Вибросито резонансное

Изобретение относится к устройствам для очистки бурового раствора и может быть использовано при строительстве нефтяных и газовых скважин. Вибросито резонансное содержит станину, раму, вибратор, амортизаторы, ситовые полотна, закрепленные на раме, устройство изменения угла наклона рамы, приемный бункер с подающим желобом. Станина установлена на амортизаторах, рама соединена со станиной упругими элементами одинаковой длины, выполненными в форме пластин или стрежней, упругие элементы установлены под углом к горизонтали, равным углу наклона от вертикали вектора направленных колебаний рамы, суммарная жесткость упругих элементов выбрана по математическому выражению. Вибратор выполнен в виде электромагнитов, статоры которых прикреплены к станине, а якоря прикреплены к раме, обмотки электромагнитов соединены параллельно и подключены к сети питания энергией через устройство управления, выполненное с возможностью изменения периода следования и амплитуды возмущающей силы, создаваемой электромагнитами. На раме установлен датчик колебаний, соединенный с устройством управления, при этом устройство управления выполнено с возможностью работы в двух режимах: режиме ручной настройки колебаний рамы и режиме автоматического поддержания заданных колебаний рамы. Технический результат - повышение виброускорения рамы без увеличения мощности вибратора с возможностью ручного регулирования колебаний рамы непосредственно во время работы вибросита и автоматического поддержания заданных колебаний рамы. 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для очистки бурового раствора и может быть использовано при строительстве нефтяных и газовых скважин.

Известно вибросито по АС 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 СВ1ЛМ, 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 СВ1ЛМ обеспечивает амплитуду колебаний рамы вибрирующей, равную 2 мм при частоте колебаний рамы около 23 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). Данное вибросито является в настоящее время самым мощным по пропускной способности (см. просп." Вибросито Flo - Line Cleaner 2000". Derrick Equipment Company, Oiltools (Europe) Limited, 2000).

В качестве прототипа выбрано 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 и прототипа является то, что они работают в режиме вынужденных колебаний. 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 мощности вибраторов, массы рамы, получению при использовании серийно выпускаемых вибраторов низких значений виброускорения рамы, - главного вибрационного параметра сита, определяющего его пропускную способность, эффективность очистки бурового раствора и осушки отделенного шлама. 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 без увеличения мощности вибратора с возможностью ручного регулирования колебаний рамы непосредственно во время работы вибросита и автоматического поддержания заданных колебаний рамы.

Решение указанных задач достигается тем, что вибросито резонансное содержит станину, раму, вибратор, амортизаторы, ситовые полотна, закрепленные на раме, устройство изменения угла наклона рамы, приемный бункер с подающим желобом, причем станина установлена на амортизаторах, рама соединена со станиной упругими элементами одинаковой длины, выполненными в форме пластин или стрежней, упругие элементы установлены под углом к горизонтали, равным углу наклона от вертикали вектора направленных колебаний рамы, суммарная жесткость С упругих элементов выбрана по формуле

где С - суммарная жесткость упругих элементов, Н/м;

ω_о - расчетная угловая частота колебаний рамы, в области которой настраивают рабочие колебания рамы, рад/с;

m₁ - масса станины вместе с максимальной массой бурового раствора в приемном бункере и в емкости станины под ситовыми полотнами, кг;

m₂ - масса рамы, кг;

вибратор выполнен в виде электромагнитов, статоры которых прикреплены к станине, а якоря прикреплены к раме, обмотки электромагнитов соединены параллельно и подключены к сети питания энергией через устройство управления, выполненное с возможностью изменения периода следования и амплитуды возмущающей силы, создаваемой электромагнитами, на раме установлен датчик колебаний, соединенный с устройством управления, при этом устройство управления выполнено с возможностью работы в двух режимах: режиме ручной настройки колебаний рамы и режиме автоматического поддержания заданных колебаний рамы.

Применение предложенной совокупности существенных признаков в вибросите резонансном позволяет получить новый технический результат: повысить виброускорение рамы без увеличения мощности вибратора, а также осуществлять ручное регулирование колебаний рамы непосредственно во время работы вибросита и автоматическое поддержание заданных колебаний рамы. Высокая эффективность резонансного усиления механических колебаний известна (см. стр.5 в книге: Автоматизация резонансных вибромашин. Обзор. Авторы: И.И.Быховский и С.И.Попов. ЦНИИ информации и технико-экономич. исследований по строительному, дорожному и коммунальному машиностроению. М., 1972). Однако неизвестно использование этого эффекта в конструкциях вибросит в заявленной совокупности существенных признаков. Приведенная выше формула для определения суммарной жесткости упругих элементов получена путем общеизвестных преобразований формулы для собственной частоты двухмассовой колебательной системы, соответствующей рабочему резонансному режиму (см. стр.35-36 в книге Автоматизация резонансных вибромашин. Обзор. Авторы: И.И.Быховский и С.И.Попов. ЦНИИ информации и технико-экономич. исследований по строительному, дорожному и коммунальному машиностроению. М., 1972).

