第1章 绪论

1.1 引言

石油是国家经济发展的物质基础，石油开采量是一个国家发达程度的标志。但是随着人类对石油资源的不断开发，新开发的油田和处于开采中后期的油田，抽油条件变得日益复杂。从原油成分来看，仅含水一项，在我国陆上除四川外的19个油区中，由于采用注水开发方式，截至1997年底，综合含水达到82.5%，总体上己处于高含水期。这些综合含水高于80％的油区包括大庆、胜利、大港、中原、河南、江汉等，而这些油区恰恰是我国石油的主要产区，其年产油量占全国的66.4%，己采出可采储量的71.5%，剩余的29.5％可采储量仍占全国的69.6％。也就是说，我国原油的重点产区目前均处于高含水阶段；从原油的粘度来看，我国的稠油资源非常丰富，储量约20亿吨，其中一半以上的特稠油（粘度大于10⁴mPa·S）尚未开采。此外，原油中含砂、含气、含蜡、含胶质、含石膏的情况越来越多，而且含量越来越高，同时，低渗透层原油也不断增多；从油井类型来看，深井、超深井、垂直井、定向井、丛式井、斜井和水平井等高难度油井逐渐增多。油田开采条件的日益复杂化，使得无论是在技术上，还是在经济效益上都要求采油设备能适应恶劣的采油环境。

传统的采油设备主要以游梁式抽油机（图1-la）为主，其由三部分组成：一是地面部分-游梁式抽油机，包括电动机、减速箱和四连杆机构；二是井下部分-抽油泵，它悬挂在套管中油管的下端；三是联系地面和井下的中间部分-抽油杆柱，它由一种或几种直径的抽油杆和接箍组成。游梁式抽油机的优点是结构简单、制造容易、维护方便，缺点是抽油泵排量太小，一般为50～100米³/天。而且该系统含砂敏感，地面驱动部分体积庞大。为了减轻抽油机的重量，人们又开发了无游梁式抽油机，它分为机械无游梁式抽油机和液压无游梁式抽油机两种。它们的共同特点是保留抽油杆和原来的抽油泵，维持有杆泵抽油设备的工作方式。无游梁式抽油机，特别是液压无游梁式抽油机的采用，可以降低抽油杆中的应力和改善它的工作条件，因而扩大了有杆泵抽油设备的使用范围。然而，无论是游梁式抽油机还是无游梁式抽油机，由于其抽油泵固有的结构特点，在抽取含砂、含气、含水、含蜡、含胶质、含石膏的原油、稠油和低渗透层原油时，均无法满足工作要求。

针对这些情况，近年来人们研制了螺杆泵代替原来的抽油泵，开发出地面驱动螺杆泵采油系统（图1-lb）。该系统主要由地面驱动部分和井下螺杆泵两大部分组成，二者采用抽油杆连接，地面电机带动抽油杆旋转使螺杆泵工作。由于螺杆泵定子衬套是用耐油橡胶制成，软而有弹性，一旦砂粒落入螺杆和衬套之间，可被压入橡胶衬套，随着螺杆在衬套内表面的滚动带滑动作用，砂粒很容易被油流带走而不影响螺杆-衬套副的正常工作，所以该系统对含砂原油不敏感，而且结构简单、体积小、占地空间小、使用与调节方便、泵效率高。80 年代初，加拿大Lindbergh-Elkpoint 油田准备投入开发，该地区的原油粘度高达6O00OmPa·s，含砂40％～50%，经过论证，最终采用地面液压驱动单螺杆泵装置。实践证明，这一决策是正确的。几年后，重质油的成功开采带动了该地区经济飞速发展。美国Amoco公司从1991 年开始，在美国南部二叠系盆地高含水油井用螺杆泵进行采油试验，目的是比较在相同或相近井况下螺杆泵、游梁式抽油泵、电潜泵等装置的电力消耗及机械效率，以便优选出这一地区最为经济的人工举升措施。试验结果表明：螺杆泵装置的平均总系统效率达63.4%，比游梁式抽油泵效率高13%，比电潜泵效率高50％。

