ZZS型钻井液自同步直线振动筛及其工作原理

第２５卷第２期　石油机械　１９９７直　／厂　＼／ｐ　上，　ｐ　＼　７／　ＺＺＳ型钻井液自同步直线振动筛及其工作原理　

岁　／）　｛　王奎升‘　薛长福　

学．北京）　徐常胜　

（胜利石油管理局钻井研究院）　

摘要介绍了五强型钻井液自同步直线振动筛的特点及性能，给出了该振动筛的简化力学模　型，从力学角度分析了该振动筛的工作原理、动力学特性及自同步原理，提出直线筛工作时，直　线振动条件是相位差角△　为零，若不满足该条，ｉｆ－，振动特是直线振动与摇摆振动的组合。还推导　了直线筛自同步条，ｉｆ－，两电动机特性愈接近，其摩擦阻矩愈接近相等，两筛愈容易实现同步运转。　

，，．．　，／　题词鎏鲞丝　箩旦生皇当拯　堕结构分析动力学模型　

我国从ｌ９７６年开始试验和研究自同步振动筛．　在矿山烧结矿和煤炭的筛分及脱水方面已获得较好　使用效果。而在石油工业中，钻井液振动筛在过去　相当长的时间内，其振动轨迹通常采用的只有椭圆　形和圆形两种。７０年代末，国外开始积极研究和　应用直线运动轨迹的振动筛，认为直线运动在将振　动能量传递给钻井液方面比椭圆运动和圆运动更有　效…１。国内许多研究院、所在８ｏ年代中期对直线　振动筛做了大量的研究工作＿２’　，取得了较好的成　绩。Ｚｚｓ型钻井液自同步直线振动筛（以下简称　ｚ　型筛）是石油大学（北京）与华北油田勘探二　公司机械设备厂联合开发研制的，该型筛具有处理　量大、筛分效果好、寿命较长、安装维修方便等优　点。　

主要结构特点　１．筛架结构　Ｚ　型筛结构如图Ｉ所示。采用双联结构形式　将两台性能相同的筛子组装在同一底座上，筛架用　钢板作边框，两边框用钢管联接。４台１．１ｋＷ电动　机分别用螺栓紧固在边框上。采用８组弹簧把筛架　

钯节　褰　Ｃ）３－　

母　

母　］４１）母　囤１　ＺＺＳ型筛结构示意囤　卜一澈振电动机；２－－筛箱；３一弹赞　支撑在底座上，每组采用一粗一细双并联弹簧组合　使用。　２、筛网及绷紧结构　Ｚ　型筛采用双层紧贴在一起的叠层筛网，上　

－王毫升．副教授．生于１９５５年．１９８２年毕业于华东石油学院矿机专业，１９８８年毕业于石油大学（北京）研究生院，获工程硕士学　位．现攻读博士学位　一直从事石油机械的教学和科研工作。地址：　（】蚴）“－　市昌　县。电话：　ｔＯ】０）６９７４５５６６—３２９５（办）或　（０５４６）８３９６０６６（宅）。　（收赫，１１期：１９９６一Ｉ）５—２０；修改稿收珂刳】陶：１９９６一∞一】３）　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２　石油机械　１９９７　层为细目筛网，起筛分作用；下层为粗目筛网，起　承力骨架作用。为解决双层筛网相互紧贴而同时绷　紧于筛箱托架上，此种筛采用了双绷紧机构，两层　筛网分别由两个卷筒绷紧，并可根据筛网的粗细采　用不同的绷紧力。另外，由于筛网上无粘接部分，　故对其过流能力几乎无影响。　３．激振器　ｚ巧型筛采用４台ＶＢ一２０１１４一Ｗ型振动电动　机对称地安装在边框上，电动机轴线与筛网工作面　呈３响安装。电动机转速为１４３０ｒ／ｒａｉｎ，单机最大　激振力为２００（￣ＯＮ（可无级调节）。　

工作原理和动力学分析　ｚ巧型筛的简化力学模型如图２所示。振动筛　的框架支承在刚度为　和　的弹性元件上，这些　弹性元件也具有扭摆刚度　。两个相互独立的扇　形偏心块作反向旋转，在各瞬时位置时的离心力沿　

ｌ　＼（　围２双轴直线筛动力学模型　方向的分力总是互相抵消，而沿ｒ方向的分力　总是互相迭加，由此形成只有一个方向的激振力驱　使筛子作直线运动。根据图２，将坐标原点选在筛　架质心上。由于存在制造误差或激振电动机性能的　差异，每个单筛的两台电动机上的偏心质量之间总　是存在着一个初始的相位差角△ａ。　根据达氏原理，可列出该筛机体沿　、ｌ，方向　及绕质心０点的振动方程。　

