直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置設(shè)計（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）
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本科畢業(yè)設(shè)計
開題報告
題 目直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置設(shè)計
一、選題依據(jù)
課題來源、選題依據(jù)和背景情況；課題研究目的、學(xué)術(shù)價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值
在世界諸多能源中，石油資源是最重要的能源之一，具有能量密度大、運(yùn)輸儲存方便、燃燒后對大氣的污染程度較小等優(yōu)點。經(jīng)過石油化工提煉的汽油、柴油等燃料油是運(yùn)輸工具、冶金工業(yè)等工業(yè)的主要燃料。以石油為原料的液化氣和管道煤氣已經(jīng)成為城市居民生活必不可少的優(yōu)質(zhì)燃料。石油制品還廣泛地用作各種機(jī)械的潤滑劑，瀝青是公路和建筑的重要材料。石油化工產(chǎn)品廣泛地用于農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)、紡織工業(yè)以及醫(yī)藥衛(wèi)生等部門，如合成纖維、塑料、合成橡膠制品，已成為人們的生活必需品。飛機(jī)、坦克、艦艇以及航天器，也需要大量的石油燃料。因此，石油資源不僅是一個國家重要的經(jīng)濟(jì)命脈，而且是一個國家重要的戰(zhàn)略物資。
石油是深埋在地下的流體礦物，在開采石油的過程中，采用油氣從儲層流入井底，又從井底上升到井口的驅(qū)動方式。石油從地下到井口采用的驅(qū)動方式也是多種多樣的，有游梁式抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、電潛泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、螺桿泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)等。在各種驅(qū)動系統(tǒng)中又有多種不同的驅(qū)動方式，所以開采和驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。
螺桿泵是近幾年來迅速發(fā)展的一種節(jié)能、高效的新型機(jī)械采油設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，它比游梁式抽油機(jī)節(jié)電綜合率高達(dá)30%，價格是游梁式抽油機(jī)的1/3。特別適合高粘稠油及高含氣、高含砂、高含水油田的原油開采，能有效地克服氣鎖、砂卡等現(xiàn)象。近幾年，螺桿泵采油技術(shù)在國內(nèi)外油田得到了快速發(fā)展，在開采不同類型油藏以適應(yīng)搶、能耗低、泵效高、占地面積小、適應(yīng)高含砂井和地產(chǎn)油井以及稠油開采等技術(shù)優(yōu)勢，在油田開發(fā)生產(chǎn)中起到了越來越重要的作用。但如何提高螺桿泵驅(qū)動系統(tǒng)的效率和增強(qiáng)保護(hù)控制成為了一個急需解決的問題。
螺桿泵地面驅(qū)動裝置是螺桿泵采油系統(tǒng)中的動力輸出設(shè)備。目前國內(nèi)各油田所使用的螺桿泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)多是定速驅(qū)動裝置，由單速或雙速電機(jī)經(jīng)皮帶輪作減速傳動，經(jīng)傘形齒輪驅(qū)動光桿帶動螺桿泵工作。此類裝置起動轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)動沖擊慣性大、不完全適應(yīng)螺桿泵起動時的需要。因為螺桿泵主要用于開采重油，要求起動負(fù)荷大，因此需要一個低轉(zhuǎn)速、大扭矩的驅(qū)動裝置來驅(qū)動井下泵運(yùn)轉(zhuǎn)。若按正常運(yùn)轉(zhuǎn)時所需的轉(zhuǎn)矩選擇功率，就會出現(xiàn)因功率小起動困難或無法起動；若按起動轉(zhuǎn)矩選擇裝置時，在長期生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，又會嚴(yán)重浪費能源，不能為螺桿泵提供一個合理的轉(zhuǎn)矩參數(shù)。另外，現(xiàn)有裝置不能有效地適應(yīng)不同狀態(tài)的油井使用，而且同一口油井的負(fù)荷在生產(chǎn)過程中隨著地層壓力的改變又在不斷變化，固定的轉(zhuǎn)速不方便調(diào)整參數(shù)來適應(yīng)不同的油井、不同開采使其的實際生產(chǎn)需要，還容易是井下的泵收到損壞（如會出現(xiàn)泵內(nèi)五液空轉(zhuǎn)，發(fā)生干磨而損壞螺桿泵定子等事故），而且皮帶和齒輪的傳送，在運(yùn)行中要消耗大量的能量。目前油田螺桿泵采油系統(tǒng)存在下列不足：一是機(jī)械傳動效率偏低、系統(tǒng)效率不高；二是起動轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動沖擊慣性大，容易斷桿；三是調(diào)參困難，不易調(diào)速、不易于維護(hù)和監(jiān)控各種生產(chǎn)參數(shù)；四是螺桿泵驅(qū)動匹配裝置過大，能耗大；五是卸扭技術(shù)差，容易反轉(zhuǎn)脫扣或其他事故；六是自我保護(hù)能力差，維護(hù)工作量大。
直驅(qū)式螺桿泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要研究如何提高驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性及如何滿足螺桿泵在不同工況下對驅(qū)動系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動光桿，無需其他傳動機(jī)構(gòu)；實現(xiàn)螺桿泵驅(qū)動電機(jī)的電壓、電流保護(hù)，控制電機(jī)的輸出扭矩；實現(xiàn)電機(jī)的軟啟動；實現(xiàn)抑制式軟剎車停止方式；實現(xiàn)無級變速調(diào)速控制方式；實時監(jiān)視螺桿泵的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。整個系統(tǒng)是利用控制器的電量參數(shù)分析螺桿泵運(yùn)行時的狀態(tài)，實時監(jiān)控螺桿泵的運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)螺桿泵運(yùn)行系統(tǒng)的安全、集中、智能化的管理。形成先進(jìn)的無機(jī)變速驅(qū)動系統(tǒng)與螺桿泵的完美結(jié)合，把螺桿泵采油工藝技術(shù)提高到一個新的水平。
二、文獻(xiàn)綜述
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)；查閱的主要文獻(xiàn)
石油是重要的能源，日常經(jīng)濟(jì)生活，工業(yè)生產(chǎn)，航空軍工都需要石油作為能源和原料。經(jīng)過石油分離出的汽油、瀝青等化工產(chǎn)品廣泛應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｉ钪小?