总之，在稠油井（粘度5O00mPa·S）、含砂井（含砂2.5 %）、大油气比油井( 70Om³ /t）、低产井、中后期水驱油田和少数过去认为没有开采价值的油井的开采中，特别是游梁工抽油机无法正常生产的油井中，地面驱动螺杆泵采油系统在增产节能方面显示出它的巨大优越性。

在螺杆泵的研究和应用方面，国外几个主要的螺杆泵制造应用公司已取得了很大进展，积累了不少成功的经验。目前，加拿大5万口油井中有40%使用螺杆泵采油，前苏联在70年代就开始着手研制螺杆泵，以用于油田采油。80年代中期以来，我国各大油田也相继开发这种技术。目前，辽河、胜利、大庆等油田已广泛应用地面驱动单螺杆泵开采原油，并取得较好经济效益。

但是随着地面驱动螺杆泵采油系统推广规模的扩大，该系统逐渐暴露出各种问题。其中抽油杆失效问题尤为突出，限制了这种采油方式的应用，根据国外资料和国内部分油田使用情况，抽油杆失效类型主要有抽油杆断裂、抽油杆与接箍联接螺纹失效（包括联接螺纹脱扣及螺纹剪切破坏）和抽油杆接头损坏等。

此外，由于抽油杆的轴向窜动大，使得螺杆泵的转子与定子之间间隙增大，从而严重降低了螺杆泵的使用寿命；抽油杆在工作过程中有时承受过载扭矩，作业卸扣时没有使用专用工具，由于卸扣困难而人为锤击，也常造成抽油机损坏；其它诸如光杆密封器漏油、泵停机后再启动困难、油管脱落等故障也经常发生，严重影响油田生产。

针对地面驱动螺杆泵采油系统的缺点，为彻底改变有杆泵抽油设备的工作方式，人们开始研制无杆抽油设备。目前的无杆抽油设备主要包括井下液压驱动单螺杆泵系统和电动潜油螺杆泵（ESPCP）系统。前一种主要由加拿大Corod Manufacturing Inc。( 1 991年被Weatherford International公司收购）生产，国内原沈阳新阳机器制造公司也开发出YLB43×15型井下液压驱动单螺杆泵采油系统，但未能在油田推广使用。后一种除保持了螺杆泵采油的固有优势之外，还能克服地面机械驱动和井下液压驱动单螺杆泵采油系统的缺点，所以引起了业内人士的极大兴趣。目前，美国、原苏联国家、法国、加拿大、罗马尼亚等国家均己采用了电动潜油螺杆泵采油系统，其中以原苏联数量最多，共有单螺杆、双螺杆和三螺杆等3种形式，其电动潜油单螺杆泵采油系统为上下2个左右旋转子并联。法国PCMPompes公司生产的电动潜油单螺杆泵（Moineau泵）采油系统则采用了4个相同的单螺杆泵串联或上下2组左右旋单螺杆泵并联结构。美国生产电动潜油单螺杆泵的厂家主要有Schlumberger Reda Pump 公司和Baker Hughes Centrilift 公司，基本上代表了目前世界上机械采油设备的最高水平。

电动潜油螺杆泵（ESPCP）采油系统（图1-2）的最大特点是不需要抽油杆传递动力，并将驱动部分放入井下，使得整个采油系统的结构非常紧凑，具有广泛的适应性。不但适用于开采条件好的油井，同样也适用于深井、定向井、丛式井、斜井、水平井等高难度油井。由于该系统省去了近千米的抽油杆，所以不但极大地降低了生产成本，从根本上克服了抽油杆带来的一系列缺陷，还缩短了传动链，减少了功率损失，提高了系统效率，消除了由于光杆密封磨损造成的井口渗漏，解决了油管“反转”的安全问题，极大地延长了油管、螺杆泵的使用寿命和油井的连续生产时间，并且扩大了泵在不同开采条件下的参数调节范围。

