Вибросито

Изобретение относится к устройствам для очистки бурового раствора и может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности. Вибросито включает станину, раму, установленную с помощью амортизаторов, закрепленные на раме ситовые полотна, устройство изменения угла наклона рамы, подающий желоб, возбудитель колебаний, выполненный как минимум из двух электромагнитов, установленных по бокам рамы. Статоры электромагнитов прикреплены жестко к раме, а якоря прикреплены к раме через пружины, жесткость которых вместе с жесткостью амортизаторов в направлении вектора колебаний рамы и масса рамы связаны соотношением С·к+ Са·n/М=ω², где C - жесткость пружины электромагнита в Н/м; к - количество электромагнитов в шт; Са - жесткость амортизатора в Н/м; n - количество амортизаторов в шт.; M - масса рамы в кг; ω - резонансная угловая частота колебаний рамы в рад/с. На раме установлен датчик колебаний, выход которого соединен с устройством управления электромагнитами (УУЭМ), содержащим блок обработки сигнала датчика, выдающий однополярные управляющие импульсы, усилитель импульсов, выполненный с возможностью регулирования коэффициента усиления и автоматического поддержания заданной амплитуды импульсов на выходе, обмотки электромагнитов подключены к выходу УУЭМ, при этом УУЭМ выполнено с возможностью работы в двух режимах: при запуске сита в работу - в режиме генератора импульсов тока для питания электромагнитов с возможностью регулировки частоты следования импульсов, при работе сита - в режиме устройства автоматического регулирования, обрабатывающего сигнал датчика и выдающего однополярные импульсы тока для питания электромагнитов, выполненного с возможностью изменения амплитуды импульсов тока. Технический результат - повышение виброускорения рамы вибросита с возможностью регулирования виброускорения непосредственно во время работы сита. 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для очистки бурового раствора и может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности.

Известно вибросито по А.С. СССР 848084, В 07 В 1/40, Е 21 В 21/00, включающее станину, раму, установленную с помощью амортизаторов на станину и снабженную вибратором, два последовательно расположенных ситовых полотна, закрепленных на раме, причем разгрузочный конец первого ситового полотна расположен над загрузочным концом второго полотна, установленного наклонно в сторону разгрузки материалов под углом 5°, первое ситовое полотно установлено наклонно в сторону загрузки материалов с возможностью изменения угла наклона от 0° до 10°, при этом рама снабжена механизмом регулировки угла наклона первого ситового полотна.

Известно сито вибрационное с линейными колебаниями СВ1Л, которое имеет подобное устройство и применяется в РФ в массовом порядке. Это сито производится в настоящее время ОАО "Краснодарский завод "Нефтемаш" и другими производителями по ТУ 39 - 0147001 - 145-96 (см. также Каталог продукции НПО " Техойл", М., 2003 г.). В соответствии с требованиями указанного ТУ сито СВ1Л обеспечивает амплитуду колебаний рамы вибрирующей, равную 2 мм (с учетом допуска амплитуда может колебаться в пределах от 1,7 до 3,0 мм) при частоте колебаний рамы в пределах от 23 до 25 Гц.

Известно вибросито двойного действия Mongoose компании Swaco, содержащее станину, раму, установленную с помощью амортизаторов на станину и снабженную двумя вибраторами, закрепленные на раме ситовые полотна, механизм изменения угла наклона рамы, подающий желоб, при этом основной вибратор направленных колебаний состоит из двух вибраторов круговых колебаний, а дополнительный вибратор представляет собой вибратор круговых колебаний и выполнен с возможностью включения во время перегрузки вибросита, вибраторы установлены на балке, прикрепленной к боковинам рамы (см. Mongoose Shaker. Dual - Motion Shaker. Swaco, A Division of M -1 L.L.C., A Smith/ Schlumberger Company, Houston, Texas, 2001).

Известно вибросито Flo - Line Cleaner 2000 фирмы Derrick, оснащенное вибраторами повышенной мощности (вибраторы Super G со встроенной системой смазки), что позволило поднять виброускорение рамы до 7,3 G (G - ускорение свободного падения, G=9,81 м/с²). Благодаря этому данное вибросито является в настоящее время самым мощным по пропускной способности (см. проспект "Вибросито Flo - Line Cleaner 2000". Derrick Equipment Company, Oiltools (Europe) Limited, 2000).

