Резонансное сито

Изобретение относится к устройствам для очистки бурового раствора и может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности. Резонансное сито содержит станину, раму, установленную с помощью амортизаторов, закрепленные на раме ситовые полотна, устройство изменения угла наклона рамы, подающий желоб, вибратор установленный на балке, прикрепленной к боковинам рамы, а между вибратором и балкой установлена пружина, жесткость которой вместе с жесткостью амортизаторов в направлении вектора колебаний рамы и масса рамы связаны соотношением С+С_а·n/M=ω², где L - жесткость пружины в Н /м; С_а - жесткость амортизатора в Н/м; n - количество амортизаторов в шт.; M - масса рамы в кг; ω - резонансная угловая частота колебаний рамы в рад /с; причем обмотки вибратора подключены к питающей сети через преобразователь частоты, выполненный с возможностью изменения частоты электрического 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-I 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.

Задачами изобретения являются: повышение виброускорения рамы с возможностью его регулирования непосредственно во время работы вибросита.

Решение указанных задач достигается тем, что резонансное сито включает станину, раму, установленную с помощью амортизаторов, закрепленные на раме ситовые полотна, устройство изменения угла наклона рамы, подающий желоб, вибратор, установленный на балке, прикрепленной к боковинам рамы, при этом между вибратором и балкой установлена пружина, жесткость которой вместе с жесткостью амортизаторов в направлении вектора колебаний рамы и масса рамы связаны соотношением

где С - жесткость пружины в Н/м;

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;

причем обмотки вибратора подключены к питающей сети через преобразователь частоты, выполненный с возможностью изменения частоты электрического тока.

Применение предложенной совокупности существенных признаков в резонансном сите 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 резонансного сита.

Анализ уровня техники в области вибрационных устройств для очистки растворов показал, что предложенная в резонансном сите 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 чертежами, на которых изображено: на фиг.1 - общий вид резонансного сита, на фиг. 2- вид сверху.

Резонансное сито содержит станину 1, раму 2, которая установлена на станине с помощью амортизаторов 3, вибратор 4. На раме закреплены ситовые полотна 5. На станине установлены устройство изменения угла наклона рамы 6 и подающий желоб 7. На балке 8 закреплена пружина 9. Обмотки вибратора подключены к питающей сети через преобразователь частоты 10.

Резонансное сито работает следующим образом. При подаче напряжения питания на обмотки вибратора 4 он возбуждает через пружину 9 и балку 8 вынужденные колебания рамы 2 на пружине 9.С помощью преобразователя частоты 10 изменяют частоту электрического тока и, следовательно, угловую частоту вынуждающей силы, создаваемой вибратором. Настроив угловую частоту вынуждающей силы на резонансную угловую частоту колебательной системы: станина 1 - амортизаторы 3 - рама 2 - балка 8 - пружина 9 - вибратор 4, подбирают амплитуду вынуждающей силы, при которой достигается требуемое максимальное значение виброускорения рамы. Вибратор настраивают на выбранное значение амплитуды вынуждающей силы. На этом заканчивается подготовка резонансного сита к работе. При работе изменением угловой частоты вынуждающей силы в области частот восходящей части резонансной кривой настраивают резонансное сито на требуемый режим колебаний в соответствии с особенностями бурового раствора, поступающего на ситовые полотна. При этом учитывают, что с увеличением массы бурового раствора, задерживающейся на ситовых полотнах (вследствие повышения вязкости или скорости поступления раствора), резонансная угловая частота колебательной системы резонансного сита незначительно уменьшается, что при настройке угловой частоты вынуждающей силы на восходящей части резонансной кривой обеспечивает автоматическое усиление колебаний.

Данное резонансное сито позволяет повысить в сравнении с аналогами виброускорение рамы при одновременном уменьшении ее металлоемкости и уменьшении мощности вибратора 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 резонансного сита. 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 резонансного сита) 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 резонансном сите масса рамы составляет M=940 кг и включает: массу собственно рамы (590 кг), массу балки (190 кг), массу элементов ужесточения конструкции рамы (80 кг), массу вибратора совместно с пружинной конструкцией (80 кг). Расчетная потребная вынуждающая сила для получения вынужденных колебаний составляет: . Эксперименты показали, что уже при вынуждающей силе, равной 13 кН, виброускорение рамы достигает 10 G. Таким образом, коэффициент резонансного уменьшения вынуждающей силы составил: Кр=92 кН:13 кН=7,1. Это значение в первом приближении, достаточном для практических расчетов, можно сравнить с диапазоном изменения динамического коэффициента и увеличения амплитуды колебаний при резонансе. Динамический коэффициент м 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=к·ω - коэффициент затухания колебаний;

к - коэффициент, определяемый экспериментально

для данной конструкции. Для металлоконструкций, применяемых в строительстве, экспериментально установлено, что К=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 М колеблется в пределах от 6,25 до 25. Таким образом, полученное для резонансного сита значение коэффициента резонансного уменьшения вынуждающей силы К_р=7,1 согласуется с диапазоном изменения динамического коэффициента м=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 технике - 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) резонансное сито обеспечивает получение колебаний с рекордным значением виброускорения рамы 10G без увеличения массы и мощности вибратора при снижении в сравнении с условно модернизированным аналогом СВ1Л массы рамы на 8,7% и при значительном уменьшении мощности вибратора, - величина вынуждающей силы уменьшается в 7,7 раз.

Пример 2. На экспериментальном образце резонансного сита изменением частоты электрического тока на выходе преобразователя частоты изменяли угловую частоту вынуждающей силы (резонансное значение угловой частоты составляло ω=314 ^рад/_c.). При этом была подтверждена возможность изменения виброускорения рамы непосредственно во время работы сита в практически необходимых пределах (от 4 до 10 G). 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.

Резонансное сито, включающее станину, раму, установленную с помощью амортизаторов, закрепленные на раме ситовые полотна, устройство изменения угла наклона рамы, подающий желоб, вибратор, установленный на балке, прикрепленной к боковинам рамы, при этом между вибратором и балкой установлена пружина, жесткость которой вместе с жесткостью амортизаторов в направлении вектора колебаний рамы и масса рамы связаны соотношением

где С - жесткость пружины, Н/м;

Са - жесткость амортизатора, Н/м;

n - количество амортизаторов, шт;

M - масса рамы, кг;

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

причем обмотки вибратора подключены к питающей сети через преобразователь частоты, выполненный с возможностью изменения частоты электрического тока.