1-地面；2-油管；3-电缆；4-电源；5-螺杆泵；6-减速器；7-潜油电机；8-保护器；9-套管
图l-2 电动潜油螺杆泵（ESPCP）采油系统示意图

总之，电动潜油螺杆泵（ESPCP）采油系统有着良好的发展前景，它可以节约大量资源（不含抽油杆，全国5万台抽油机可节约60万吨钢材）、节约大量能源（有杆抽油设备的功率有相当一部分消耗在往复提取6吨多重的抽油杆上）、广泛适应各种复杂油井、广泛适应高粘稠、高含水、含砂的油田等，是一项提高油田开发的经济效益和社会效益的重大科研课题。

1.2 课题研究的目的和意义

电动潜油螺杆泵采油系统虽然有很多优点，但目前在技术上还不够成熟。主要存在的问题包括单螺杆泵低转速高扭矩的动力输入要求与现有潜油电机高转速低扭矩输出的矛盾和由于螺杆泵定子橡胶失效而导致的螺杆泵寿命过短问题。对于螺杆泵定子橡胶失效的问题，主要是由于定子橡胶的耐油气浸性能、耐温性能、抗磨性能以及抗疲劳老化性能不过关所致，可以通过恰当地配伍橡胶成分来满足工作环境对定子橡胶的机械物理化学性能的要求。而对于单螺杆泵的动力输入要求与潜油电机的实际输出之间的矛盾，原则上可通过2个途径加以解决：改造潜油电机以降低潜油电机的转速或者采用潜油电机加上减速器的结构形式。对于降低潜油电机转速而言，可以用降低电源效率和改变电机定子磁极数的方法。目前，美国Baker Hughes Centrilift 公司采用地面速度控制器，在地面提供50Hz 、60Hz 两种电源频率，其对应电机转速分别为2917rpm 、3500rpm；此外还有Wood Group ESP 公司的Logixl 100 频率控制器等，但这种方法的电机输出转速仍然较高。如果采用改变电机定子磁极数的方法，对于2 、4 、6 极潜油电机在电源频率60Hz时的转速分别为3500rpm 、1700rpm 和1000rpm； 若使潜油电机输出转速达200～300rpm，则必须采用16 极电机（定子），就目前的电机制造技术而言难度较大。所以较为合理的方案应是采用潜油电机和减速器的结构形式。资料表明，美国Baker Hughes Centrilift 公司和Schlumberger Reda Pump 公司都采用这种方式，其最大优点在于能在降低电机转速的同时提高单螺杆泵的输入扭矩。Baker Hughes centrilift 公司生产的电动潜油单螺杆泵ESPCP^TM采油系统自下而上由潜油电机、齿轮减速器、密封保护器、挠性轴、吸入口以及单螺杆泵组成。该公司于1992年末开始研制开发，起初研究的几种齿轮减速器装置效果较差，通过与具有齿轮设计专长的公司进行合作，目前已经开发有两级行星齿轮减速器的系列产品，表1-1给出了在不同减速比下两极电机的输出转速。

表l—1 Centrilift 齿轮减速器输出转速

Schlumberger Reda Pump公司生产的电动潜油单螺杆泵采油系统简称为PCSPS, 自下而上由潜油电机、保护器、REDA/NAMCO 行星齿轮减速箱、挠性联轴器（Gearbox Flex Drive）以及单螺杆泵组成。其中REDA/NAMCO 行星齿轮减速器和挠性联轴器的相关参数如表1-2。

表1-2 Reda Pump 齿轮减速器相关参数

显然，无论是从电机制造技术，还是从经济成本的角度来看，采用“潜油电机＋减速装置”的方案都是最佳方案。目前，我国尚无技术成熟、性能可靠的电动潜油螺杆泵采油系统，各大油田已经或正准备着手进行这方面的研究工作，从目前的实际情况看，潜油电机已经有较为成熟的产品，螺杆泵定子失效问题也可解决，所以电动潜油单螺杆泵采油系统能否成功应用关键就在于减速器的合理设计。

从机械传动理论的角度看，单螺杆减速器、一般定轴轮系、牵曳传动、正旋滚道活齿传动、谐波齿轮传动、2K-H 类NGW型行星轮系、少齿差行星轮系及滚柱活齿传动都可以实现同轴减速传动，但因井下油层套管内径的严格限制（φ114mm) ，实际上使得减速器传动方式的选择受到了很大局限。

