范 強(qiáng)，張 敏，李鵬宇

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500）

WL－355臥式螺旋沉降離心機(jī)振動(dòng)分析?

范 強(qiáng)，張 敏，李鵬宇

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500）

在建立臥式螺旋沉降離心機(jī)振動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出臥式螺旋沉降離心機(jī)臨界轉(zhuǎn)速的一般公式。并對(duì)石油礦場(chǎng)廣泛使用的WL－355臥式螺旋沉降離心機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)該型離心機(jī)合理使用和設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際意義。

離心機(jī)；臨界轉(zhuǎn)速；振動(dòng)

1 引 言

如圖1所示，臥式螺旋沉降離心機(jī)主要部件包括轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、差速器及支承裝置、傳動(dòng)裝置等幾部分組成［1－2］。

圖1 臥螺離心機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

研究離心機(jī)的振動(dòng)特性，主要目的在于減小離心機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)。而計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速是十分重要的內(nèi)容。在臥式螺旋沉降離心機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)，合理確定其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離臥式螺旋沉降離心機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速，避免系統(tǒng)產(chǎn)生共振。

2 臥式螺旋沉降離心機(jī)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算模型

回轉(zhuǎn)機(jī)械的臨界轉(zhuǎn)速是指，當(dāng)機(jī)器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的固有頻率發(fā)生共振時(shí)的那一特定轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速的大小與轉(zhuǎn)子的材料、幾何形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)形式、支承情況、工作環(huán)境等許多因素有關(guān)。

考慮回轉(zhuǎn)效應(yīng)，臥式螺旋沉降離心機(jī)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型［3］，如圖2所示。

圖2 臥式螺旋沉降離心機(jī)計(jì)算模型

式中：α11指作用在圖2位置①上的單位力在圖2位置①產(chǎn)生的撓度；β11指作用在圖2位置①上的單位力在圖2位置①產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角；γ11指作用在圖2位置①上的單位力矩在圖2位置①產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角；φ為轉(zhuǎn)子傾角；M為回轉(zhuǎn)力矩。

轉(zhuǎn)軸臨界轉(zhuǎn)速的條件（頻率方程式）：

又因?yàn)殡x心機(jī)回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由轉(zhuǎn)鼓部分和螺旋部分組成，所以，得到臥式螺旋沉降離心機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

式中：E指軸的彈性模量，E＝210 GPa；J1、J2分別為左端軸和右端軸的極慣性矩；Af、AL為轉(zhuǎn)鼓和螺旋繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bf、BL為轉(zhuǎn)鼓和螺旋分別繞其重心的直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；i為螺旋和轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速之比。

3 臥式螺旋沉降離心機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

石油礦場(chǎng)廣泛使用的WL－355臥式螺旋沉降離心機(jī)，回轉(zhuǎn)體部件質(zhì)量、質(zhì)心計(jì)算結(jié)果如表1、2所列。

表1 轉(zhuǎn)鼓部件質(zhì)量和質(zhì)心計(jì)算結(jié)果

轉(zhuǎn)鼓部件總質(zhì)量：M1＝245.52 kg；轉(zhuǎn)鼓部件質(zhì)心（距右端主軸承中心距離）：X1＝763.63 mm。

表2 螺旋部件質(zhì)量和質(zhì)心計(jì)算結(jié)果

螺旋部件總質(zhì)量：M2＝93.8 kg；螺旋部件質(zhì)心（距右端主軸承中心距離）：X2＝440.16 mm；

回轉(zhuǎn)體總質(zhì)量：M＝339.32 kg；回轉(zhuǎn)體質(zhì)心（距右端主軸承中心距離）：X＝729.77 mm。

將以上參數(shù)代入式（4）求得WL－355臥式螺旋沉降離心機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速為n1＝1 209 r／min，n2＝6 647 r／min。

4 WL－355臥螺離心機(jī)臨界轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由振動(dòng)理論可知，當(dāng)質(zhì)量上承受敲擊激擾時(shí)，將作自由衰減振動(dòng)。通過采集的波形，可直接算出對(duì)數(shù)衰減比δ＝ln（A1／A2），相對(duì)阻尼系數(shù)ξ＝n／p；然后根據(jù)n＝δ／Td可計(jì)算出n；根據(jù)衰減振動(dòng)的周期：Td＝1／fd＝2π／，計(jì)算出p；最后可根據(jù)f0＝p／2π計(jì)算出無阻尼時(shí)系統(tǒng)的固有頻率f0。WL－355臥式螺旋沉降離心機(jī)的敲擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所列。

表3 WL－355臥式螺旋離心機(jī)敲擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過計(jì)算數(shù)據(jù)得：f0＝121.9 Hz；所以，離心機(jī)實(shí)測(cè)臨界轉(zhuǎn)速為：ω＝1 165 r／min；而理論計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速n1＝1 209 r／min，二者誤差僅為η＝3.8%。

5 結(jié) 論

（1）通過建立WL－355臥式螺旋沉降離心機(jī)臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算模型，計(jì)算出其臨界轉(zhuǎn)速。并通過鉆井液固控綜合試驗(yàn)系統(tǒng)，采用敲擊法，得出該離心機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。

（2）為了保證機(jī)械能夠安全和平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，軸的工作轉(zhuǎn)速必須處于該軸各階臨界轉(zhuǎn)速的一定范圍之外。一般要求分別是：對(duì)剛性軸：n＜0.75nc1；對(duì)撓性軸：1.4nc1＜n＜0.7nc2；其中nc1、nc2分別為軸系的一階和二階臨界轉(zhuǎn)速［4］。本離心機(jī)為撓性軸，其工作轉(zhuǎn)速一般為n＝1 800 r／min，由以上計(jì)算結(jié)果可知，此離心機(jī)在工作轉(zhuǎn)速下可以正常運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

（3）WL－355臥式螺旋沉降離心機(jī)在回收重晶石時(shí)，往往會(huì)降低其轉(zhuǎn)速，有可能通過共振區(qū)，所以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)避開其臨界轉(zhuǎn)速區(qū)。

（4）WL－355臥式螺旋沉降離心機(jī)臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算對(duì)其隔振設(shè)計(jì)及使用具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 孫啟才，金鼎五.離心機(jī)原理結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［2］ 潘永密，李斯特.化工機(jī)器·下冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987.

［3］ 常映輝.臥式螺旋沉降離心機(jī)理論計(jì)算與分析［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

［4］ 顧 威.臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)的螺旋強(qiáng)度和振動(dòng)分析［D］.北京：北京化工大學(xué)，2002.

Vibration Analysis of WL－355 Horizontal Decanting Centrifuge

FAN Qiang，ZHANG Min，LI Peng－yu

（School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

By building the vibration model of horizontal decanter centrifuge，the general formula of the centrifuge critical speed has been inferred.The critical speed of the WL－355 horizontal spiral centrifuge which widely used in oil field has been ana?lyzed and calculated.Calculation result is verified by experiment.This has some practical significance to the centrifuge′s rea?sonable use and design.

centrifuge；critical speed；vibration

TH123

A

1007－4414（2013）04－0085－02

2013－06－17

范 強(qiáng)（1964－），男，河南平頂山人，副教授，主要從事石油鉆采設(shè)備的教學(xué)與科研工作。