高频双激振直线型振动筛研究

黄志洋 ，王 婷 ，管玉君 ，蒋月霞 ，戴 敏 ，李小银

（1.江苏博一环保科技有限公司，江苏 扬州 225000；2.扬州亿迈科尼机电科技有限公司，江苏 扬州 225000；3.扬州大学，江苏 扬州 225000）

0 引 言

钻孔液体振动筛是钻井泥浆固相控制系统中的第一个级别固体控制设备，该设备与钻孔液体中74 μm 以上的泥浆固相颗粒分开。海上钻井散落，许多钻探场所处于环境敏感和生态脆弱的区域，容易破坏周围环境。每年我国石油钻采废弃泥浆排放约为200 万m3，其中1/2 直接排放到周围环境中。重金属及其化合物在水环境中积聚或长期存在于生物中，从而对人类生命造成潜在的伤害。本文通过集成整合技术，使用高频双激振直线型振动筛，为解决海洋石油钻采废弃物循环处理难题提供指导意义。

1 双电机自同步反转直线型振动方式研究

直线振动筛采用双振动电机驱动设计，两台同步电机反向放置，使激振器产生反向激振力，偏心块产生的激振力在电机轴线平行方向相互抵消，在垂直于电机轴的方向叠为一合力，所以它的轨迹是线性的，其能耗和噪声低，筛分精度高，结构简单稳定，物料在筛面上移动距离更长，筛分效率高。

直线振动筛振动工作原理如图1 所示，颗粒在柔性筛面可变线性振动筛和固定筛面可变线性振动筛上的弹丸高度从进料侧到出料侧减小。但颗粒在直线振动筛上的弹丸高度变化不大，很难在该筛面上实现物料的恒厚筛分。另外，由于柔性筛可以增加振幅，所以弹丸在柔性筛面上进行筛分的次数比在变直线振动筛面上少，筛分率也有所提高。由于弹性体的作用，杆之间有可变的空间，可以减少筛面的阻塞。总之，可变直线振动筛的功率分布优于一般振动筛，其弹丸强度变化规律满足筛面的理想要求；具有柔性筛面的可变直线振动筛可增加振幅，防止物料在出料侧振动过低和筛间堵塞现象；在激振力位置和方向相同的条件下，柔性筛面可变直线振动筛比可变直线振动筛和一般直线振动筛具有更好的筛分性能。

图1 直线型振动筛工作原理

2 减震式弹簧减震器研究

减震阻尼器是一个带有杆和活塞的充油管，用于衰减任何振荡运动。这两个组件在物理上都被限制在一个设置中，代替弹簧的是一个充满空气的波纹管（通常由橡胶制成）。在负载下，波纹管被压缩，导致体积减少和压力增加，如果泵入更多的空气，波纹管将恢复到其正常体积，或者正常高度。作为空气弹簧减震器，增加的压力意味着增加的刚度，这是增加重量所必需的。用气垫代替钢螺旋弹簧引入了有用的可调节程度。底座多为深气囊避震器、弹簧减震器、空气弹簧避震器，大型空压机使用变压器减震器，冰箱使用弹簧减震器，以降低设备维护成本，提高工作效率，大多数机械设备都可以使用。

为防止筛箱上的激振力传递到振动筛的非振动部分而影响整机使用寿命，在筛箱和底座之间设计8 个悬挂式浮动减震器支撑筛箱。减震器材料以天然橡胶为主，并镶嵌金属件以提高其刚度。采用理论计算、软件仿真和试验验证相结合的方法实现减震器与筛箱参振质量、质心位置和双电机激振频率、激振力的协调统一；既能有效地隔离振动防止振动筛筛箱的横向摆动和不规则晃动，又不过多衰减用于钻井液固相分离所需的激振力和激振频率，最终达到提高钻井液砂粒分离速率、增大钻井液处理量、延长使用寿命的目的。

3 高筛分效率与筛孔大小关系研究

在筛分各种尺寸的颗粒时，区分小于筛孔的颗粒、所谓的小尺寸颗粒和留在筛子表面上方的颗粒（即没有穿过筛孔，也可能含有小尺寸颗粒），这些颗粒称为溢流颗粒。筛分效率意味着相对于理想筛分而言筛分成功，这将导致颗粒尺寸等级的完全分离，而溢流产品中不存在尺寸过小的颗粒，以及尺寸过小产品中大于筛孔的颗粒。筛分效应表示尺寸过小的产品中尺寸过小颗粒的质量与输入原料中尺寸过大颗粒的总量之比。换言之，筛分效率的计算方法为收集在料仓中的小颗粒质量与比筛孔更细的进料质量之比。实践表明，尺寸小于筛孔四分之三的材料颗粒很容易通过筛网，因此，对筛分效率影响最大的是尺寸接近筛孔尺寸的颗粒。

从图2 可以看出，筛分效率最初随着孔径的增大而增大，然后开始下降。当孔径尺寸较小时，考虑到孔径尺寸接近颗粒尺寸，筛分效率较低，因此颗粒通过孔径的概率较小，大部分尺寸较小的颗粒仍留在溢流材料中。孔径越大，筛分效率也越高，因为小颗粒通过网孔的概率越大。

图2 孔径大小对筛分效率的影响

4 高筛分效率的筛面倾角与不同钻井液固液成份之间的匹配关系研究

筛分效率与筛网倾角的关系如图5 所示。采用的参数如下：振动振幅Y=4 mm，筛网长度为2 m，孔径尺寸a=1.5 mm。

从图3 可以看出，筛分效率随着筛网倾角的增加而增加，直到达到略大于25°的最大值，然后筛分效率降低。当倾斜角增大时，屏幕孔径的水平投影减小，粒子沿垂直方向穿过网孔的概率也减小，因此，大于穿过网孔的分离尺寸的粒子数量减少。同时，如果颗粒在筛网上移动的速度加快，则较小颗粒的通过效果更好。因此，随着倾角的进一步增大，由于孔径的水平投影突然减小，筛网效率降低，颗粒运动速度加快，颗粒停留在筛网表面的时间缩短。

图3 筛网倾角对筛分效率的影响

本文采用筛网表面仿形结构设计，提高了筛网防筛糊、耐磨、耐腐蚀、抗冲击性能。筛网设计成多目超细、高强度、大处理面积的分层张紧叠层形式，提高筛分粒度细、使用寿命长、单位面积处理量大的综合性能；研究筛网张紧方式和张紧程度对筛网使用寿命和筛网处理量、筛分效率之间的关系，设计振动筛筛网可调预紧力绷紧式张紧机构简图如图4 所示。

图4 振动筛筛网绷紧式张紧机构简图

5 结 语

本文研究了双电机自同步反转直线型振动方式，研究振动频率对钻井液流量的影响规律，研制双激振直线型振动筛，实现单位小时内处理钻井液流量达到140 m3以上；研究高筛分效率的筛面倾角与不同钻井液固液成分之间的良好匹配关系，使筛面倾角调节范围为-5°～5°，从而设计满足不同工况下能进行调节的振动筛筛面倾角无级调节装置，可扩大钻井液筛分范围和提高钻井液筛分效率。