单螺杆式减速器具有加工精度要求低、径向尺寸小等优点，但这种减速器的螺杆和衬套磨损严重、寿命低，螺杆和衬套的加工需要专用机床，不适合作井下螺杆泵驱动，因而没有进行井下实际操作检验。

一般定轴轮系齿轮传动受径向尺寸及单级传动比的限制，很难经过一级减速达到预定的减速比。

少齿差行星轮系包括目前工程上广泛使用的渐开线少齿差行星传动、摆线针轮行星传动等。该种结构的减速器具有承载能力大、体积小、传动精度高、传动效率高等特点。但其传动比较大（单级传动通常为50～100 ) ，而电动潜油单螺杆泵采油系统需要的传动比为10左右，所以也不适合。

滚柱活齿传动具有体积小、结构紧凑（体积仅为同功率、同传动比的齿轮传动的1/ 3，蜗杆传动的1/2）、多齿啮合、承载能力高（比同传动比的齿轮传动和蜗杆传动高5～6倍）、传动平稳、传动效率高（随传动比的增加而降低，在95％～70％之间）等优点。

综上所述并结合油田需要，本课题确定滚柱活齿传动作为该减速器的传动方式，设计要求：传动比i=9 ，最大径向尺寸φ114mm，工作井深1000m。

1.3 国内外活齿传动的发展概况

活齿传动，全称为“活齿少齿差行星齿轮传动”，是一种由K-H-V 型少齿差行星齿轮传动演化而成的一种新型齿轮传动。它的特点是固定轮上的齿形制成圆弧或其他曲线，行星轮上的各轮齿改用单个的活动构件（如滚柱）代替，而这些构件分别置于输出轴上沿周向分布的槽孔中，当主动偏心构件（波发生器）驱动时，它们将在槽孔中活动，故称为“活齿”。常见的活齿传动分为推杆活齿传动（图1-3a）、滚柱（钢球）活齿传动（图1-3b）、套筒活齿传动（图1-3c）、摆动活齿传动（图1-3d）等。活齿结构形式最初是由德国人于30 年代提出的，40 年代德国将活齿传动技术应用于汽车的转向机构中。60 年代前后，美国、前苏联、英国、联邦德国等国都先后开展了研究工作。前苏联研究了“柱塞传动”（活齿传动的一种型式），提出了它的运动分析和力分析的计算方法。美国学者提出了推杆活齿减速器传动装置，分析了传动原理，对传动比和作用力进行了计算，分析了其传动性能。英国推出了“滑齿减速器”。80年代，前苏联学者HLHATHIIIeB.P.M推出了另一种活齿传动形式即“正旋滚珠传动”，并研究了正旋滚珠活齿传动的啮合理论、强度特性、走和性能等。前苏联还将正旋滚珠减速器用于石油钻探中，成功地解决了涡轮钻具转速过高的难题。英国也曾对活齿传动减速器进行了系列生产，单给传动的传动比为20～80，效率为86%～87%，也有双级和三级传动，功率N＜25马力。80年代才真正开始的，1986年北京航空学院陈仕贤教授提出了推杆活齿针齿轮减速机，其结构与样机于同看获日内瓦国际发明博览会金奖。1987年，周有强教授等人提出了套筒活齿少齿差传动并申报了国家专利。麻彪对套筒活齿少齿差传动提出了一种改进的结构方案。1988年曲继方教授提出了轴向活齿传动的一种结构形式及齿形设计方法，同时提出了另一种新型活齿传动装置-摆动活齿减速机并申报国家专利。90年代，江阴东亚减速机厂的严明工程师提出了一种新结构活齿传动-移位滚柱减速机，该项技术获国家专利并在全国发明博览会和北京国际博览会上均获得银奖。此外，我国学者还获得了滚道减速机（CN 86 200768U）、密切圆活齿传动、变速传动轴承（CN 85 200923U）等多种专利技术。

