工學(xué)博士學(xué)位論文
井下驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)滾柱活齒減速器的研制
博士研究生：楊偉君
導(dǎo)師：李瑰賢教授
申請學(xué)位級別：工學(xué)博士
學(xué)科、專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論
所在單位：電機(jī)工程學(xué)院
答辯日期：2003年5月
授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
摘要
目前，采油生產(chǎn)的主要方式是地面驅(qū)動(dòng)采油，包括游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)和地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)。隨著石油資源的不斷開發(fā)，原油中含砂等雜質(zhì)的情況越來越多，而游梁式抽油機(jī)對雜質(zhì)敏感，越來越不適應(yīng)采油生產(chǎn)的需要。地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)雖可使用，但它由于近千米的抽油桿（重5 噸左右）的存在，使得系統(tǒng)不但能量浪費(fèi)和鋼材消耗嚴(yán)重（僅我國就60 萬噸），而且產(chǎn)生了諸如抽油桿斷裂等失效問題，嚴(yán)重影響油田生產(chǎn)。為克服地面驅(qū)動(dòng)采油系統(tǒng)的缺點(diǎn)，近年來，美國等國家提出并研制了井下驅(qū)動(dòng)采油系統(tǒng)一電動(dòng)潛油螺泵采油（ESPCP）系統(tǒng)。它不但解決了游梁式抽油機(jī)的原油敏感問題，而且由于取消了抽油桿，使得該系統(tǒng)效率更高、更可靠、對復(fù)雜油井的適應(yīng)性更廣泛，從而成為國際石油機(jī)械領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
我國的大部分油田目前處于開采的中后期，采油條件日益復(fù)雜，迫切需要這種采油系統(tǒng)。該系統(tǒng)中潛油電機(jī)、螺桿泵和保護(hù)器現(xiàn)在已經(jīng)研制成功，但由于此系統(tǒng)對減速器要求非常苛刻（最大直徑φ114mm、功率40KW) ，使得減速器部分一直無法實(shí)現(xiàn)，從而嚴(yán)重妨礙了該系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，所以，能否成功地研制出該特種減速器就成為此系統(tǒng)能否成功應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。
本文根據(jù)電動(dòng)潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的特殊需要，創(chuàng)造性地將滾柱活齒傳動(dòng)應(yīng)用于電動(dòng)潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的減速器中，不僅填補(bǔ)了電動(dòng)潛油螺桿泵采油系統(tǒng)用減速器的空白，同時(shí)還可以適用于對徑向尺寸要求苛刻的各種場合，具有很高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。
滾柱活齒傳動(dòng)作為一種較新的傳動(dòng)形式，很多方面的研究還是空白，所以必須進(jìn)行一系列的、深入的理論研究。首先根據(jù)工作時(shí)各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立起活齒中心運(yùn)動(dòng)軌跡方程；進(jìn)而根據(jù)嚙合理論建立中心輪齒廓方程；對中心輪及活齒的齒廓進(jìn)行仿真研究；對中心輪齒廓曲線曲率等嚙合特性進(jìn)行研究；對單個(gè)活齒和雙排結(jié)構(gòu)活齒進(jìn)行受力分析，基于彈性力學(xué)理論和變形協(xié)調(diào)條件建立起滾柱活齒傳動(dòng)的力學(xué)模型；對該減速器的潤滑特性進(jìn)行了深入分析并得出主要嚙合表面之間的油膜厚度。
根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法初步確定減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Pro/ E 軟件建立起減速器的三維實(shí)體模型并運(yùn)用有限元理論及ANSYS 軟件對其關(guān)鍵件進(jìn)行有限元力學(xué)分析和模態(tài)分析；采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和ADAMS 軟件對減速器虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。
為降低減速器的振動(dòng)水平，對該減速器的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。建立起減速器的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及慣性元件和彈性元件的數(shù)學(xué)模型；用傳遞矩陣法建立起減速器的系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，求出了該減速器的固有頻率、主振型、模態(tài)柔度和勢能分布率等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。找出了影響減速器動(dòng)態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高其動(dòng)態(tài)特性提供了理論依據(jù)。
從整個(gè)采油系統(tǒng)出發(fā)，利用AGREE 法確定出減速器部分應(yīng)達(dá)到的可靠度；建立起減速器的故障樹并確定出全部最小割集；采用Monte-Carlo方法對減速器進(jìn)行可靠性仿真研究，從而得到減速器到達(dá)設(shè)計(jì)壽命時(shí)的可靠度、各基本部件的重要度和模式重要度；首次將模糊數(shù)學(xué)引入滾柱活齒減速器的可靠性分析中，根據(jù)模糊數(shù)的運(yùn)算法則及模糊算子AND和OR得到了頂事件的模糊概率的計(jì)算公式。
在全面完成樣機(jī)的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和可靠性分析的基礎(chǔ)上，最后確定樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)并繪制全套設(shè)計(jì)圖；與哈爾濱飛機(jī)制造公司和東安發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)合作，加工制造出一臺樣機(jī)。通過對樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證明其性能指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞 滾柱活齒減速器；嚙合特性；虛擬樣機(jī)；扭振動(dòng)力學(xué)；模糊可靠性
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