WL－355卧式螺旋沉降离心机振动分析∗

范 强，张 敏，李鹏宇

（西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500）

WL－355卧式螺旋沉降离心机振动分析∗

范 强，张 敏，李鹏宇

（西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500）

在建立卧式螺旋沉降离心机振动模型的基础上，推导出卧式螺旋沉降离心机临界转速的一般公式。并对石油矿场广泛使用的WL－355卧式螺旋沉降离心机的临界转速进行了分析计算，计算结果通过实验验证，对该型离心机合理使用和设计具有一定的实际意义。

离心机；临界转速；振动

1 引 言

如图1所示，卧式螺旋沉降离心机主要部件包括转鼓、螺旋输送器、差速器及支承装置、传动装置等几部分组成［1－2］。

图1 卧螺离心机机构简图

研究离心机的振动特性，主要目的在于减小离心机在运转过程中产生的振动。而计算临界转速是十分重要的内容。在卧式螺旋沉降离心机的设计和改进时，合理确定其几何结构参数，使其工作转速远离卧式螺旋沉降离心机的临界转速，避免系统产生共振。

2 卧式螺旋沉降离心机临界转速计算模型

回转机械的临界转速是指，当机器的转速和转子的固有频率发生共振时的那一特定转速。临界转速的大小与转子的材料、几何形状、尺寸、结构形式、支承情况、工作环境等许多因素有关。

考虑回转效应，卧式螺旋沉降离心机的简化计算模型［3］，如图2所示。

图2 卧式螺旋沉降离心机计算模型

式中：α11指作用在图2位置①上的单位力在图2位置①产生的挠度；β11指作用在图2位置①上的单位力在图2位置①产生的转角；γ11指作用在图2位置①上的单位力矩在图2位置①产生的转角；φ为转子倾角；M为回转力矩。

转轴临界转速的条件（频率方程式）：

又因为离心机回转体的转动惯量由转鼓部分和螺旋部分组成，所以，得到卧式螺旋沉降离心机的临界转速计算公式为：

式中：E指轴的弹性模量，E＝210 GPa；J1、J2分别为左端轴和右端轴的极惯性矩；Af、AL为转鼓和螺旋绕轴的转动惯量；Bf、BL为转鼓和螺旋分别绕其重心的直径转动惯量；i为螺旋和转鼓的转速之比。

3 卧式螺旋沉降离心机的临界转速计算

石油矿场广泛使用的WL－355卧式螺旋沉降离心机，回转体部件质量、质心计算结果如表1、2所列。

表1 转鼓部件质量和质心计算结果

转鼓部件总质量：M1＝245.52 kg；转鼓部件质心（距右端主轴承中心距离）：X1＝763.63 mm。

表2 螺旋部件质量和质心计算结果

螺旋部件总质量：M2＝93.8 kg；螺旋部件质心（距右端主轴承中心距离）：X2＝440.16 mm；

回转体总质量：M＝339.32 kg；回转体质心（距右端主轴承中心距离）：X＝729.77 mm。

将以上参数代入式（4）求得WL－355卧式螺旋沉降离心机的临界转速为n1＝1 209 r／min，n2＝6 647 r／min。

4 WL－355卧螺离心机临界转速实验验证

由振动理论可知，当质量上承受敲击激扰时，将作自由衰减振动。通过采集的波形，可直接算出对数衰减比δ＝ln（A1／A2），相对阻尼系数ξ＝n／p；然后根据n＝δ／Td可计算出n；根据衰减振动的周期：Td＝1／fd＝2π／，计算出p；最后可根据f0＝p／2π计算出无阻尼时系统的固有频率f0。WL－355卧式螺旋沉降离心机的敲击实验结果如表3所列。

表3 WL－355卧式螺旋离心机敲击实验结果

通过计算数据得：f0＝121.9 Hz；所以，离心机实测临界转速为：ω＝1 165 r／min；而理论计算临界转速n1＝1 209 r／min，二者误差仅为η＝3.8%。

5 结 论

（1）通过建立WL－355卧式螺旋沉降离心机临界转速的计算模型，计算出其临界转速。并通过钻井液固控综合试验系统，采用敲击法，得出该离心机的临界转速，验证了计算结果的正确性。

（2）为了保证机械能够安全和平稳地运转，轴的工作转速必须处于该轴各阶临界转速的一定范围之外。一般要求分别是：对刚性轴：n＜0.75nc1；对挠性轴：1.4nc1＜n＜0.7nc2；其中nc1、nc2分别为轴系的一阶和二阶临界转速［4］。本离心机为挠性轴，其工作转速一般为n＝1 800 r／min，由以上计算结果可知，此离心机在工作转速下可以正常运行，不会发生共振现象。

（3）WL－355卧式螺旋沉降离心机在回收重晶石时，往往会降低其转速，有可能通过共振区，所以调节转速时应避开其临界转速区。

（4）WL－355卧式螺旋沉降离心机临界转速的计算对其隔振设计及使用具有一定的指导意义。

［1］ 孙启才，金鼎五.离心机原理结构与设计计算［M］.北京：机械工业出版社，1987.

［2］ 潘永密，李斯特.化工机器·下册［M］.北京：化学工业出版社，1987.

［3］ 常映辉.卧式螺旋沉降离心机理论计算与分析［D］.西安：西安建筑科技大学，2006.

［4］ 顾 威.卧式螺旋卸料沉降离心机的螺旋强度和振动分析［D］.北京：北京化工大学，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 强（1964－），男，河南平顶山人，副教授，主要从事石油钻采设备的教学与科研工作。