工學博士學位論文
井下驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)滾柱活齒減速器的研制
博士研究生：楊偉君
導師：李瑰賢教授
申請學位級別：工學博士
學科植锉、專業(yè)：機械設(shè)計及理論
所在單位：電機工程學院
答辯日期：2003年5月
授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學
摘要
目前笛坦，采油生產(chǎn)的主要方式是地面驅(qū)動采油，包括游梁式抽油機系統(tǒng)和地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)函似。隨著石油資源的不斷開發(fā)，原油中含砂等雜質(zhì)的情況越來越多喉童，而游梁式抽油機對雜質(zhì)敏感撇寞，越來越不適應(yīng)采油生產(chǎn)的需要。地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)雖可使用堂氯，但它由于近千米的抽油桿（重5噸左右）的存在蔑担，使得系統(tǒng)不但能量浪費和鋼材消耗嚴重（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咽白，嚴重影響油田生產(chǎn)啤握。為克服地面驅(qū)動采油系統(tǒng)的缺點，近年來晶框，美國等國家提出并研制了井下驅(qū)動采油系統(tǒng)一電動潛油螺泵采油（ESPCP）系統(tǒng)排抬。它不但解決了游梁式抽油機的原油敏感問題，而且由于取消了抽油桿授段，使得該系統(tǒng)效率更高蹲蒲、更可靠、對復雜油井的適應(yīng)性更廣泛策见，從而成為國際石油機械領(lǐng)域的研究熱點镀材。
我國的大部分油田目前處于開采的中后期，采油條件日益復雜蒜材，迫切需要這種采油系統(tǒng)忍具。該系統(tǒng)中潛油電機、螺桿泵和保護器現(xiàn)在已經(jīng)研制成功抖臭，但由于此系統(tǒng)對減速器要求非橙垂郑苛刻（最大直徑φ114mm、功率40KW) 倾伶，使得減速器部分一直無法實現(xiàn)殷感，從而嚴重妨礙了該系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，所以感戴，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)鍵熏迷。
本文根據(jù)電動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應(yīng)用于電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的減速器中，不僅填補了電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)用減速器的空白谐歪，同時還可以適用于對徑向尺寸要求苛刻的各種場合敦间，具有很高的實用價值和廣闊的發(fā)展前景。
滾柱活齒傳動作為一種較新的傳動形式束铭，很多方面的研究還是空白廓块，所以必須進行一系列的、深入的理論研究契沫。首先根據(jù)工作時各構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系带猴，建立起活齒中心運動軌跡方程；進而根據(jù)嚙合理論建立中心輪齒廓方程懈万；對中心輪及活齒的齒廓進行仿真研究拴清；對中心輪齒廓曲線曲率等嚙合特性進行研究；對單個活齒和雙排結(jié)構(gòu)活齒進行受力分析会通，基于彈性力學理論和變形協(xié)調(diào)條件建立起滾柱活齒傳動的力學模型贷掖；對該減速器的潤滑特性進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)計方法初步確定減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)渴语，采用Pro/ E 軟件建立起減速器的三維實體模型并運用有限元理論及ANSYS 軟件對其關(guān)鍵件進行有限元力學分析和模態(tài)分析；采用虛擬樣機技術(shù)和ADAMS 軟件對減速器虛擬樣機進行動態(tài)仿真昆咽。
為降低減速器的振動水平驾凶，對該減速器的扭轉(zhuǎn)振動特性進行了研究。建立起減速器的系統(tǒng)動力學模型及慣性元件和彈性元件的數(shù)學模型鉴梦；用傳遞矩陣法建立起減速器的系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動的數(shù)學模型氛灸，求出了該減速器的固有頻率、主振型逐茄、模態(tài)柔度和勢能分布率等動態(tài)特性參數(shù)剑碌。找出了影響減速器動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)，為進一步改進設(shè)計张域，提高其動態(tài)特性提供了理論依據(jù)孟溯。
從整個采油系統(tǒng)出發(fā)，利用AGREE 法確定出減速器部分應(yīng)達到的可靠度蚪录；建立起減速器的故障樹并確定出全部最小割集呜款；采用Monte-Carlo方法對減速器進行可靠性仿真研究，從而得到減速器到達設(shè)計壽命時的可靠度粤街、各基本部件的重要度和模式重要度剩症；首次將模糊數(shù)學引入滾柱活齒減速器的可靠性分析中，根據(jù)模糊數(shù)的運算法則及模糊算子AND和OR得到了頂事件的模糊概率的計算公式职颜。
在全面完成樣機的靜力學胞饭、運動學、動力學和可靠性分析的基礎(chǔ)上，最后確定樣機的結(jié)構(gòu)參數(shù)并繪制全套設(shè)計圖躬它；與哈爾濱飛機制造公司和東安發(fā)動機集團合作腾啥，加工制造出一臺樣機。通過對樣機進行實驗研究虑凛，證明其性能指標已達到設(shè)計要求碑宴。
關(guān)鍵詞 滾柱活齒減速器；嚙合特性桑谍；虛擬樣機延柠；扭振動力學；模糊可靠性
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