摘要：钻井液是石油钻井的“血液”，钻井液的性能及净化程度直接影响着钻井质量。而有效地筛分和安全性能直接影响着钻井生产。石油振动筛的合理设计将关系到石油钻井行业的生产效率以及安全生产等问题。振动筛广泛用于石油开采行业。直线钻井液振动筛作为钻井液固相控制中最主要、最基本的设备，主要承担了清除钻井液中大量较大颗粒的任务。由于钻井液振动筛一般在露天石油钻井场工作，工作条件非常恶劣，在高频工作过程中，筛框又长期承受着较大的交变激振力以及筛分物料的重力和冲击力，其侧板与横梁断裂的情况经常发生，也是导致市面上大型振动筛普遍存在着使用寿命短、共振振幅大、噪声大等问题的主要原因。文中利用有限元软件 WORKBENCH 对振动筛进行模态分析，寻求结构的固有频率和主振型，从而使结构设计避免共振或按特定频率进行振动，提高振动工作可靠性、延长其使用寿命。
关键词：振动筛；有限元；模态分析；固有频率；振型
0 引言
针对设计的振动筛是否存在疲劳失效的问题，对其自身结构的固有动态性能进行了研究，建立了振动筛简化后的三维结构图，分析了振动筛有限元建模需处理的关键问题，并进行了有限元模态分析，获得了筛框的固有频率与振型，得出振动筛本身的动态性能满足设计要求的结论。模态分析结果为之后进行模态试验中响应点与激振点的布置以及为动载荷结构设计提供重要的参数依据。
1 ZJS12 振动筛结构
以校企合作共同研发生产的某一石油 ZJS12 振动筛为研究对象。石油 ZJS12 直线振动筛主要部分是由筛框、漏斗进料斗、激振电机、底座、橡胶弹簧及随钻调节装置等组成，其结构图如图 1 所示。其外形尺寸为 2923 mm×1600 mm×1402 mm，电机座上安装有 2 台质量为 208 kg的激振电机，电机座与筛框通过高强度螺栓连接，该激振电机为双偏心块同步激振电机，通过双激振电机的同步反转，使筛框获得一定方向的振动。筛框由 4 组橡胶弹簧支撑，共 8 块橡胶弹簧。由于橡胶弹簧存在较大的阻尼，使振动筛在启动或者停车时能有效地抑制产生的共振现象，降低了筛框共振振幅。借助于 CATIA 三维软件建立起完整的几何模型，如图 2 所示。
2 振动筛有限元模型建立
2．1 模型的简化
综合分析振动筛结构形状、边界条件、承载方式、计算成本和可行性，在尽量满足工程精度的前提下，针对ZJS12 振动筛的筛框有限元计算模型作如下简化:
1) 由于激振器的刚度远远大于筛框的刚度，因此激振器可以被简化为一个质点，并在 ZJS12 振动筛主梁处建立硬点，质点和主梁硬点之间建立起刚性耦合。
2) 将筛框的连接部位中很小的过渡圆弧简化为简单的过渡直角，并且去除了筛框上所有尺寸较小的倒角、工艺孔和螺栓孔。去除这些不仅不会影响筛体的整体强度和刚度，而且也不会使离散化时小孔处网格细化，节省计算时间。
3) 省略棒条、护板等一些小的零件的安装支持板等非承载构件及功能件。此类零部件并非根据筛框的强度要求而设置，仅为满足筛框结构或使用上的要求而设置，对筛框结构的内应力分布及受载变形影响都比较小，因此在有限元建模过程时可忽略不计。
4) 对于筛框前盖板主板与筛框前板，它们之间采用防松螺栓连接，运用弱化原则，可以用实体覆盖。由于研究的重点在于振动筛上下横梁以及两侧板的强度和刚度分析，所以允许对模型进行这样的简化。通过上述简化方式，对筛框简化得到石油 ZJS12 振动筛的整体简化三维实体模型，如图 3 所示。
2．2 单元的选择
用三维软件 CATIA 建立装配体模型后直接导入 AN-SYS WORKBENCH 模块中，这样保证了装配体的整体性，网格划分各节点也连续。根据 WORKBENCH 的划分网格的特点，采用了 8 节点六面体实体单元离散筛体。
2．3 材料属性
在软件 WORKBENCH 中首先要选择所要进行的分析类型。以 ZJS12 振动筛模态分析为例，先选中 WORK-BENCH 模态分析模块，导入简化好的振动筛有限元模型，进入材料属性编辑界面，定义有限元模型中的密度、杨氏模量及泊松比等参数。本文所研究的 ZJS12 振动筛筛框各组件的组成材料为: Q235－A; 橡胶弹簧材料为橡胶。其材料的力学性能，如表 1 所示。