到2010年中國的石油需求達(dá)到380Mt左右，而國內(nèi)可提供的室友資源量為190Mt左右，因此中國石油對外依存度將增長約50%。專家甚至預(yù)言，由于中國石油產(chǎn)量不可能大幅增長，今后新增的石油需求量幾乎要全部依靠進(jìn)口，到2020年前后，我國石油進(jìn)口量有可能超過300Mt，成為世界第一大油品進(jìn)口國。
但是與此同時也不能不看到，我國的石油供應(yīng)安全不僅會受到與供應(yīng)安全鏈緊密相關(guān)的國家或地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)和軍事事態(tài)發(fā)展的影響，而且會受到大國的競爭和擠壓。因此，對石油安全的關(guān)注正在成為影響我國外交政策和戰(zhàn)略方針的重要因素。我國政府正在調(diào)整原油進(jìn)口的渠道，拓寬其來源，并且有計劃地增加石油儲備。總之，我國對中東石油依賴度的增加，是我國的石油安全受到威脅，同時也考驗了我國處理國際事務(wù)的能力。
我國是人口大國，一方面平均擁有石油資源少，另一方面石油采收率不高，由于技術(shù)落后，開發(fā)過程中破壞性開采比較嚴(yán)重。我國陸上油田一般采用常規(guī)的地下注水方式開發(fā)，平均采收率只有30%左右，仍有大量的儲量滯留在地下，而對那些低滲透油田、斷塊油田、稠油油田等來說采收率更低些，有的采用電加熱和化學(xué)試劑驅(qū)動等諸多方式來提高采收率，因而提高原油采收率是面臨的關(guān)鍵問題。
石油開采方式有自噴式采油和機(jī)械采油，自噴式采油是由于地下含油層壓力較高，憑其自身壓力就可以是原油從井口噴出的采油方式。機(jī)械采油則是利用各種類型的泵把原油從井中抽出。目前我國石油開采以機(jī)械采油為主。不同的地質(zhì)情況不同的油品性質(zhì)采用不同的機(jī)械開采方式。國內(nèi)機(jī)械采油裝置主要分有桿泵和無桿泵兩大類。有桿泵地面動力設(shè)備帶動抽油機(jī)，并通過抽油機(jī)帶動深井泵。無桿泵不借助抽油機(jī)來傳遞動力的抽油設(shè)備。目前無桿泵的種類很多，如水力活塞泵、電動潛油離心泵、射流泵、振動泵、螺桿泵等。
圖1 常規(guī)機(jī)械采油
螺桿泵采油作為一種新興的人工舉升方式，投資少、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、節(jié)能效果明顯以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點，能有效降低采油成本，提高采油效益，具有抽油機(jī)柱塞泵、潛油電泵、水力活塞泵等機(jī)采方式無法比擬的優(yōu)點而備受國內(nèi)外油田重視。與其他人工舉升方式相比，螺桿泵低投資、低能耗、對介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢在油田高含水期挖潛增效的作用日益凸顯。
圖2 螺桿泵工作原理圖
以大慶油田為例，“十一五”以來，隨著以螺桿泵為代表的低能耗舉升方式的不斷發(fā)展與完善，大慶油田加大了螺桿泵應(yīng)用力度。一是在產(chǎn)能新井上，共應(yīng)用螺桿泵1611口，占投產(chǎn)新井總數(shù)的15.5%；二是結(jié)合舉升方式調(diào)整轉(zhuǎn)換，實施抽油機(jī)、電泵轉(zhuǎn)螺桿泵1080口。螺桿泵井?dāng)?shù)由2005年的2001口增加到2009年5714口，占機(jī)采井?dāng)?shù)比例有5.0%提高到9.5%。年耗電量約占采油生產(chǎn)耗電的十分之一，已逐漸成為油田主要耗能設(shè)備。
為貫徹國家節(jié)能減排的目標(biāo)，降低機(jī)采井能耗已勢在必行。在能源供應(yīng)緊張、節(jié)能減排形式十分嚴(yán)峻的今天，開發(fā)應(yīng)用機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)不但有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還有這重大的社會效益。
驅(qū)動技術(shù)伴隨著開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步得到了快速發(fā)展，經(jīng)歷了從游梁式抽油機(jī)、電潛泵抽油機(jī)、螺桿泵抽油機(jī)等幾種不同的采油設(shè)備。采油系統(tǒng)使用過的采油設(shè)備種類繁多，根據(jù)采油方式的不同，主要有以下幾種：游梁式抽油機(jī)，電潛泵抽油機(jī)、螺桿泵抽油機(jī)、高原機(jī)。螺桿泵用于原油開采近二十年，按照驅(qū)動方式分為潛油電動螺桿泵和地面驅(qū)動井下螺桿泵抽油機(jī)。螺桿泵地面驅(qū)動裝置根據(jù)其驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)不同又分為螺桿泵直接驅(qū)動方式和螺桿泵測驅(qū)方式（傳統(tǒng)式螺桿泵驅(qū)動方式）。目前油井上普遍使用常規(guī)電驅(qū)動螺桿泵地面驅(qū)動裝置采用異步電機(jī)作為原動機(jī),通過皮帶輪和錐齒輪減速機(jī)構(gòu)減速后驅(qū)動抽油桿柱。這種驅(qū)動裝置雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械效率高、占地面積小等優(yōu)勢,但在實際使用中仍存在一些問題, 如中間減速機(jī)構(gòu)機(jī)械損失較高 ,最大可達(dá)15%；電機(jī)偏置使驅(qū)動裝置重心偏離井口軸線,致使光桿偏磨、盤根盒密封泄漏量大；系統(tǒng)零部件多, 維護(hù)困難等。使用低速大扭矩電機(jī)直接驅(qū)動抽油桿柱,可解決這些問題。研發(fā)的直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置用永磁同步電機(jī)作為低速電機(jī),采用交流變頻調(diào)速方式,利用永磁電機(jī)反轉(zhuǎn)即發(fā)電機(jī)原理和能耗電阻消耗掉系統(tǒng)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能,實現(xiàn)低速大扭矩電機(jī)直接驅(qū)動抽油桿柱。
