè)計(jì)的機(jī)器，其自身結(jié)構(gòu)大大簡化，能夠有效地節(jié)省電能，延長機(jī)器的使用壽命，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益[16]。目前許多工業(yè)部門，數(shù)以萬計(jì)的利用振動同步原理的自同步振動機(jī)獲得了應(yīng)用，并已創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。此后進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果切斷已經(jīng)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)的振動機(jī)械中任意1臺電動機(jī)的電源，2臺電動機(jī)仍然能夠繼續(xù)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，但速度有所下降，此即為“振動同步傳動”原理[16]。

2臺激振電動機(jī)同時供電時，1臺激振電動機(jī)產(chǎn)生的振動作用于另1臺電動機(jī)的偏心塊上，此振動轉(zhuǎn)矩若為正值，則帶動落后的偏心塊追趕超前的偏心塊，直至達(dá)到振動同步；此振動轉(zhuǎn)矩若為負(fù)值，則牽制超前的偏心塊等待落后的偏心塊，直至達(dá)到振動同步。2臺電動機(jī)同時供電情況下，振動系統(tǒng)的同步性判據(jù)為

1臺電動機(jī)供電，另1臺電動機(jī)停止供電情況下，供電電動機(jī)的振動作用于斷電電動機(jī)的偏心塊上，此時的振動轉(zhuǎn)矩為正值，使得斷電電動機(jī)轉(zhuǎn)軸及偏心塊轉(zhuǎn)軸獲得一部分能量，克服系統(tǒng)中的各種損耗。此時振動系統(tǒng)的同步性判據(jù)為

當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)同時達(dá)到以上條件時，即可實(shí)現(xiàn)振動同步傳動。若要保持系統(tǒng)這種同步性狀態(tài)，使振動機(jī)長期運(yùn)行，則還需滿足穩(wěn)定性判據(jù)，即

式中：m1、m2——偏心塊1、2的質(zhì)量，kg；

r1、r2——偏心塊1、2的偏心距，m；

φ——2臺電動機(jī)轉(zhuǎn)子的平均角位移，rad；

W——穩(wěn)定性指數(shù)；

ΔMg——2臺電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩差，N·m；

ΔMf——2臺電動機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩差，N·m；

Mz11——電動機(jī)1的振動轉(zhuǎn)矩，N·m；

Mz22——電動機(jī)1的振動轉(zhuǎn)矩，N·m；

Mg1——電動機(jī)1的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；

Δφ——兩偏心塊的相位差，rad；

ρ0——初相角，rad。

3 振動篩節(jié)能對比

安裝在篩箱上的2臺激振器激勵篩箱振動，其經(jīng)由激振偏心塊轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的徑向離心力的力作用線總是通過電動機(jī)轉(zhuǎn)動中心的。因此，其激振器只是在啟動時需要較大的啟動扭矩，而在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時扭矩較小，其啟動扭矩與穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時的工作扭矩之比一般在3～7之間，常用的普通Y系列電動機(jī)其啟動扭矩與額定扭矩之比在1.8～2.2之間。

振動篩在穩(wěn)定工作時，電動機(jī)消耗的主要功率就是克服摩擦損失、振動阻力損失和阻尼損失，這時所需功率較小。而選擇電動機(jī)是按照啟動阻力矩來選取的，所以功率一般均較大。但在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時，每臺電動機(jī)的輸出功率卻遠(yuǎn)低于額定功率，使得電動機(jī)的功率因數(shù)極低，造成大量的能源損耗，同時每臺電動機(jī)通電時的銅損等也造成了能源的浪費(fèi)[27]。

為此，只要通電電動機(jī)的驅(qū)動力矩足以克服兩軸上的摩擦力矩和振動阻力矩，振動系統(tǒng)就能夠在滿足自同步和同步狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，進(jìn)行持續(xù)、穩(wěn)定的工作。根據(jù)“振動同步傳動”原理，在滿足自同步和同步狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)條件而進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，只需要給其中1臺電動機(jī)通電，仍可以保持2臺電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)而使振動篩繼續(xù)正常工作。對于不通電的電動機(jī)，其所消耗的功率主要是軸承中的摩擦損耗，它需要的能量是通過振動慣性由通電電動機(jī)來提供，這樣不通電的電動機(jī)就不消耗電能，也沒有銅損等損耗；而通電的電動機(jī)能夠在接近額定功率的工況下工作，可獲得較高的功率因數(shù)，避免了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，大大節(jié)約了電能，降低了運(yùn)行成本。

