工学博士学位论文

井下驱动螺杆泵采油系统滚柱活齿减速器的研制

博士研究生：杨伟君

导师：李瑰贤教授

申请学位级别：工学博士

学科、专业：机械设计及理论

所在单位：电机工程学院

答辩日期：2003年5月

授予学位单位：哈尔滨工业大学

摘要

目前，采油生产的主要方式是地面驱动采油，包括游梁式抽油机系统和地面驱动螺杆泵采油系统。随着石油资源的不断开发，原油中含砂等杂质的情况越来越多，而游梁式抽油机对杂质敏感，越来越不适应采油生产的需要。地面驱动螺杆泵采油系统虽可使用，但它由于近千米的抽油杆（重5吨左右）的存在，使得系统不但能量浪费和钢材消耗严重（仅我国就60万吨），而且产生了诸如抽油杆断裂等失效问题，严重影响油田生产。为克服地面驱动采油系统的缺点，近年来，美国等国家提出并研制了井下驱动采油系统一电动潜油螺泵采油（ESPCP）系统。它不但解决了游梁式抽油机的原油敏感问题，而且由于取消了抽油杆，使得该系统效率更高、更可靠、对复杂油井的适应性更广泛，从而成为国际石油机械领域的研究热点。

我国的大部分油田目前处于开采的中后期，采油条件日益复杂，迫切需要这种采油系统。该系统中潜油电机、螺杆泵和保护器现在已经研制成功，但由于此系统对减速器要求非常苛刻（最大直径φ114mm、功率40KW) ，使得减速器部分一直无法实现，从而严重妨碍了该系统的开发和应用，所以，能否成功地研制出该特种减速器就成为此系统能否成功应用的技术关键。

本文根据电动潜油螺杆泵采油系统的特殊需要，创造性地将滚柱活齿传动应用于电动潜油螺杆泵采油系统的减速器中，不仅填补了电动潜油螺杆泵采油系统用减速器的空白，同时还可以适用于对径向尺寸要求苛刻的各种场合，具有很高的实用价值和广阔的发展前景。

滚柱活齿传动作为一种较新的传动形式，很多方面的研究还是空白，所以必须进行一系列的、深入的理论研究。首先根据工作时各构件之间的相对运动关系，建立起活齿中心运动轨迹方程；进而根据啮合理论建立中心轮齿廓方程；对中心轮及活齿的齿廓进行仿真研究；对中心轮齿廓曲线曲率等啮合特性进行研究；对单个活齿和双排结构活齿进行受力分析，基于弹性力学理论和变形协调条件建立起滚柱活齿传动的力学模型；对该减速器的润滑特性进行了深入分析并得出主要啮合表面之间的油膜厚度。

根据传统设计方法初步确定减速器结构参数，采用Pro/ E 软件建立起减速器的三维实体模型并运用有限元理论及ANSYS 软件对其关键件进行有限元力学分析和模态分析；采用虚拟样机技术和ADAMS 软件对减速器虚拟样机进行动态仿真。

为降低减速器的振动水平，对该减速器的扭转振动特性进行了研究。建立起减速器的系统动力学模型及惯性元件和弹性元件的数学模型；用传递矩阵法建立起减速器的系统扭转振动的数学模型，求出了该减速器的固有频率、主振型、模态柔度和势能分布率等动态特性参数。找出了影响减速器动态特性的薄弱环节，为进一步改进设计，提高其动态特性提供了理论依据。

从整个采油系统出发，利用AGREE 法确定出减速器部分应达到的可靠度；建立起减速器的故障树并确定出全部最小割集；采用Monte-Carlo方法对减速器进行可靠性仿真研究，从而得到减速器到达设计寿命时的可靠度、各基本部件的重要度和模式重要度；首次将模糊数学引入滚柱活齿减速器的可靠性分析中，根据模糊数的运算法则及模糊算子AND和OR得到了顶事件的模糊概率的计算公式。

在全面完成样机的静力学、运动学、动力学和可靠性分析的基础上，最后确定样机的结构参数并绘制全套设计图；与哈尔滨飞机制造公司和东安发动机集团合作，加工制造出一台样机。通过对样机进行实验研究，证明其性能指标已达到设计要求。

关键词  滚柱活齿减速器；啮合特性；虚拟样机；扭振动力学；模糊可靠性

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