國內(nèi)已有直驅(qū)裝置采用永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)分為永磁無刷直流電機(jī)和永磁交流同步電機(jī)2種。永磁無刷直流電機(jī)特性類似于常規(guī)的直流電機(jī),機(jī)械特性曲線為斜線 ,隨著轉(zhuǎn)速的增加輸出扭矩減小,采用專用的方波控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。優(yōu)點是電機(jī)調(diào)速方便, 控制器結(jié)構(gòu)簡單；缺點是功率不易做大 ,低速運(yùn)轉(zhuǎn)磁場有脈動。永磁交流同步電動機(jī)特性類似于常規(guī)的異步變頻電機(jī),機(jī)械特性曲線為直線,在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能保持恒扭矩輸出,采用專用的變頻器進(jìn)行控制。優(yōu)點是電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)成熟可靠,電機(jī)頻率與速度同步；缺點是控制器成本較高。
綜合考慮以上因素,直驅(qū)裝置電機(jī)采用永磁交流同步電機(jī)。為提高系統(tǒng)可靠性, 電機(jī)與裝置的其他部分相對獨立,并針對油田現(xiàn)場提出了防爆要求。
參考文獻(xiàn)：
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三、研究內(nèi)容
1． 學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路；主要研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題（或技術(shù)）
針對背景技術(shù)中存在的問題，需要解決皮帶輪和減速器傳動造成的功率損失和效率低下的問題，同時使結(jié)構(gòu)更加簡潔，使其在后期的使用中維護(hù)方便。該驅(qū)動裝置的動力電機(jī)可直接驅(qū)動螺桿泵抽油桿運(yùn)轉(zhuǎn)。
必須解決的三個技術(shù)問題：
(1)選擇合適的速度可以任意調(diào)節(jié)的電動機(jī)；
(2)如何做好整套裝置的密封工作；
(3)裝置會受到抽油桿柱的沖擊，如何承載載荷。
2． 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實施方案及可行性分析
研究方法：
（一）文獻(xiàn)研究法：通過查閱文獻(xiàn)，了解國內(nèi)過螺桿泵驅(qū)動技術(shù)的研究和應(yīng)用，學(xué)習(xí)相關(guān)裝置、機(jī)構(gòu)的使用。
（二）探索性研究法：通過學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)已有技術(shù)的缺陷進(jìn)行補(bǔ)足，進(jìn)而完善自己的設(shè)計方案。
（三）數(shù)學(xué)方法：通過假設(shè)的工作情景，設(shè)定相關(guān)要求，通過數(shù)學(xué)計算確定機(jī)構(gòu)的各項數(shù)據(jù)，計算出所需要的功率等。
技術(shù)路線：
頂部機(jī)械密封
密封裝置
直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置
底部卡瓦封井裝置辦
置
電壓電流保護(hù)，扭矩控制
永磁驅(qū)動電機(jī)
電機(jī)軟啟動、軟剎車
驅(qū)動裝置
無級變速調(diào)速
軸向承載軸承
承載裝置
圖3 技術(shù)路線
實施方案：
針對研究內(nèi)容中的三個主要的技術(shù)問題，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對這三個問題一一進(jìn)行解決：
（1） 為了達(dá)到轉(zhuǎn)速可以任意調(diào)整、功率損失小、維護(hù)費用低的要求，綜合比較各驅(qū)動電機(jī)，認(rèn)為永磁同步驅(qū)動電機(jī)比較符合要求。永磁同步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，主要用于要求響應(yīng)快速、調(diào)速范圍寬、定位準(zhǔn)確的高性能伺服傳動系統(tǒng)和直流電機(jī)的更新替代電機(jī)。永磁同步電動機(jī)的組成部分：定子、永久磁鋼轉(zhuǎn)子、位置傳感器、電子換向開關(guān)等，電機(jī)軸采用過的是空心階梯軸，空心電機(jī)軸內(nèi)套有密封中心管，該中心管的外徑呈階梯狀，工作時，抽油機(jī)穿過該密封中心管，這樣還解決了驅(qū)動裝置的密封問題。
（2） 因為需要密封的部件在工作狀態(tài)時處于往復(fù)運(yùn)動中，所以對密封提出了進(jìn)一步的要求：能夠動態(tài)密封，所以選擇機(jī)械密封。機(jī)械密封是靠一對或數(shù)對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力(或磁力)作用下保持貼合并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的軸封裝置。常用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)由靜止環(huán)(靜環(huán))、旋轉(zhuǎn)環(huán)(動環(huán))、彈性元件、彈簧座、緊定螺釘、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈、和靜止環(huán)輔助密封圈等元件組成，防轉(zhuǎn)銷固定在壓蓋上以防止靜止環(huán)轉(zhuǎn)動。由于傳動軸貫穿在設(shè)備內(nèi)外，這樣，軸與設(shè)備之間存在一個圓周間隙，設(shè)備中的介質(zhì)通過該間隙向外泄漏，如果設(shè)備內(nèi)壓力低于大氣壓，則空氣向設(shè)備內(nèi)泄漏，機(jī)械密封可以很好的進(jìn)行密封。
（3） 在驅(qū)動電機(jī)底部安裝軸向承載軸承，及潤滑軸向承載軸承的潤滑池。承載軸承通過空心電機(jī)軸承載全井桿柱重量，軸密封圈和潤滑池保證承載軸承的潤滑。
圖4 直驅(qū)式螺桿泵結(jié)構(gòu)簡圖
可行性分析：
通過查閱大量文獻(xiàn)，了解到國內(nèi)外對螺桿泵的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，對螺桿泵的改進(jìn)方案也很多，各項技術(shù)已經(jīng)很成熟。針對螺桿泵驅(qū)動裝置的改進(jìn)方案也有很多，甚至已經(jīng)投入使用，各項數(shù)據(jù)很可靠很全面。在大量的技術(shù)支持以及指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，該方案有很高的可行性。
四、論文（設(shè)計）進(jìn)度安排
起止時間
主要內(nèi)容
