混砂车螺旋输砂器螺旋体动挠度分析研究.pdf

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石油天然气学报(江汉石油学院学报)2011年12月第33卷第12期
Journal of Oil and Gas Technology (J JPI) Dec 2011 Vol 33 No 12
混砂车螺旋输砂醫螺旋体动挠度分析研究
吕志鹏,贾宏禹,周思柱(长江大学机械工程学院,湖北荆州434023
乔春(江汉石油管理局第四石油机械厂,湖北荆州434024)
[摘]对螺旋输砂器螺旋体结枃模型进行简化,利用振动学理论和边界条件推导出其振动方程和动挠度
的计算公式。计算出HS360型螺旋输砂器螺旋体的动挠度为3.19mm,为螺旋输砂器螺旋体与壳体之间
的间腺设计提供了理论依据。
关键词]螺旋输砂器;动挠度;间隙;设计
[中图分类号]TE931.2
[文献标识码
文章编号]1000-9752(2011)12-0152-02
水力压裂技术是高效开发油气田,特别是低渗透油气田的重要手段。螺旋输砂器是压裂机组混砂车
的主要部件,它的性能好坏直接影响压裂的效果。而螺旋体与壳体之间的间隙是螺旋输砂器设计的
个重要参数。间隙过大,漏砂严重,影响输送量;间隙过小,螺旋体与壳体将会产生摩擦,甚至加剧振
动。笔者拟运用振动学的原理推导出螺旋体的动挠度,为螺旋输砂器螺旋体与壳体之间的间隙设计提供
理论依据。
1螺旋体简化模型的振动方程
螺旋输砂器的螺旋体由空心主轴和螺旋叶片焊接而成,且
螺旋叶片绕主轴呈周期性螺旋对称分布,所以,可将螺旋体近
似为一均匀梁。一般螺旋输砂器螺旋体为倾斜45°安装,可将
其简化为如图1所示的两端铰支的情况
作为均匀梁的螺旋体,其振动属于稳态振动,则由机被振
动学知,其振动方程为2
may=mg cose
2
ET
则
3)
图1螺旋体简化模型
式中,m为螺旋体的质量,kg;y为螺旋体的位移(挠度),mm;ao
为螺旋体角速度,rad/s;E为弹性模量,MPa;I为横截面对中心轴的惯性矩,mm',其计算方法见文献[3];
0为安装倾角,取45°。
上述方程的齐次方程为:
且该齐次方程的通解为:
y=C&r +c2cos8x +ca sh/ax +cu ch&x
收稿日期]2011-10-26
基金项目]国家科技重大专项(20112X05048);湖北省教育厅项目(B2011303);湖北省高等学校青年教师深入企业行动计划项
目(XD20100508)。
[作者筒介]吕志鹏(1981-),男,2004年大学毕业,硕士,讲师,现从事石油机械与CAD、CAE等方面的教学与研究工作。
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第33卷第12期
吕志鹏等:泥砂车蠓旋羭砂器缧旋体动挠虔分析硏究
153
式中
为待定系数
2动挠度的计算
对于方程(1),易知
(6
式(6)为方程(1)的一个特解。根据式(5)和式(6),可以得到方程(1)的通解为
y=Cs sin8r +cocosaxcshbx +cachx--2
(7)
cose
式中,cs、c6、c、c。为待定系数。
对于如图1所示的模型,当两端铰支时,两端点的位移和弯矩为0,其边界条件为:
d2
(8)
将式(8)代入式(7)可得
Lcot?-)
。。c1=n8( schol-cthg)(9)
C
将式(9)代入式(7),则可得两端铰支的螺旋体的横向位移为:
coso((@a. coral )sing +/+(cchal-cth8)shar t char -2)
(10)
对于两端铰支的螺旋输砂器,在工作过程中,由重力产生的初始挠度和连续分布离心力作用,若忽略
轴向位移,则在L/2处将出现最大挠度,由式(10)知
yn=y Ir-l Bo os((.co L)si, B+cos e.( aschal--cthal)sh 9+ch e
(11)
3计算结果分析
将HS360型混砂车螺旋输砂器螺旋体具体参数代入式(11),可得最大动挠度ymx3.19mm。
为使设计的螺旋体在工作过程中不与壳体直接接触,首先要保证螺旋体与壳体之间的间隙要大于最
大动挠度。然而由于螺旋叶片是通过焊接固定在空心主轴上,必然存在制造误差和变形,所以螺旋体与壳
体的间隙应在最大动挠度的基础上再增加一数值え。,可取3~10mm。
针对现有HS360型结构设计和加工工艺,取o=4mm,则螺旋体与売体之间的间隙为1=3.19+4
7.19≈7mm。经现场试验和实际应用,7mm的间隙大小较为合适
4结语
螺旋体与壳体之间的间隙作为螺旋输送机设计的一个重要参数,一般凭经验取值为10~20mm,没
有理论依据。笔者运用振动学的原理,以HS360型混砂车螺旋输砂器为例,计算出螺旋体的动挠度为
3.19mm,并将螺旋体与壳体之间的间隙设计为7mm。经现场试验和实际应用,7mm的间隙大小不仅
有效地减少了漏砂量,而且能够避免螺旋体与壳体之间的直接摩擦,为螺旋输砂器螺旋体与壳体之间的
间隙设计提供了理论依据。
[参考文献]
[1]李立,胡渊,吴汉川,混砂车螺旋输砂器输砂能力分析及优化[J],石油机械,2010,38(6):96~98.
「21师汉民?机械振动系统(下册)[M].武汉:华中理工大学出版社,1992
[3]贾宏禹,吕志鹏,王峻乔,等混砂车用输砂器螺旋体固有频率理论分析[J].石油机被,2011,39(4):33~34.
[编辑]苏开科