Анализ уровня техники в области вибрационных устройств для очистки растворов показал, что предложенная в вибросите резонансном 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 фиг.1-2. Вибросито резонансное содержит станину 1, раму 2. На станине закреплены статоры электромагнитов 3. Станина установлена на опорной поверхности с помощью амортизаторов 4. На раме закреплены ситовые полотна 5. На станине установлены устройство 6 изменения угла наклона сита и приемный бункер с подающим желобом 7. Рама соединена со станиной упругими элементами 8. Якоря 9 электромагнитов прикреплены к раме напротив статоров электромагнитов. Обмотки электромагнитов соединены параллельно и подключены к сети питания энергией через устройство управления 10. На раме установлен датчик колебаний 11, выход которого соединен с устройством управления. Суммарная жесткость упругих элементов выбрана по приведенной выше формуле.

Вибросито резонансное работает следующим образом. При подаче энергии питания к обмоткам электромагнитов 3 они создают возмущающую силу и возбуждают вынужденные колебания рамы 2. С помощью устройства управления 10 настраивают амплитуду возмущающей силы на заведомо меньшее значение, чем требуется при рабочем режиме колебаний рамы. Изменяют период следования возмущающей силы и настраивают амплитуду резонансных колебаний рамы 2 на подходе к угловой частоте, при которой возбуждаются колебания максимальной амплитуды. На этом заканчивается подготовка вибросита резонансного к работе. При работе вибросита с помощью устройства управления 10 в режиме ручной настройки изменяют амплитуду возмущающей силы, создаваемой электромагитами, и настраивают требуемый режим колебаний в соответствии с особенностями бурового раствора, поступающего на ситовые полотна 5. После этого устройство управления переводят в режим автоматического поддержания заданных колебаний. При этом датчик колебаний 11 измеряет фактические колебания рамы, сигнал датчика обрабатывает устройство управления и выдает управляющий сигнал для соответствующего изменения возмущающей силы, создаваемой электромагнитами. Благодаря наличию обратной связи обеспечивается поддержание заданных колебаний рамы. Изменение настроенного режима колебаний осуществляют непосредственно во время работы вибросита с помощью устройства управления 10 в режиме ручной настройки.

Данное вибросито резонансное позволяет повысить в сравнении с известными решениями виброускорение рамы без увеличения мощности вибратора за счет использования эффекта резонансного усиления колебаний, а также обеспечивает возможность регулирования колебаний рамы непосредственно во время работы вибросита и автоматическое поддержание заданных колебаний рамы.

Примеры практической апробации предложенного технического решения.

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 10G=10·9,81 м/с². Применительно к этой задаче сравним данные для вибросита СВ1ЛМ (при условной его модернизации) и для вибросита резонансного.

Измерение виброускорения рамы на вибросите СВ1ЛМ показало, что виброускорение в разных точках измерения изменяется от 3,7 до 4,2 G. Такое виброускорение рамы создают два вибратора мощностью по 1,5 кВт каждый. Суммарная синхронная вынуждающая сила вибраторов составляет 2×25=50 кН (см. указанное выше ТУ 39-0147001-145-96, а также Руководство по эксплуатации на вибратор электромеханический взрывозащищенный ЭВВ - 25.0 - 1500 У2. ОАО "Ярославский завод "Красный маяк". Ярославль, 2003). Для условной модернизации вибросита СВ1ЛМ примем (в запас преимуществ вибросита резонансного) следующие допущения: а) повышение виброускорения рамы вибросита СВ1ЛМ 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 сита СВ1ЛМ без изменений (М=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 Р определим по общеизвестной формуле: Р=М·10G=1030 кг·9,81 м/с²=101043 Н≈101 кН. Таким образом, для повышения виброускорения рамы на вибросите СВ1ЛМ от 4,2 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 (см. стр.6 в книге: Каталог продукции "ОАО "Ярославский завод "Красный маяк", Ярославль, 2001).