我国在活齿传动理论的研究方面也取得一系列可喜的成果，在学术刊物和学术会议上发表了一些有关活齿传动的学术论文。其中燕山大学曲继方教授总结了自己发表的系列文章，编写了活齿传动领域唯一一部专著《活齿传动理论》，书中利用机构学中转化机构法、等效机构法、滑滚替代法及机构演化等研究各种活齿传动的运动学、结构综合、齿形综合、加工制造等一系列理论和应用内容，是一部较全面系统地研究活齿传动的著作。西安交大刘生林研究了摆动活齿减速器的结构和工作原理，进行了运动学分析，推导出了内齿圈齿廓方程式，还对工作齿数和工作区域等问题进行了研究。刘生林在其博士论文中还集中研究了推杆活齿减速器的计算机辅助设计方法及其优化设计。四川大学梁尚明研究了摆动活齿传动的强度、运动学啮合刚度、模糊优化设计等方面的内容。张以都等研究了套筒活齿的应力数学模型、计算方法和多齿受力分析。燕山大学安子军等运用齿轮啮合原理研究了摆动活齿传动的内齿圈齿形综合问题，给出了实际齿形方程式和啮合线方程，根据误差理论，研究了摆动活齿传动的主要结构参数及其误差对齿形的影响。沈阳工业学院的丁茹研究了摆动活齿传动中摆动活齿啮合副的滑滚情况，并用机械原理方法和啮合原理方法分别推导出摆动活齿、内齿圈啮合副滑动率方程式，将摆动活齿传动共轭齿廓的滑动率与推杆式活齿传动共轭齿廓的滑动率进行了分析比较。江汉石油学院黄清世等推导了推杆活齿传动内齿轮理论廓线齿顶曲率半径的计算公式，指出内齿轮的齿数和偏心轮的偏心距越小，内齿轮的齿顶曲率半径就越大。沈阳工业大学范高潮等从活齿传动的原理上对各种不同的运动副组合方案进行了探讨和对比。燕山大学孙国庆等利用弹流润滑理论，推导了常温下外波式活齿减速器活齿与波形轮接触处油膜厚度公式，为进一步研究该类减速器的润滑机理和工作性能提供了理论根据。广东工业大学阳林等提出了可满足最大重合度、最小压力角和最佳受力条件三个目标的参数优化方法。大连机床厂张才富等研究了外波式活齿传动，推导出作用在活齿上诸力之间的关系式和接触强度计算公式，得出啮合力的作用曲线。

总之，国内外对于活齿传动的研究主要集中在结构理论、运动学、啮合理论和啮合性能（如重合度、滑动率）等方面，并取得了一些研究进展，但对其可靠性、动力学等方面的研究还是空白。

1.4 国内外石油钻采装备的可靠性应用现状

近四十年来，俄罗斯、美国、德国等国逐渐将可靠性设计理论和方法应用到石油天然气工业的许多技术领域，研究的范围广且系统性强。早在60 年代末，原苏联就开始以石油天然气工业中设备综合可靠性指标的评定作为主要目标，开始了系统的研究工作。其中包括：对设备进行故障调查，确定可靠性指标；对机械设备的主要零部件进行大量的可靠性寿命试验，积累了大量的可靠性数据，进而不断地改进设计，使产品性能不断提高；制定了石油设备可靠性的评定规范，对石油设备的可靠性工作作出了较大贡献。美国将可靠性和质量保证融合在一起，将可靠性作为质量保证的一个重要组成部分，在质量保证的每个阶段中，加强了可靠性的概念和方法的应用。美国的可靠性标准，多为企业内部标准，在产品设计时一般以设计标准、设计规范和故障预防手册三者为基本资料。故障预防手册是将产品故障的模式、发生情况、原因、对策、再发预防措施等汇编成册，作为重要的设计资料。如出现新的重要故障要开展充分调查，进行故障再现试验，验证故障机制，在故障对策和再发预防措施研制成功后，列入预防手册。对一些规律性的故障反馈分析后，还及时修改设计标准和规范，保证在设计时能预防所有可能出现的故障。许多美国大公司的可靠性数据主要来自使用现场，通过建立索赔情报、故障报告、监测和调查报告为主体的计算机数据收集和反馈系统，随时掌握故障的发展趋势。