（ｍ＋三ｍ０）　＋　＋置　＝ｍ０衍ｒｃ０ｓ　ｌ一　ｍ０　ｒｃｏｓ￣２　（１．１）　（ｍ＋ｚｍ０）￣＋　＋　＝ｍｏ　｛ｒｓｉ“　ｌ＋，ｎ０　ｌｒｓｉ“　２　（１．２）　（Ｊ＋　）．＝６＋脚＋　＝一ｍ０　ｆ　ｌ×　×ｓｉｎ（Ｉ＋　）＋ｍ０刃　２ｓｉｎ（纯＋岛）（１．３）　式中　（ｍ＋Ｙ．ｍｏ）——振动筛机体（包括偏心　块）的质量；　（Ｊ＋　１Ｊｏ）——振动筛机体（包括偏心块）　对其重心的转动惯量；　‰、ｒ——每个轴上的偏心块质量及偏心距；　Ｉ、　ｌ、　１——轴１偏心块的角位移、角　速度和角加速度；　２、　、　２——轴２偏心块的角位移、角　速度和角加速度；　工、　、　——每一运动方向的阻力系数；　、　”　——　、ｌ，、　方向弹簧刚度；　方向位移、速度和加速度；　扎　、　——ｙ方向位移、速度和加速度；　方向角位移、角速度和角　加速度；　２１、２厂轴１、轴２至机体重心的距离；　岛——轴２中心至机体重心连线与　轴的　夹角。　对于直线振动筛反向回转，取　：Ｐ一血／２，　＝　＋Ａ　／２，岛＝Ｉ９，Ｉ９ｌ：１８０＂一岛，ｚＩ：ｚ２＝２，　ｌ＝ｎ－，有　２＝　ｌ＋　（２）　整理式（１．１）一（１．３）的右侧得　原式＝ｍ０￣ｒｃｏｓ（　—Ａａ／２）一啪　ｌｒ×　×ｃｏ８（　＋△０／２）＝ｍ０研　ｏｏＢ（　一，５ａ／２）一　ＣＯ￥（　＋Ａａ／２）］＝　ｓｉｎｇ￣　（３．１）　原式＝ｍ０￣ｒｓｉｎ（　一△０／２）＋．ｔｏ￣ｒｓｉｎ（　＋　＋Ａａ／２）＝ｍ０　ｒ［ｓｉｎ（　—Ａａ／２）＋　＋ｓｉｎ（　＋ｚ￣ａ／２）］＝　ｓｉｎｇ￣　（３．２）　原式＝一ｍ０￣ｒ／ｓｉｎ（　—Ａａ／２＋岛）＋　＋啪　ｒ／ｓｉｎ（　＋Ａａ／２＋　）　＝ｍ０　ｉ　［ｓｉｎ（　＋△口／２＋岛）一　ｓｉｎ（　—ｚＳａ／２＋Ｉ９２）］：Ｍｏｃｏｓ（　＋　）　ＭｏＣＯ￥（　＋Ｉ９）　（３．３）　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷第２期　王奎升等：ＺＺＳ型钻井波自同步直线振动筛厦其工作原理　注：整理式（３．１）～（３．３）时，略去了一阶以上　微量。　且　＝　啪　｝，ｓｉｎ（△口／２），　＝２ｍ０Ｃ，ｒ×　×ｃｏｓ（￣／２），‰＝２ｍ０　ｒｆｓｉｎ（　／２）　对于轴１和轴２，则有　Ｊ１　１：Ｃ１（　一　１）一畅一啪，［　ｃ０。　１一　ｘｓｉｎＴＩ一　ｆ１ｃ０ｓ（　ｌ＋卢）］　（４．１）　＾　２：Ｃ２（　一　２）一吩　一啪，［　ｃｏ。　２＋　＋ｘｓｌｎ９２＋　ｃｏｓ（９２＋卢）］　（４—２）　式中Ｊｌ、，２——分别为轴系Ｉ和２换算至轴Ｉ和　轴２上的转动惯量；　ｃｌ、Ｃ２——分别为电动机Ｉ和２换算到轴Ｉ　和轴２上的力矩系数；　ｎ、　２——轴Ｉ和轴２上的摩擦力矩；　０——电动机换算至轴ｌ和２的同步转速。　方程（Ｉ．Ｉ）～（Ｉ．３）的特解为　设：　＝＾　ｓｉｎ（　一　）　（５．１）　Ｙ＝＾　ｓｉｎ（　一口　）　（５．２）　：　ＣＯＳ（　＋ｐ一　）　（５．３）　将式（５一Ｉ）～（５—３）分别求一导和二导得　；＝Ａ￣ｃｏｓ（　一口　），　＾　ｓｉｎ（　一　）　（６．１）　Ｘ￣ｃｏｓ（　—Ｇｙ），　：一　ｓｉｎ（　一口　）　（６．２）　０￣￣ｓｌｎ（　＋ｐ一。　）　≯：一　ｃｏｓ（　＋　一　）　（６．３）　将式（５．１）一（５．３）和式（６．１）　（６．３）　分别代人式（３．１）　（３．３）中得　（ｍ＋昌　）＾　ｓｉｎ（９一　）＋　×ｃｏｓ（９一　）＋　＋　ｓｉｎ（　一　）：　ｓｉｎ（　一　＋口　）　＝　ｓｉｎ（　一　）ＣＯＳＧ　＋只ｓｉｎａ　ｃ０ｓ（　一　）　故有　一（ｍ＋ｊ１ｍ０）＾　＋　＾：　ＣＯＳａｘ　：　ｓｉｎｇ　（７）　＾　＝只ＣＯＳＧ　／［　一（ｍ＋　ｍ０）∞　］　又因ｍ　＝ｍ＋　ｍ０一ｋ／甜　故　＾　：　ＣＯＳＧ　／（一ｍ　）　老　（８＿１）。ＩＪ　