Заявляемое техническое решение было апробировано на экспериментальном образце вибросита резонансного, изготовленного в соответствии с заявляемым техническим решением. Данные экспериментального образца: масса станины вместе с массой, имитирующей массу бурового раствора в приемном бункере и в емкости под ситовыми полотнами, m₁=750 кГ; масса рамы m₂=600 кг; суммарная жесткость упругих элементов С=3300·10⁴ Н/м; расчетная угловая частота колебаний рамы ω_o=314 рад/с; амплитуда возмущающей силы, создаваемой электромагнитами; 2,5 кН; суммарная электрическая мощность электромагнитов: 1,2 кВт.

Эксперименты показали, что несмотря на то, что в заявляемом техническом решении применялись в качестве вибратора электромагниты меньшей мощности, которые создавали вынуждающую силу значительно меньшей величины, чем в сите СВ1ЛМ, виброускорение рамы на экспериментальном образце вибросита повысилось от 4,2 G до 10 G. Достижение таких значений виброускорения повышает пропускную способность вибросита, а также открывает возможность применения сеток с меньшей ячейкой, что повысит качество очистки бурового раствора.

Пример 2. Экспериментально подтверждено, что при изменении в режиме ручной настройки с помощью устройства управления амплитуды возмущающей силы, создаваемой электромагнитами, непосредственно при работе сита обеспечивается плавная регулировка величины виброускорения рамы. Это открывает возможность повышения срока службы ситовых полотен. Практика эксплуатации известных вибросит показала, что рекламируемая заводами-изготовителями вибросит возможность регулирования 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. Поэтому часто вибросита эксплуатируются в режиме настройки на максимальное виброускорение без учета фактора изменения свойств бурового раствора. Вследствие этого значительно снижается ресурс ситовых полотен.

Пример 3. Экспериментально проверена эффективность системы автоматического поддержания заданных колебаний рамы. В качестве датчика колебаний использовали пьезокерамический датчик детонации, применяемый на современных двигателях автозавода ВАЗ. Датчик измеряет непосредственно виброускорение и отличается надежностью работы в условиях значительных динамических воздействий. Возможно также (при соответствующих изменениях в электронной схеме устройства управления) применение электромагнитного датчика, применяемого на этих же двигателях. Установлено, что в режиме автоматического поддержания заданных колебаний устройство управления в совокупности с датчиком поддерживает виброускорение рамы в пределах от -10% до +10% при имитации процесса поступления бурового раствора на ситовые полотна от 0 до 50 кг (что полностью перекрывает реальные варианты при работе вибросита). Полученная точность поддержания заданных колебаний рамы удовлетворяет требованиям очистки бурового раствора. Кроме того, наличие системы автоматического поддержания заданных колебаний стабилизирует колебания рамы и при определенных отклонениях параметров колебательной системы вибросита (например, при незначительном изменении жесткости упругих элементов или коэффициента затухания колебаний, что может иметь место при прогреве упругих элементов).

Изложенные примеры показывают, что предлагаемое изобретение промышленно применимо.

Вибросито резонансное, содержащее станину, раму, вибратор, амортизаторы, ситовые полотна, закрепленные на раме, устройство изменения угла наклона рамы, приемный бункер с подающим желобом, отличающееся тем, что станина установлена на амортизаторах, рама соединена со станиной упругими элементами одинаковой длины, выполненными в форме пластин или стрежней, упругие элементы установлены под углом к горизонтали, равным углу наклона от вертикали вектора направленных колебаний рамы, суммарная жесткость упругих элементов выбрана по формуле

где С - суммарная жесткость упругих элементов, Н/м;

ω₀ - расчетная угловая частота колебаний рамы, в области которой настраивают рабочие колебания рамы, рад/с;

m₁ - масса станины вместе с максимальной массой бурового раствора в приемном бункере и в емкости станины под ситовыми полотнами, кг;

m₂ - масса рамы, кг;

вибратор выполнен в виде электромагнитов, статоры которых прикреплены к станине, а якоря прикреплены к раме, обмотки электромагнитов соединены параллельно и подключены к сети питания энергией через устройство управления, выполненное с возможностью изменения периода следования и амплитуды возмущающей силы, создаваемой электромагнитами, на раме установлен датчик колебаний, соединенный с устройством управления, при этом устройство управления выполнено с возможностью работы в двух режимах: режиме ручной настройки колебаний рамы и режиме автоматического поддержания заданных колебаний рамы.