Известно вибросито по патенту RU 2186635, В 07 В 1/40, включающее станину, раму, установленную с помощью амортизаторов и снабженную вибратором, два последовательно закрепленных на раме ситовых полотна, первое из которых установлено с возможностью изменения угла наклона от 0° до 10°, а его разгрузочный конец расположен над загрузочным концом второго ситового полотна, при этом сито оснащено верхним ярусом, состоящим из жесткого рамочного сита с предварительно натянутым ситовым полотном и выполнено с возможностью регулировки рамы на угол наклона от -2° до +10°.

Общим недостатком указанных аналогов является то, что они работают в режиме вынужденных колебаний в области частот, далекой от резонанса. Вследствие этого колеблющиеся рамы указанных устройств подвергаются воздействию вынуждающей силы, которая многократно превышает значение вынуждающей силы, требующейся при работе в режиме поддержания резонансных колебаний. Это приводит к значительному повышению металлоемкости рамы, мощности вибраторов, получению при использовании серийно выпускаемых вибраторов низких значений виброускорения рамы - главного вибрационного параметра сита, определяющего пропускную способность и эффективность очистки бурового раствора. Кроме того, важным недостатком указанных устройств является отсутствие возможности регулирования виброускорения рамы без остановки сита и разборки узлов вибраторов для перестановки дебалансов.

Задачей изобретения является повышение виброускорения рамы с возможностью его регулирования непосредственно во время работы вибросита.

Решение указанных задач достигается тем, что вибросито включает станину, раму, установленную с помощью амортизаторов, закрепленные на раме ситовые полотна, устройство изменения угла наклона рамы, подающий желоб, возбудитель колебаний и отличается тем, что возбудитель колебаний выполнен как минимум из двух электромагнитов, установленных по бокам рамы, статоры электромагнитов прикреплены жестко к раме, а якоря прикреплены к раме через пружины, жесткость которых вместе с жесткостью амортизаторов в направлении вектора колебаний рамы и масса рамы связаны соотношением

где С - жесткость пружины электромагнита в Н/м;

к - количество электромагнитов в шт.;

Са - жесткость амортизатора в Н/м;

n - количество амортизаторов в шт.;

M - масса рамы в кг;

ω - резонансная угловая частота колебаний рамы в рад/с;

на раме установлен датчик колебаний, выход которого соединен с устройством управления электромагнитами, содержащим блок обработки сигнала датчика, выдающий однополярные управляющие импульсы, усилитель импульсов, выполненный с возможностью регулирования коэффициента усиления и автоматического поддержания заданной амплитуды импульсов на выходе, обмотки электромагнитов подключены к выходу устройства управления электромагнитами, при этом устройство управления электромагнитами выполнено с возможностью работы в двух режимах: при запуске сита в работу - в режиме генератора импульсов тока для питания электромагнитов с возможностью регулировки частоты следования импульсов, при работе сита - в режиме устройства автоматического регулирования, обрабатывающего сигнал датчика и выдающего однополярные импульсы тока для питания электромагнитов, выполненного с возможностью изменения амплитуды импульсов тока.

Применение предложенной совокупности существенных признаков в вибросите позволяет получить новый технический результат: повысить в сравнении с аналогами виброускорение рамы при одновременном уменьшении металлоемкости рамы и мощности вибраторов, а также осуществлять регулирование виброускорения рамы непосредственно во время работы вибросита.

Анализ уровня техники в области вибрационных устройств для очистки растворов показал, что предложенная в вибросите совокупность существенных признаков является новой, явным образом не следует из уровня техники и, таким образом, предлагаемое изобретение является новым и имеет изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 - общий вид вибросита и фиг. 2- вид сверху.

Вибросито содержит станину 1, раму 2, которая установлена на станине с помощью амортизаторов 3. На раме закреплены ситовые полотна 4. На станине установлены устройство изменения угла наклона рамы 5 и подающий желоб 6. Статоры 7 электромагнитов жестко прикреплены к раме. Якоря 8 электромагнитов прикреплены к раме через пружины 9. На раме установлен датчик колебаний 10, соединенный с устройством управления электромагнитами (УУЭМ) 11, выход которого соединен с обмотками электромагнитов.