預(yù)期目標(biāo)
2015年
3月8日—22日
檢索相關(guān)研究資料，學(xué)習(xí)相關(guān)書籍。
選定原理方案，論證方案的可行性，撰寫開題報告和PPT文檔，根據(jù)開題情況，調(diào)整確定原理方案。
了解國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向。
初步確定研究內(nèi)容以及原理方案，完成開題報告。
2015年
3月23日—4月15日
根據(jù)應(yīng)用情景給定使用數(shù)據(jù)，通過計算確定相關(guān)零件或者機(jī)構(gòu)的具體材料和尺寸；根據(jù)設(shè)計和制造的方便性選用適合的標(biāo)準(zhǔn)間，并給出具體要求。
此過程中會按照學(xué)校的規(guī)定完成自己的畢業(yè)實習(xí)，并且在實習(xí)過程中重點注意是否有與自己設(shè)計內(nèi)容相關(guān)的企業(yè)，如果有的話可以對此企業(yè)深入了解，實地考察相關(guān)技術(shù)在此領(lǐng)域的實際應(yīng)用情況或者企業(yè)對此技術(shù)的了解程度，以便于自己的設(shè)計方案能夠更加完善，更加貼近實際的生產(chǎn)使用。
完成零件圖以及裝配草圖的繪制。
2015年
4月16日—5月15日
進(jìn)一步完善自己的方案，針對方案中存在的問題進(jìn)行改進(jìn)，弄清與自己設(shè)計的產(chǎn)品相關(guān)行業(yè)、產(chǎn)品或者技術(shù)有關(guān)知識。跟導(dǎo)師請教自己的方案以及設(shè)計出來的產(chǎn)品是否適應(yīng)市場需求，制作成本是否合適。
完成裝配圖的繪制，完成畢業(yè)論文的初稿。
2015年
5月15日—5月20日
修改和完善畢業(yè)論文，整體回顧自己的設(shè)計過程和設(shè)計思路，將自己的設(shè)計方案重新整理清晰，針對一些有疑問的地方自己查閱文獻(xiàn)或者向?qū)熣埥獭Ｖ谱鞔疝qPPT文檔，參加答辯。
完成畢業(yè)論文以及最終答辯
五、審核意見
導(dǎo)師意見
導(dǎo)師簽字:
年 月 日
審核小組意見
審核小組成員簽字：
年 月 日
注：1、表格不夠可加附頁。
2、審核小組應(yīng)至少由三位具有高級職稱的教師組成；必要時可召集開題報告會。
11
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計
直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置設(shè)計
摘 要
直驅(qū)式螺桿泵抽油機(jī)驅(qū)動裝置與常規(guī)的電潛泵抽油機(jī)、游梁式抽油機(jī)、螺桿泵抽油機(jī)相比具有明顯的優(yōu)越性。本文主要對直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)，研究怎么樣使螺桿泵驅(qū)動裝置長時間穩(wěn)定工作，還有如何使驅(qū)動裝置能夠滿足螺桿泵在不同油井工作狀況下的要求。從而達(dá)到在不需要其它傳動機(jī)構(gòu)的情況下僅僅利用電動機(jī)就能直接驅(qū)動抽油桿進(jìn)行工作的設(shè)計方案；實現(xiàn)電機(jī)輸出扭矩的方便控制，螺桿泵驅(qū)動電機(jī)的電流、電壓保護(hù)；能夠?qū)崿F(xiàn)方便直接的速度調(diào)節(jié)功能。這種直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置能夠解決現(xiàn)有的常規(guī)螺桿泵采用皮帶輪傳動所帶來的一些缺點：皮帶輪、減速箱傳動效率低，速度不易調(diào)節(jié)，易損壞，維護(hù)不方便等。該裝置包括四部分裝置：機(jī)械密封裝置、永磁驅(qū)動電機(jī)、軸向承載裝置及卡瓦封井裝置，將無級變速驅(qū)動系統(tǒng)與螺桿泵完美結(jié)合，將螺桿泵采油工藝進(jìn)一步完善，達(dá)到一個新的水平。
關(guān)鍵詞：螺桿泵；直接驅(qū)動；無級變速；機(jī)械密封
Abstract
Compared to conventional beam pumping unit, electric submersible pumps pumping, pumping screw drive system, the new direct-drive pumping screw drive system is more advantageous. In this paper, direct drive screw pumping drive device are researched and designed. Direct drive screw pumping drives major study how to improve the reliability of the drive system and how to meet different conditions in screw drive system requirements. Achieve motor drive rods directly, without additional transmission mechanism, to achieve screw driving voltage and current protection of the motor, the output torque of the motor control, continuously variable transmission. This direct drive screw drive device solved the weaknesses of belt drive screw it brought: the efficiency driving with pulley and gearbox is low, the speed is not easy to adjust, easy to damage, not convenient to maintain. The device comprises a mechanical seal, permanent magnet drive motor, the axial load device and plugging device slips, formed the perfect combination of advanced continuously variable drive system and screw pump, increased the screw pump oil production technology to a new level .