振動篩啟停試驗(yàn)控制原理如圖2所示。

圖2 振動篩啟停試驗(yàn)控制原理

使用小尺寸振動篩樣機(jī)進(jìn)行節(jié)能試驗(yàn)測試，K1、K2在空開接通之前為閉合狀態(tài)，在接通空開以后，2臺電動機(jī)開始反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)振動篩進(jìn)入正常作業(yè)狀態(tài)后，通過K1、K2兩個按鈕，對2臺電動機(jī)進(jìn)行交替的通、斷電試驗(yàn)。

表1所示為系統(tǒng)參振質(zhì)量1440kg、電動機(jī)1激振力40kN、電動機(jī)2激振力20kN情況下的實(shí)測數(shù)據(jù)。采取三次測量取平均值的方法減小系統(tǒng)誤差，得到2臺電動機(jī)同時供電運(yùn)轉(zhuǎn)時，三次試驗(yàn)2臺電動機(jī)的總功率為3.41kW。電動機(jī)1供電、電動機(jī)2斷電時功率為2.14kW，相比2臺電動機(jī)同時供電的情況節(jié)能37.24%。電動機(jī)2供電、電動機(jī)1斷電時功率為1.4kW，相比2臺電動機(jī)同時供電的情況節(jié)能58.65%。

對另一小尺寸振動篩樣機(jī)的節(jié)能情況進(jìn)行測試，更加說明振動篩節(jié)能效果。表2所示為系統(tǒng)參振質(zhì)量2335kg、電動機(jī)1激振力60kN、電動機(jī)2激振力30kN情況下的實(shí)測數(shù)據(jù)。

同樣采取三次測量取平均值的方法減小系統(tǒng)誤差，得到2臺電動機(jī)同時供電運(yùn)轉(zhuǎn)時，三次試驗(yàn)2臺電動機(jī)的總功率為3.41kW。電動機(jī)1供電、電動機(jī)2斷電時功率為2.10kW，相比2臺電動機(jī)同時供電的情況節(jié)能38.42%。電動機(jī)2供電、電動機(jī)1斷電時功率為1.83kW，相比2臺電動機(jī)同時供電的情況節(jié)能46.33%。

表1 試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

表2 試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

據(jù)上述試驗(yàn)測定，在雙電動機(jī)自同步慣性節(jié)能高效平動橢圓振動篩中，由于采用了非等質(zhì)徑積追隨自同步理論，可以對配對的大、小電動機(jī)進(jìn)行通、斷電不停機(jī)運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明節(jié)電率高達(dá)37%～58%，節(jié)能效果非常顯著，既大幅度節(jié)約了電能，又有效延長了電動機(jī)的使用壽命。

4 總結(jié)與展望

現(xiàn)有振動篩體積偏小，難以達(dá)到快速大處理量的分離，因此在現(xiàn)場往往同時使用多臺單層振動篩，以滿足大處理量和高分離效率的需求，但增加了能源消耗。本文對強(qiáng)激振力、寬篩面多層平動橢圓振動篩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的選擇與計(jì)算。該篩采用強(qiáng)激振力、超寬篩面和多層篩面的組合，并且每層篩面的下方都設(shè)有鉆井液回流導(dǎo)流板，以使通過上層篩面過網(wǎng)的鉆井液依次導(dǎo)向下一層篩面繼續(xù)進(jìn)行更進(jìn)一步的固液分離過程。該結(jié)構(gòu)增大了鉆井液進(jìn)料量和含屑鉆井液在篩面上的流程，進(jìn)而增大了處理量和提高了固液分離效果。在處理效果相同的情況下能夠代替現(xiàn)有的多臺振動篩，可大大節(jié)省設(shè)備占地面積，節(jié)約鉆井成本。此外，結(jié)合自同步原理和振動同步原理，使用節(jié)能控制技術(shù)，在振動系統(tǒng)達(dá)到自同步穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，對2臺振動電動機(jī)進(jìn)行交替的通、斷電，仍可保持2臺電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和振動篩的正常工作，節(jié)能率最高可達(dá)58%，并且延長了電動機(jī)的使用壽命。

本文所列試驗(yàn)由于條件限制，未能對1∶1的原型振動篩進(jìn)行試驗(yàn)，未來將完成超寬多層篩面平動橢圓振動篩的動態(tài)性能測試試驗(yàn)與節(jié)能延壽試驗(yàn)。除此之外，還將考慮交替通、斷電的振動電動機(jī)在現(xiàn)場中使用壽命的問題，以及現(xiàn)場更換舊式振動篩的方法優(yōu)化。

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