工學博士學位論文
井下驅動螺桿泵采油系統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、專業：機械設計及理論
所在單位：電機工程學院
答辯日期：2003年5月
授予學位單位：哈爾濱工業大學
摘要
目前，采油生產的主要方式是地面驅動采油，包括游梁式抽油機系統和地面驅動螺桿泵采油系統。隨著石油資源的不斷開發，原油中含砂等雜質的情況越來越多，而游梁式抽油機對雜質敏感，越來越不適應采油生產的需要。地面驅動螺桿泵采油系統雖可使用，但它由于近千米的抽油桿（重5 噸左右）的存在，使得系統不但能量浪費和鋼材消耗嚴重（僅我國就60 萬噸），而且產生了諸如抽油桿斷裂等失效問題，嚴重影響油田生產。為克服地面驅動采油系統的缺點，近年來，美國等國家提出并研制了井下驅動采油系統一電動潛油螺泵采油（ESPCP）系統。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，使得該系統效率更高、更可靠、對復雜油井的適應性更廣泛，從而成為國際石油機械領域的研究熱點。
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，迫切需要這種采油系統。該系統中潛油電機、螺桿泵和保護器現在已經研制成功，但由于此系統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現，從而嚴重妨礙了該系統的開發和應用，所以，能否成功地研制出該特種減速器就成為此系統能否成功應用的技術關鍵。
本文根據電動潛油螺桿泵采油系統的特殊需要，創造性地將滾柱活齒傳動應用于電動潛油螺桿泵采油系統的減速器中，不僅填補了電動潛油螺桿泵采油系統用減速器的空白，同時還可以適用于對徑向尺寸要求苛刻的各種場合，具有很高的實用價值和廣闊的發展前景。
滾柱活齒傳動作為一種較新的傳動形式，很多方面的研究還是空白，所以必須進行一系列的、深入的理論研究。首先根據工作時各構件之間的相對運動關系，建立起活齒中心運動軌跡方程；進而根據嚙合理論建立中心輪齒廓方程；對中心輪及活齒的齒廓進行仿真研究；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構活齒進行受力分析，基于彈性力學理論和變形協調條件建立起滾柱活齒傳動的力學模型；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。
根據傳統設計方法初步確定減速器結構參數，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 軟件對其關鍵件進行有限元力學分析和模態分析；采用虛擬樣機技術和ADAMS 軟件對減速器虛擬樣機進行動態仿真。
為降低減速器的振動水平，對該減速器的扭轉振動特性進行了研究。建立起減速器的系統動力學模型及慣性元件和彈性元件的數學模型；用傳遞矩陣法建立起減速器的系統扭轉振動的數學模型，求出了該減速器的固有頻率、主振型、模態柔度和勢能分布率等動態特性參數。找出了影響減速器動態特性的薄弱環節，為進一步改進設計，提高其動態特性提供了理論依據。
從整個采油系統出發，利用AGREE 法確定出減速器部分應達到的可靠度；建立起減速器的故障樹并確定出全部最小割集；采用Monte-Carlo方法對減速器進行可靠性仿真研究，從而得到減速器到達設計壽命時的可靠度、各基本部件的重要度和模式重要度；首次將模糊數學引入滾柱活齒減速器的可靠性分析中，根據模糊數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。
在全面完成樣機的靜力學、運動學、動力學和可靠性分析的基礎上，最后確定樣機的結構參數并繪制全套設計圖；與哈爾濱飛機制造公司和東安發動機集團合作，加工制造出一臺樣機。通過對樣機進行實驗研究，證明其性能指標已達到設計要求。
關鍵詞 滾柱活齒減速器；嚙合特性；虛擬樣機；扭振動力學；模糊可靠性
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