Key words: Screw , Direct drive , Continuously variable transmission，Mechanical seals
目 錄
1 緒論 1
1.1 課題來源及意義 1
1.2 世界石油開采驅(qū)動技術(shù)發(fā)展歷程 2
1.3 抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3.1 游梁式抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 4
1.3.2 電潛泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 5
1.3.3 傳統(tǒng)式螺桿泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 6
1.4 本章小結(jié) 8
2 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置設(shè)計 10
2.1 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置 10
2.2 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置要求 11
2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 12
2.4 工作原理 14
2.5 本章小結(jié) 15
3 重要技術(shù)解決方案 16
3.1 密封問題 16
3.1.1 機(jī)械密封 17
3.1.2 V型密封圈 18
3.2 抽油桿安裝和卸載問題 19
3.3 本章小結(jié) 19
4 重要零部件的尺寸計算和校核 20
4.1 螺桿泵抽油桿柱受力分析和計算方法 20
4.1.1 螺桿泵抽油桿受力分析 20
4.1.2 計算螺桿泵抽油桿所承受扭矩 20
4.1.3 抽油桿受力計算 21
4.1.4 抽油桿強(qiáng)度校核 21
4.2 電機(jī)功率的選擇方法 22
4.2.1 螺桿泵采油負(fù)載特性對電機(jī)的要求 22
4.2.2 采用扭矩計算法選擇電動機(jī)功率 23
4.3 抽油桿尺寸計算與電動機(jī)功率選擇 23
4.4 其他零件的尺寸校核 25
4.4.1 軸承尺寸校核 25
4.4.2 壓帽的尺寸校核 26
4.4.3 推力調(diào)心滾子軸承校核 27
4.5 本章小結(jié) 27
總結(jié) 28
參考文獻(xiàn) 29
致謝 30
III
4 重要零部件的尺寸計算和校核
1 緒論
1.1 課題來源及意義
石油資源因為具有方便運(yùn)輸儲存、能量密度大、燃燒后造成的污染較低等優(yōu)點而成為世界諸多能源中最重要的能源之一。經(jīng)過工業(yè)提煉的柴油、汽油等燃油是各種工業(yè)、運(yùn)輸工具的主要燃料?，F(xiàn)如今居民生活主要使用的燃料：管道煤氣和液化氣就是以石油為原料的。輕工業(yè)加工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥、紡織等領(lǐng)域生產(chǎn)的塑料、合成橡膠、合成纖維、醫(yī)療器械等人們生活的一些必不可少的產(chǎn)品都是以石油制品為原料的。像艦艇、飛機(jī)、坦克、航天器等象征國力的軍事用品主要的燃料來源也是石油，因此，石油資源在一個國家發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要的戰(zhàn)略地位和經(jīng)濟(jì)地位。
石油深埋于地下，需要將設(shè)備深入到地下來進(jìn)行開采。石油開采采用的驅(qū)動方式主要有電潛泵式抽油機(jī)驅(qū)動、螺桿泵式抽油機(jī)驅(qū)動、游梁式抽油機(jī)驅(qū)動等。驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展對石油工業(yè)甚至國家經(jīng)濟(jì)起著極其重要的作用。
螺桿泵因為具有效率高、節(jié)能效果明顯等優(yōu)勢在最近幾年迅速發(fā)展，它是一種新型的采油設(shè)備，它具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，螺桿泵的節(jié)電率比游梁式抽油機(jī)高出30%，而價格卻比游梁式抽油機(jī)便宜很多，差不多是它的1/3[1]。螺桿泵抽油機(jī)非常適合含氣、含砂、含水量高以及粘稠度高的油田開采，能夠有效地克服其它驅(qū)動方式容易發(fā)生的氣鎖、砂卡現(xiàn)象。螺桿泵因為具有體積小、節(jié)能效果好、機(jī)械效率高、適應(yīng)含砂高的油井和產(chǎn)量低的油井還有稠油開采能夠適應(yīng)的各種油藏的工作情況，所以這幾年螺桿泵發(fā)展非常迅速，在油田開發(fā)生產(chǎn)中的作用也越來越重要。
螺桿泵采油的動力輸出設(shè)備是螺桿泵地面驅(qū)動裝置。定速驅(qū)動裝置是目前國內(nèi)油田的螺桿泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要使用的一種驅(qū)動裝置，它是通過皮帶輪與減速箱配合來給單速或雙速電動機(jī)作減速傳動，然后利用傘形齒輪來驅(qū)動抽油桿進(jìn)而帶動螺桿泵進(jìn)行工作。這種裝置的轉(zhuǎn)動慣性大、有很高的起動轉(zhuǎn)速、不能很好地適應(yīng)起動時的需要。開采重油的情況下較為常用螺桿泵，開采重油對于起動負(fù)荷有很大的要求，所以需要一個驅(qū)動裝置能夠提供扭矩大、轉(zhuǎn)速低的動力來驅(qū)動油井中的螺桿泵進(jìn)行工作。如果按照電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下所需要的轉(zhuǎn)矩來選擇電機(jī)功率，就會出現(xiàn)功率無法滿足要求而無法起動；如果按照電機(jī)在剛起動時候的轉(zhuǎn)矩來選擇的話，那么在長時間的工作中，又會造成很大的浪費現(xiàn)象，沒法給螺桿泵的工作提供一個較為合理的參數(shù)。除此之外，現(xiàn)在主流的裝置不能很好的滿足不同工作狀況下油井的使用需求，而且就算是同一口油井，它的負(fù)載也是變化著的，因而轉(zhuǎn)速固定的沒法很好的滿足不同的油井或者是同一個油井在不同的時間時的工作需要，這樣也很容易對泵造成損壞。而且常規(guī)螺桿泵的驅(qū)動裝置是通過皮帶輪和減速箱來配合進(jìn)行傳送的，在工作中也會造成大量的能量損耗。常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置依然有很多不足的地方 [2]：