同理可得　ｌＩｇ　孟（８＿２）　～一一　’　一　抽　。　

ｆｌＺｒｙ＝ｍ＋三啪一墨，　＝　Ｊ　，　叫　。　叫　ｔｇａ　＝　，　（８－３）　Ｊ＋ｚＪｏ一　甜　

若将　：２啪∞　ｒｓｉｎ（ｚＳａ／２），　＝２ｍｏ６￣２，×　

×ｃｏｓ（￣／２），Ｍｏ＝２ｍ０∞　ｒｌｓｉｎ（△口／２）代人式（８．１）　（８．３），可看出当Ａｃｅ＝０时，　＝０，尸’＝　２ｍｏｏ￣。ｒＭｏ：Ｏ，　＝０，　：０，则　：０，　：０，ｙ　

≠０ｏ　故振动筛仅沿着ｙ方向作直线运动。　当　一１８　时，　≠Ｏ，　：０，Ｍｏ≠０，＾　≠　０，＾ｙ＝０，　≠０，则　≠０，Ｙ＝０，　≠０。　故振动筛机体是　方向直线振动与摇摆振动　的组合。同步性条件：　式（４．１）和（４．２）电可记为　Ｉ＝　１一％一　ｌ（　）　（９．１）　２＝　一　一　２（　）　（９．２）　需指出的是，式（４．１）和（４．２）是一相对运　动动力学问题．方程右侧的前两项是外力矩，第三　项是牵连运动（即机体振动）引起的阻力矩。据右　手定则，可判出其科氏惯性力始终指向轴的中心，　引起的阻力矩为零。　上式中Ｍａ１、Ｍａ２、　１、Ｍｇ２、　、　、　幔　（ｚ）　２（　）分别是轴１和轴２上的惯性转　矩、电动机转矩、摩擦转矩和振动阻矩。且有　：　１＋＾　１＋啪衙　ｌｄ／２　屿２＝＾　＋，２　２＋啪　ｌ　ｒ　２ｄ／２　

Ｉ（　）＝ｍ０　ｃ０ｓ　Ｉ—ｘｓｉｎ９ｌ　ｆｃ０ｓ（　１＋口）］　（１０．Ｉ）　

２（Ｅ）＝ｍ０ｒ［　ｃ０ｓ　２＋ｘｓ／ｎ９２＋　＋　ｌｃ０ｓ（　２＋卢）］　（１０．２）　式中　１、　、＾、＾、五－、　——分别为轴１　和轴２上的不变摩擦力矩、阻力矩系数和摩擦系　数：　ｄ——轴承内径。　由上式可知，振动阻矩是随　、　和　而周期　变化。将式（６．１）一（６．３）代人（１０．１）和　（１Ｏ．２）得　幔ｌ（ｆ）＝Ｏｔｏｒ［一＾　ｓｉｎ（９一口，）ｃｏｓ￣ｖ【＋　

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