我国在石油机械工程中开展可靠性技术的应用研究始于80 年代，主要研究了钻机零部件、金属结构静、动态的可靠性设计方法。在没有试验数据情况下，按正态分布或指数分布假设，分析了产品零部件的可靠性，并从系统角度，初步探索了钻机可靠性分析和设计方法。但是，由于缺少经费、缺少试验、缺少数据，我国钻采机械的可靠性研究总体上还处于比较落后的状态，理论探讨少而实际应用更少，阻碍了钻采机械质量的提高。

目前我国钻采机械的最大弱点是可靠性差。虽然我国钻采机械的产品标准己形成较完备的体系，从整机到各主要零部件，从设计到制造，从试验到安装维护都有各类标准对产品质量进行控制，但唯独没有可靠性指标，在钻采机械设计规范中也没有提及这方面的内容，对钻机在规定的时间内和规定的条件下完成规定功能的能力没有指标约束。由于缺乏对可靠性这一主要质量特征的控制，致使我国的钻采机械产品与世界先进水平存在着很大的差距，而国际市场上，产品竞争的焦点是产品可靠性的高低，所以提高我国石油钻采机械的可靠性已经刻不容缓。

1.5 机械模糊可靠性的研究现状

随着各种新型复杂系统的建立和工程项目的实施，常规可靠性设计理论与工程实践的矛盾日益突出。通过分析，人们认识到常规可靠性设计理论是以二值逻辑为基础的，其认为系统总是处于能满意地完成其预定功能的完好状态和不能完成其预定功能的故障状态两者之一，只是系统处于何种状态是随机的，而实际工程系统中，许多失效形式如疲劳断裂、磨损、腐蚀及蠕变等，都是由于损伤累积引起性能下降最终导致故障，系统从完好状态到故障状态是由一系列中间状态相互联系、相互渗透、相互转化的，这种中间过渡状态既不是完全“完好”，也不是完全“故障”，而是呈现“亦此亦彼”的模糊状态。另外，机械可靠性设计所需的大量的统计数据常常要设计人员依靠经验，根据实际情况加以判断、选择，而人的经验属于模糊性的范畴，难以用随机方法加以描述。

面对常规可靠性设计理论所处的困境，需要有一种即能描述系统的复杂性和模糊性，又能将设计人员的经验定量表示出来，从而能正确描述系统可靠性真实状态，给出相应的可靠性设计与分析的数学工具，这种数学工具就是模糊数学。将模糊数学应用于机械可靠性设计中，就形成了机械模糊可靠性设计这一学科，它是常规可靠性设计理论的发展和延伸，而常规可靠性设计理论是模糊可靠性设计理论的基础和依据。

1975 年Kanfmann.A 首先将模糊数学引入可靠性中，从而提出了模糊可靠性的概念，而对于机械模糊可靠性的研究始于80 年代中期。迄今为止真正获得的研究成果主要在论述模糊可靠性设计理论的必要性，通过扩展常规可靠性指标，获得模糊可靠性的主要指标，即模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率、模糊平均寿命等的计算公式方面。主要成果如下：

(1)较系统和客观地阐述了建立模糊可靠性设计理论的必然性。Brown CB用模糊集理论来表示结构的可靠度，TanakaH 等应用了模糊概率的概念。文献讨论了常规可靠性缺陷的根源在于常规可靠性是建立在概率论基础之上的，只能解决随机问题，对模糊性问题无能为力，并从可靠性的定义出发，说明了其包括的内容（对象、条件、时间、功能和能力）本身就是模糊的概念，因而利用语言算子将可靠性分为模糊事件精确概率、清晰事件模糊概率、模糊事件模糊概率。文献对常规可靠性理论进行了批判性评述，讨论了模糊可靠性理论的产生、发展及应用前景，研究了常规可靠性理论的二值逻辑假设和概率假设的不合理性，讨论了由于工程系统内部结构和机理的复杂性以及人们认识上的局限性而带来的不确定性，从而引起常规可靠性理论的计算结果与实际情况不一致的现象时有发生，作者认为这些不确定性主要表现在以下几个方面：试验条件与实际系统所处的自然条件不完全一致，试验手段客观条件的限制而造成测试结果的不完全正确等试验分析带来的不确定性；用有限样本代替无限样本等统计分析带来的不确定性；力学分析、结构分析等简化假设带来的不确定性；分析计算模型与实际情况不完全吻合，设计中的差错等带来的不确定性；一些对系统的可靠性有影响，但人们尚未认识到的因素带来的不确定性。由于这些不确定性多数是未知的、无法量化的或信息不全的，因此这些不确定性并不能都归结为随机问题处理，但人们又必须在这些条件下进行决策和设计，此时常规可靠性设计理论不能解决问题，而采用模糊可靠性设计方法是一种必然的趋势，该方法也将发展成为一种较有效的设计理论。其他这方面的研究还有文献等。