（1） 傳動效率和系統(tǒng)效率都偏低；
（2） 啟動時的轉(zhuǎn)速普遍偏高，轉(zhuǎn)動慣性大，容易發(fā)生斷桿的危險；
（3） 工作參數(shù)不易調(diào)整，調(diào)速困難、不易于維護(hù)；
（4） 螺桿泵驅(qū)動裝置的參數(shù)過大，造成很大的能量損耗；
（5） 不能很好的保護(hù)自身，需要耗費大量的人力物力來維修和保養(yǎng)。
直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置只要研究怎么樣來提高螺桿泵驅(qū)動裝置的可靠性，實現(xiàn)電動機(jī)在不需要其它傳動機(jī)構(gòu)的情況下直接驅(qū)動抽油桿；實現(xiàn)螺桿泵驅(qū)動電機(jī)的電流和電壓保護(hù)，實現(xiàn)電機(jī)方便地控制其輸出扭矩；能夠方便地調(diào)節(jié)速度。讓螺桿泵能夠自由隨意地控制螺桿泵的驅(qū)動速度，為螺桿泵采油工藝的提高做出自己的努力。
與此同時，直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)與常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置不同，對該裝置的研究也有重要的理論意義，因此本文研究直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置具有一定的實用價值和理論意義[3]。
1.2 世界石油開采驅(qū)動技術(shù)發(fā)展歷程
石油和天然氣的大規(guī)模開采和應(yīng)用，也只是近代的事情。美國和俄國在19世紀(jì)50年代開始了他們的油、氣開采技術(shù)工作。石油開采技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展與地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)械工程、電力電子、電機(jī)拖動、電機(jī)技術(shù)學(xué)等學(xué)科發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系。大致經(jīng)歷一下幾個階段：
初期階段，從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初期。內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)，對油料提出了迫切的要求。這個階段由于技術(shù)上的落后，主要以利用天然能量開采為主?？碧郊夹g(shù)的落后，鉆井深度也不大，石油的開采率平均只有20%左右。
第二階段，在20世紀(jì)40年代前后，建立了石油勘探開發(fā)的基本理論體系。主要內(nèi)容包括：基本確立了油藏物理和滲流力學(xué)體系，普遍采用地下注水開采技術(shù)。廣泛采用了早期地下注水保持地層壓力和驅(qū)動石油的技術(shù)，使石油的最終采收率得到了大幅度提高，發(fā)展了以電測方法為中心的測井技術(shù)和鉆5000米左右的超深井的鉆井技術(shù)。基本建立了與油氣田開發(fā)和開采有關(guān)的應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)體系。
第三階段，從20世紀(jì)60年代開始，以計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)廣泛用于油、氣田開發(fā)，此時開發(fā)技術(shù)得到了快速發(fā)展。主要包括以下方面：
1）利用數(shù)學(xué)科學(xué)，建立了各種油層的沉積相數(shù)學(xué)模型，提高了預(yù)測儲油砂體的非均質(zhì)性及其連續(xù)性的能力，從而能更經(jīng)濟(jì)有效的合理布置井位和開發(fā)工作；
2）把現(xiàn)代物理中的核技術(shù)應(yīng)用到測井中，形成放射性測井技術(shù)，與原有的電測技術(shù)，加上新的生產(chǎn)測井系統(tǒng)，可以用來直接測定油藏中油、氣、水的分布情況，在不同開發(fā)階段能采取更為有效的措施；
3）對油氣藏內(nèi)部在采油、氣過程中起作用的表面現(xiàn)象及在多孔介質(zhì)中的多相滲流的規(guī)律等，有了更深刻的理解，并根據(jù)物理模型和數(shù)學(xué)模型對這些現(xiàn)象由定性進(jìn)入定量解釋，實驗和開發(fā)了除注水以外提高石油采收率的新技術(shù)；
4）以噴射鉆井和平衡鉆井為基礎(chǔ)的優(yōu)化鉆井技術(shù)迅速發(fā)展，鉆井速度有很大的提高，可以打各種特殊類型的井，包括叢式井，定向井，甚至水平井，加上優(yōu)質(zhì)泥漿，是鉆井過程中油層的污染降到最低限度；
5）大型酸化壓裂技術(shù)的應(yīng)用使很多過去沒有經(jīng)濟(jì)價值的油、氣藏，特別是致密氣藏，可以投入開發(fā)，大大增加了天然資源的利用程度。對油井的出砂、結(jié)蠟和高含水所造成的困難，在很大程度上得到了解決；