2．4 关键问题处理
1) 对称性的处理
工程设计中常常利用对称性处理有限元建模，这样的方法不但可以降低结构设计，还可以减少有限元运算量。所研究的振动筛充分利用了结构对称性的优点，大大减少了工作量，为接下来网格划分提供了便利。
2) 有限元模型连接处理
在建模时通过三维软件 CATIA，对整个模型进行了布尔操作，使其整个模型为整体。布尔操作前需要检查各零件几何尺寸是否准确，装配关系是否精准，使零部件之间不会出现干涉。进行布尔操作，整个零件为一体，这样就保证了网格划分过程网格节点的连续性，从而使得力的传导方式连续。采用自由划分网格的方式进行划分，各处将产生不同的单元格形式。零部件默认联接允许值设置为50，检测固联距离为7.666 1 mm，去网格细化参数为 10，单边最小边长为 3 mm，振动筛筛框共划分为 1003976个节点和 183 035 单元，网格划分后的模型。
2．5 约束条件
考虑到是模态分析，所以没有对其施加预应力，只是对 8 个橡胶块外侧施加完全固定约束。
3 ZJS12 振动筛的理论模态分析
振动筛有限元有成千上万个节点与自由度，若要对每个自由度的固有频率都去求解是非常困难的事情。根据振动理论，低阶固有频率对于振动筛振动起主要作用，因此忽略求解高阶固有频率，只探讨低阶固有频率对筛框的影响。
模态分析只取振动筛的前 12 阶固有频率进行分析，通过运用 WOＲKBENCH 软件对筛框模态分析，求出的筛框前 12 阶固有频率，如表 2 所示。
由表 2 可以看出，振动筛的工作频率为 75 Hz 位于其第 8 阶固有频率与第 9 阶固有频率之间，分别为 60．532Hz 与 86．76 Hz，处于两者之间且相距甚远。因此，振动筛不会因共振而造成工作振幅不稳定，筛框不会遭到破坏。振动筛本身的动态特性满足设计要求。
第 1 阶模态反映筛框沿 z 方向整体移动，第 2 阶模态反映筛框沿 y 方向整体移动，第 3 阶模态反映筛框以 z 轴为中心整体转动，第 4 阶模态反映筛框以 x 轴为中心整体转动，第 5、6 阶模态反映侧板沿 y 方向的扭转振动，第 7阶模态反映前盖板主板沿 z 方向的扭转振动，第 8、9 阶模态反映侧板沿 x 方向的弯曲振动，第 10、11 阶模态反映筛框后板沿 z 方向的弯曲振动，第 12 阶模态反映筛框前板沿 z 方向的弯曲振动。
综合所有的模态图，可以看出弯曲刚度偏低的部位是筛框后板，扭转刚度偏低的是侧前盖板主板，扭转刚度与弯曲刚度都偏低的是侧板。通过分析筛框模态图，只确定了结构本身振动的一些特性，还要对筛框进行谐响应分析，得出在外力作用下筛框所呈现出来的应力与位移情况，判断筛框在外部载荷的作用是否同样满足设计要求和工作要求。
4 结语
1) 运用 WOＲKBENCH 对振动筛进行有限元模态分析，得到了 ZJS12 振动筛的前 12 阶固有频率及振型图。
2) 振动筛的工作频率为 75 Hz，位于其第 8 阶固有频率 60．532 Hz 与第 9 阶固有频率 86．76 Hz 之间，处于两者之间且相距甚远。因此，振动筛不会因共振而造成工作振幅不稳定，筛框不会遭到破坏。振动筛本身的动态特性满足设计要求。
参考文献:
[1]赵保忠，王宗明．钻井液振动筛发展趋势探讨［J］．石油矿场机械，2001(03) : 7-9．
[2]张则荣，王永岩．大型直线振动筛的疲劳寿命分析［J］．青岛科技大学学报(自然科学版) ，2012(01) : 73-77．
[3]绳飘，乔庆军． 直线振动筛故障分析［J］． 制造业自动化，2013( 08) : 26-28．
[4]张立，仲梁维．直线振动筛的动力学和疲劳分析［J］．上海理工大学学报，2009(03) : 299-302．
论文作者:韦晓东
论文发表刊物:《基层建设》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/10
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