(2)建立了模糊可靠性的主要指标。通过将常规可靠性的主要指标，如可靠度、失效概率、故障率、平均寿命等的延伸和扩展，文献在文献的基础上，详细讨论了模糊可靠性的主要指标模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率、模糊平均寿命等的具体计算公式；文献讨论了将寿命模糊化后，模糊可靠性指标的计算方法。文献详细讨论了将清晰工作时间拓展到模糊工作时间时的可靠性指标的计算方法；文献详细讨论了清晰功能拓展到模糊功能时的可靠性指标的计算方法。这些研究将模糊数学应用于可靠性设计中，拓展了常规可靠性的研究范围，为模糊可靠性的研究开辟了有益的途径。

(3）对系统的模糊可靠性分析。利用上述建立的模糊可靠性的概念和模糊可靠性指标的计算方法，对系统的模糊可靠性分析进行了研究。如文献研究了并联系统的模糊可靠性，文献研究了表决系统的模糊可靠性，文献研究了转换完全可靠的旁联系统的模糊可靠性，文献研究了转换不完全可靠的旁联系统的模糊可靠性，文献研究了复杂系统的模糊可靠性，文献利用模糊概率对系统可靠性进行分析，文献将模糊集合论引入到故障树分析中，扩大了模糊重要度的应用范围。文献讨论了用区间数来进行模糊系统可靠性分析的方法，文献以Bellmann 、Goguen 、Dubois 和Prade 、Zimmermann等人的研究成果为基础，将模糊集理论引入故障树分析中，把故障发生概率描述为一模糊数，导出了与“与门”及“或门”相应的模糊算子，提出了系统模糊故障树的分析方法。文献讨论了组成系统的单元具有不同隶属函数时系统模糊可靠性分析方法。文献讨论了同时考虑模糊性和随机性时系统可靠性的分析方法。这些研究拓广了利用常规可靠性理论研究系统可靠性的方法。

(4）结构或零部件模糊失效概率和模糊可靠度的计算。这方面的内容是模糊可靠性设计理论的重要组成部分。因为零部件失效概率和可靠度的计算原理和方法是模糊可靠性设计理论之根本，也是模糊可靠性设计从理论走向实用之基础，这方面的研究将为机械设计中如何定量处理模糊现象，如何使定量处理的模糊现象可供设计使用指明方向。目前的主要成果包括：文献提出了应力的许用范围是一个具有过渡性边界的模糊区间，也就是说从绝对允许到绝对不允许之间有一个中间过渡阶段。文献讨论了在数据资料不足，只能利用一些不确定的或模糊信息时，用模糊集合描述应力和强度的方法，讨论了设计变量是随机变量和模糊变量的组合时，计算可靠度的一般方法，并给出模糊变量具有正态型隶属函数，而随机变量服从正态分布时可靠度的计算公式。文献讨论了将广义应力处理为随机变量，广义强度处理成带有模糊边界的中间过渡区时，模糊可靠性分析的方法，由于考虑了模糊边界，计算的可靠度较常规可靠性设计方法计算的要大，因而更为合理、经济、实用。文献讨论了将许用变形处理成带有模糊过渡区时轴类零件刚度的模糊可靠性设计。文献讨论了随机变量和模糊变量组合时，机械强度的模糊可靠性设计。文献介绍了随机变量和模糊变量组合时，机械零件耐磨性的模糊可靠性设计。文献讨论了用Monte Carlo随机模拟法来模拟机械模糊可靠性。文献讨论了应力和强度均为模糊变量时，运用模糊数的运算法则，用零件的失效可能性程度来衡量零件强度的方法。文献讨论了随机变量的均值和标准差为模糊变量时的失效概率的计算方法。