6）向油層注蒸汽，熱采技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)使很多稠油油藏揉入開發(fā)；
7）油、氣分離技術(shù)和氣體處理技術(shù)的自動化和電子監(jiān)控，使礦場油、氣集輸中的損耗降到很低，并能提供質(zhì)量更高的產(chǎn)品。
我國是人口大國，一方面平均擁有石油資源少，另一方面石油采收率不高。由于技術(shù)落后，開采過程中破壞性開采比較嚴(yán)重。我國陸上油田一般采用常規(guī)的地下注水方式開采，平均采收率只有30%左右，仍有大量的儲量滯留在地下，而對那些低滲透油田、斷塊油田、稠油油田（也叫難動用油田）等來說采收率還要更低些，有的采用電加熱和化學(xué)試劑驅(qū)動等諸多方式來提高采收率，因而提高原油采收率是面臨的關(guān)鍵問題。
1.3 抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
驅(qū)動技術(shù)伴隨著開采技術(shù)的進(jìn)步得到了快速發(fā)展，經(jīng)歷了從游梁式抽油機(jī)、電潛泵抽油機(jī)、螺桿泵抽油機(jī)等幾種不同的采油設(shè)備。采油系統(tǒng)使用的采油設(shè)備種類繁多，根據(jù)采油方式的不同，主要有一下幾種：游梁式抽油機(jī)、電潛泵抽油機(jī)、螺桿泵抽油機(jī)、高原機(jī)。螺桿泵用于原油開采近二十年，按驅(qū)動方式分為潛油電動螺桿泵和地面驅(qū)動井下螺桿泵抽油機(jī)。螺桿泵地面驅(qū)動裝置根據(jù)驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)不同又分為螺桿泵直接驅(qū)動方式和螺桿泵側(cè)驅(qū)方式（傳統(tǒng)式螺桿泵驅(qū)動方式）。螺桿泵直接驅(qū)動裝置根據(jù)驅(qū)動電機(jī)控制器的控制方式的不同又分為有位置傳感器的和無位置傳感器的。
目前油井上普遍采用的傳統(tǒng)機(jī)械式螺桿泵抽油機(jī)系統(tǒng)仍存在機(jī)械傳動效率偏低、系統(tǒng)效率不高、不易調(diào)速、不易于維護(hù)的特點。具體表現(xiàn)在：起動轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動沖擊慣性大，容易斷桿；調(diào)參困難；維護(hù)工作量大；螺桿泵驅(qū)動匹配裝置過大，能耗大；卸扭技術(shù)差，容易反轉(zhuǎn)脫扣或其他事故；自我保護(hù)能力差。
1.3.1 游梁式抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)
圖1-1 游梁式抽油機(jī)
游梁式抽油機(jī)驅(qū)動裝置如圖1-1所示，其工作原理是由交流電動機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)拖動抽油泵，沿著重力作用方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，從而把原油從數(shù)百至數(shù)千米的井下抽到地面。分析其負(fù)載特性可知其慣性量較大，而不同的油井的粘度大小又很不同，當(dāng)油的粘度較大時，泵的效率也變低，往往起動也很困難。該負(fù)載又是周期負(fù)載，上升、下降行程負(fù)載性質(zhì)亦不同，下降時尚帶有位勢負(fù)載性質(zhì)。為適應(yīng)這些復(fù)雜的工況，抽油機(jī)的配置及其實際工作狀態(tài)往往只能是大馬拉小車。游梁式抽油機(jī)運(yùn)動為反復(fù)上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自電動機(jī)帶動的兩個重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊提升時，類似杠桿作用，將采油機(jī)桿送人井中；滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，當(dāng)抽油機(jī)工作時，整個過程中負(fù)載是變化的。工作分為兩個沖程，抽油機(jī)上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機(jī)未平衡的條件下，電動機(jī)就要作出很大的功，這時電動機(jī)處于驅(qū)動狀態(tài)。在下沖過程時，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)動對電動機(jī)做功，使電動機(jī)處于類似發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)抽油機(jī)處于未平衡狀態(tài)時，往往會造成上、下沖程的負(fù)載季度不均勻，抽油機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)、變速箱和電動機(jī)的使用效率和壽命都將受到嚴(yán)重的影響，抽油桿的工作條件也被惡化，也使其隨時處于斷裂的狀態(tài)。
游梁式抽油機(jī)驅(qū)動裝置存在的缺點怎樣才能解決呢？目前通用的做法是在游梁式抽油機(jī)兩側(cè)加平衡配重的方式，平衡配重一般加在抽油機(jī)的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上。光桿主要重復(fù)上升和下降兩個階段的工作，加配重后，在抽油桿上升階段時，平衡重從上向下運(yùn)動，釋放下降階段時儲存的勢能，這樣不僅提升了抽油桿，而且油管內(nèi)的液柱也增加了，同時減少了電動機(jī)在抽油桿上升時的做功。在抽油桿下降階段時，平衡配重塊從下向上運(yùn)動，需要為提升平衡配重塊的勢能提供能量，為了實現(xiàn)這些，除了電動機(jī)做功外，同時抽油桿柱下落所釋放的勢能也提供了一部分能量。為了保證足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，抽油機(jī)電機(jī)正常運(yùn)行時負(fù)載率很低，一般在20%到30%低負(fù)荷率運(yùn)行，造成功率因數(shù)低，效率低，電能浪費大。有的平衡配重塊位置太低，在實際應(yīng)用中對周圍人的安全又造成威脅，在小區(qū)中一般需要安裝防護(hù)裝置。