Вибросито работает следующим образом. При запуске вибросита в работу УУЭМ включают в режим генератора импульсов тока. При этом электромагниты возбуждают вынужденные колебания рамы. Изменяя частоту следования импульсов тока, настраивают угловую частоту вынуждающей силы на резонансную угловую частоту колебательной системы: станина 1 - амортизаторы 3 - рама 2 - пружины 9 - якоря 8. После этого УУЭМ переключают на режим работы в качестве устройства автоматического регулирования. Датчик колебаний выдает сигнал, пропорциональный виброскорости колебаний рамы. После обработки сигнала и выделения однополярных импульсов сигнал усиливается и подается на обмотки электромагнитов. Изменяя коэффициент усиления сигнала, задают колебания с необходимым виброускорением рамы вибросита автоколебательного в соответствии со свойствами бурового раствора. При этом усилитель импульсов тока автоматически поддерживает заданную амплитуду импульсов тока. Такой режим работы обеспечивает, с одной стороны, слежение системы управления за изменениями частоты собственных колебаний колебательной системы, происходящими вследствие относительного непостоянства массы бурового раствора, находящегося на ситовых полотнах, с другой стороны, стабилизация выбранной амплитуды импульсов тока обеспечивает постоянство амплитуды возмущающей силы и, таким образом, предотвращает потерю устойчивости системы автоматического регулирования.

Данное вибросито позволяет повысить в сравнении с аналогами и прототипом виброускорение рамы при одновременном уменьшении ее металлоемкости и уменьшении мощности возбудителя колебаний за счет использования эффекта резонансного усиления колебаний.

Пример 1. Определим величину вынуждающей силы, которую необходимо приложить к раме для получения колебаний с виброускорением, превосходящим достигнутый уровень в современных виброситах (7,3 G в вибросите фирмы Derrick). Примем для перспективных разработок с учетом возможного совершенствования ситовых полотен виброускорение рамы

Применительно к этой задаче сравним данные для вибросита СВ1Л (при условной его модернизации) и для вибросита резонансного. Номинальное значение амплитуды колебаний в соответствии с ТУ на вибросито СВ1Л составляет 2 мм, что при частоте колебаний f=24 Гц дает виброускорение:

Такое виброускорение рамы создают два вибратора мощностью по 1,5 кВт каждый. Суммарная синхронная вынуждающая сила вибраторов составляет 2×25=50 кН. Для условной модернизации вибросита СВ1Л примем (в запас достоинств вибросита автоколебательного) следующие допущения: а) повышение виброускорения рамы вибросита СВ1Л будет осуществлено за счет применения более совершенного вибратора, который будет развивать большую вынуждающую силу без увеличения массы вибратора; б) прочность рамы при повышении динамических нагрузок будет обеспечена без увеличения массы рамы за счет применения более рациональных конструкторских решений. Эти допущения позволяют оставить в расчетах полную массу рамы без изменений (M₁=1030 кг), включая массу собственно рамы (590 кг), балки для крепления мотор-вибраторов (190 кг) и двух мотор-вибраторов (2×125=250 кг). Величину вынуждающей силы Р₁ определим по формуле:

.

Таким образом, для повышения виброускорения рамы на вибросите СВ1Л от 4,6 G до 10 G требуется увеличить вынуждающую силу с 50 кН до 101 кН, т.е. в 2 раза. Такое значительное увеличение вынуждающей силы не может обеспечить даже самый мощный мотор-вибратор из числа выпускаемых специализированным предприятием по выпуску мотор-вибраторов - ОАО "Ярославский завод "Красный маяк" (максимальное значение вынуждающей силы, развиваемой вибраторами этого завода, составляет 40 кН).

На вибросите автоколебательном масса рамы составляет: М₁=800 кг и включает: массу собственно рамы (590 кг), массу элементов ужесточения конструкции рамы (80 кг), массу электромагнитов совместно с пружинными конструкциями (130 кг). Расчетная потребная вынуждающая сила для получения вынужденных колебаний составляет:

.

Эксперименты показали, что уже при вынуждающей силе, равной 11 кН, виброускорение рамы достигает 10 G. Таким образом, коэффициент резонансного уменьшения вынуждающей силы составил: К_р=78,5 кН:11 кН=7,1. Это значение в первом приближении, достаточным для практических расчетов, можно сравнить с диапазоном изменения динамического коэффициента μ увеличения амплитуды колебаний при резонансе. Динамический коэффициент JH определим по формуле (см. стр. 403 в книге: Снитко Н.К. Строительная механика. Учебник для втузов. Изд. 2-е, доп. М., "Высшая школа", 1972):

где ε=α·ω - коэффициент затухания колебаний;

α - коэффициент, определяемый экспериментально для данной конструкции.