在存在模糊信息时，文献中讨论的失效概率或可靠度的计算方法是较重要的。其他文献中讨论的方法及其在机械设计中的应用，如螺栓、键、轴和弹簧等的模糊可靠性设计，其基本原理和方法均来自上述文献，处理方法大同小异。

在其他方面，文献用可能性的概率代替普通概率的概念，提出了基于可能性概率的模糊可靠性概念；文献基于可能性理论，讨论了具有两种失效模式的系统的模糊可靠性分析方法，并导出了对串联系统、并联系统、表决系统分析的一些重要结论。对利用模糊矩阵进行失效模式和效应分析，利用模糊数学方法进行故障诊断，利用模糊数学方法对系统进行可靠度最优分配和对系统可靠度进行预测，对系统维修性进行模糊分析等等也进行了研究。

从总体上看，模糊可靠性理论目前还处于探索阶段，尚未形成完整的理论，还不足以指明明确的研究方向及对工程应用的指导意义。事实上，撇开如何将模糊现象以较规范的形式定量化处理（象常规可靠性理论那样获得随机变量的分布概型和统计参数）以及定量化处理的难度不谈，即使在模糊现象己定量化处理后，现有的模糊可靠性设计理论仍没有适当而完整的方法分析和计算零部件和系统的可靠性。

1.6 本文主要研究内容

本课题的研究内容是根据油田生产需要，设计并加工制造出传动比i=9 ，最大径向尺寸φ114mm，工作井深1O00m 的电动潜油单螺杆泵（ESPCP）采油系统用滚柱活齿减速器，并对其进行理论分析和实验研究。因此，本学位论文的研究主要包括以下几个方面的内容：

1．滚柱活齿传动啮合特性及润滑状态的研究建立活齿中心运动轨迹方程及中心轮齿廓方程；研究活齿中心运动轨迹曲率的特点：根据变形协调条件，建立滚柱活齿传动的力学模型并进行求解：分析滚柱活齿传动的润滑状态，并求解波发生器与活齿之间的油膜厚度。

2．电动潜油螺杆泵（ESPCP）采油系统特种减速器的设计针对电动潜油螺杆泵（ESPCP）采油系统的具体技术要求，结合运动条件和强度条件，初步确定滚柱活齿减速器的结构参数；利用三维实体建模软件Pro/E 建立样机的三维实体模型；采用有限元理论和大型有限元分析软件ANSYS 对初步设计的减速器样机进行结构静力学和模态分析以进一步确定结构参数；采用虚拟样机技术对初步设计的样机进行仿真研究，以验证其结构参数的可行性。

3．滚柱活齿减速器系统扭振动力学分析根据减速器的具体设计结构，建立系统扭振动力学分析模型，并编制相应程序对其进行动态特性分析，找出结构中影响系统动态特性的薄弱环节，为进一步改进结构，使之具有良好的动态特性提供理论依据。

4．滚柱活齿减速器系统的模糊可靠性研究由于减速器的可靠性直接影响采油系统工作的连续性及生产成本，所以本文拟对该减速器的可靠性进行研究。首先对整个电动潜油螺杆泵采油系统的可靠性指标进行分配，确定系统各组成部分的可靠度；建立减速器的故障树并进行定性和定量分析；进行基于故障树分析的系统可靠性数字仿真研究；将模糊数学引入故障树分析中，研究滚柱活齿传动系统的模糊可靠性。

5．电动潜油螺杆泵采油系统用减速器样机的加工制造及实验研究 在最终确定的结构参数的基础上，利用CAXA2000 软件完成该减速器的装配图和全部零件图的绘制工作，加工制造一出一台样机。为验证减速器样机的性能，结合实验条件，在实验井上拟对其进行振动实验研究。

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