Для металлоконструкций, применяемых в строительстве, экспериментально установлено, что α=0,02...0,08 (см. стр. 403 книги Снитко Н.К. Строительная механика. Учебник для втузов. Изд. 2-е, доп. М., "Высшая школа", 1972). На основании этих данных по указанной формуле находим, что динамический коэффициент μ колеблется в пределах от 6,25 до 25. Таким образом, полученное для резонансного сита значение коэффициента резонансного уменьшения вынуждающей силы К_p=7,1 согласуется с диапазоном изменения динамического коэффициента μ=6,25...25.

Выводы: 1) возможность получения в виброситах колебаний с повышенным виброускорением рамы (например, 10 G) путем увеличения вынуждающей силы при работе в режиме вынужденных колебаний (по аналогии с известными виброситами) ограничена мощностью выпускаемых вибраторов, а также соображениями технико-экономической целесообразности, поскольку удельный вес массы вибраторов с балкой их крепления в полной массе рамы слишком велик даже при виброускорении 4,6 G и составляет (440 кг:1030 кг)×100%=42,7%;

2) вибросито автоколебательное обеспечивает получение колебаний с рекордным значением виброускорения рамы 10G без увеличения массы и мощности возбудителя колебаний при снижении в сравнении с условно модернизированным аналогом СВ1Л массы рамы на 22% и при значительном уменьшении мощности возбудителя колебаний величина вынуждающей силы уменьшается в 9,2 раза.

Пример 2. На экспериментальном образце вибросита автоколебательного изменяя настройку УУЭМ, изменяли величину вынуждающей силы, создаваемой электромагнитами. При этом была подтверждена возможность изменения виброускорения рамы непосредственно во время работы сита в практически необходимых пределах (от 4 до 10G). Это открывает возможности значительного повышения ресурса ситовых полотен. Практика эксплуатации известных вибросит показала, что рекламируемая заводами - изготовителями вибросит возможность изменения виброускорения колебаний путем изменения положения дебалансов на вибраторах реально не используется. Причина заключается в том, что для выполнения такой операции необходима остановка на достаточно продолжительное время процесса очистки бурового раствора. Это приводит к тому, что вибросита эксплуатируются в режиме настройки на получение максимального виброускорения без учета фактора изменения свойств бурового раствора по мере увеличения глубины бурения, а также при целевой корректировке его свойств. Вследствие чего значительно снижается ресурс ситовых полотен.

Вывод: изложенные примеры показывают, что предлагаемое изобретение промышленно применимо.

Вибросито, включающее станину, раму, установленную с помощью амортизаторов, закрепленные на раме ситовые полотна, устройство изменения угла наклона рамы, подающий желоб, возбудитель колебаний, отличающееся тем, что возбудитель колебаний выполнен как минимум из двух электромагнитов, установленных по бокам рамы, статоры электромагнитов прикреплены жестко к раме, а якоря прикреплены к раме через пружины, жесткость которых вместе с жесткостью амортизаторов в направлении вектора колебаний рамы и масса рамы связаны соотношением

где С - жесткость пружины электромагнита, Н/м;

к - количество электромагнитов, шт;

Са - жесткость амортизатора, Н/м;

n - количество амортизаторов, шт;

M - масса рамы, кг;

ω - резонансная угловая частота колебаний рамы, рад/с,

на раме установлен датчик колебаний, выход которого соединен с устройством управления электромагнитами, содержащим блок обработки сигнала датчика, выдающий однополярные управляющие импульсы, усилитель импульсов, выполненный с возможностью регулирования коэффициента усиления и автоматического поддержания заданной амплитуды импульсов на выходе, обмотки электромагнитов подключены к выходу устройства управления электромагнитами, при этом устройство управления электромагнитами выполнено с возможностью работы в двух режимах: при запуске сита в работу - в режиме генератора импульсов тока для питания электромагнитов с возможностью регулировки частоты следования импульсов, при работе сита - в режиме устройства автоматического регулирования, обрабатывающего сигнал датчика и выдающего однополярные импульсы тока для питания электромагнитов, выполненного с возможностью изменения амплитуды импульсов тока.