1.3.2 電潛泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)
圖1-2 電潛泵抽油機(jī)
如圖1-2所示，電潛泵是油田中另一種采油設(shè)備，它是井下工作的多級離心泵，同油管一起下入井內(nèi)，地面電源通過變壓器、控制屏和電潛泵專用電纜將電能輸送給井下電潛泵電動機(jī)，使電動機(jī)帶動多級離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，把油井中的液體舉升到地面。
電潛泵盡管應(yīng)用較多，但也有很多缺點：
1) 工作環(huán)境非常惡劣（高溫、強(qiáng)腐蝕等），在地下兩千多米的井底工作；
2) 電潛泵在工頻起動過程中反壓較高，絕緣性能降低，每次開機(jī)都會使電潛泵壽命大打折扣，影響使用壽命；
3) 電潛泵損壞后要提到地面上修理，維修費用上萬元，成本較高；
4) 電潛泵的功率因數(shù)降低，耗能量大；
5) 有時使得油井出沙嚴(yán)重，使設(shè)備壽命縮短。
1.3.3 傳統(tǒng)式螺桿泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)
圖1-3 傳統(tǒng)式螺桿泵抽油機(jī)
螺桿泵分為單級和多級螺桿泵，這里主要介紹單級螺桿泵。圖1-3所示為傳統(tǒng)式螺桿泵抽油機(jī)驅(qū)動裝置。
單級螺桿泵是一種單螺桿式傳送泵，它的主要工作部件是旋轉(zhuǎn)螺旋體的螺桿（稱轉(zhuǎn)子）和內(nèi)表面呈雙線螺旋面的螺桿襯套（稱定子）。螺桿裝入襯套后，螺桿表面與襯套內(nèi)螺紋表面之間形成一個個封閉的腔室，同時任意截面也被分為上下兩個月牙型工作室。
單級螺桿泵工作原理是當(dāng)電動機(jī)帶動泵軸轉(zhuǎn)動時，螺桿一方面繞本身的軸線旋轉(zhuǎn)，另一方面它又沿襯套內(nèi)表面滾動，于是形成泵的密封腔室。當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時，靠近吸入室的第一個工作室的容積逐漸增大，形成負(fù)壓，在壓差的作用下液體被吸入工作室。。螺桿每轉(zhuǎn)一周，密封腔內(nèi)的液體向前推進(jìn)一個螺距，隨著螺桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動，液體螺旋形方式從一個密封腔壓向另一個密封腔，最后擠出泵體。隨著螺桿的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，工作腔容積不斷增至最大后，這個工作室封閉，并將液體沿軸向推向壓出室。與此同時上下兩個工作室教體循環(huán)地吸入和排除液體，因此液體被連續(xù)不斷地從吸入室沿軸向推向壓出室。
單級螺桿泵實際是一種利用螺桿旋體的旋轉(zhuǎn)來吸收和排出粘稠液體的泵，它具有下列特點：結(jié)構(gòu)簡單；工作安全可靠；使用維修方便；出液連續(xù)均勻；壓力穩(wěn)定。
（1）螺桿泵地面驅(qū)動裝置的傳動原理
電機(jī)轉(zhuǎn)動通過皮帶輪直接傳動給減速箱，經(jīng)減速箱內(nèi)的一隊螺旋傘齒輪將運(yùn)動方向轉(zhuǎn)變，并將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給齒輪軸，由齒輪軸上的凸臺傳遞給方卡子，方卡子將轉(zhuǎn)矩傳遞給抽油桿，通過油管內(nèi)抽油桿傳遞給螺桿泵轉(zhuǎn)子。
（2）傳統(tǒng)地面驅(qū)動螺桿泵的使用條件
1)地面驅(qū)動單螺桿采油泵，適用于低粘稀油、高粘稠油、100%的水、液-汽混合體和含砂液體，只要井含氣量不致于達(dá)到形成柱段氣塞的程度，均可保持正常生產(chǎn)，不會產(chǎn)生氣鎖現(xiàn)象。
2)高油含砂量≤2.5%，顆粒度≤1mm，超出規(guī)定應(yīng)進(jìn)行防砂處理，當(dāng)油井的砂柱高于3米，應(yīng)于下泵前進(jìn)行沖砂至井底。
3)原油中含有硫、氯及硫化氫含量≤2.5%。
4）井斜不應(yīng)大于10°，油井套管錨定處不應(yīng)變形，以防坐封不牢。
5）油井要供液充足，泵作業(yè)要有足夠的沉淀度，以確保井液能適時充滿泵腔，以保證螺桿泵的生產(chǎn)和正常使用，一般來說，沉淀度不小于200m。
6)泵轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)取決于原油的粘度和油井的供液量。
原油粘度在2000MPa·s以上，泵應(yīng)選用較低轉(zhuǎn)速，原油粘度高或稠油是，將影響原油進(jìn)入泵密封腔室的速度，如泵轉(zhuǎn)速過高，不能確保原油適時充滿泵密封腔室，則泵流量將會降低，同時還會影響泵的使用壽命，原油粘度在1000MPa·s以下，油井供液充足時，可選用高轉(zhuǎn)速。
（3）傳統(tǒng)地面驅(qū)動螺桿泵驅(qū)動裝置的構(gòu)成
傳統(tǒng)式螺桿泵地面驅(qū)動設(shè)備由電動機(jī)、皮帶傳動機(jī)構(gòu)、減速器、卡桿器、密封機(jī)構(gòu)、防倒轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、配電箱等部分構(gòu)成。
1)電動機(jī)
三相異步電動機(jī)。
2)皮帶傳動
皮帶傳動將電機(jī)的輸出動力傳遞到齒輪箱，皮帶輪的傳動比為2.24.
3)減速箱
減速箱將電機(jī)提供的動力通過一對螺旋傘齒輪傳遞給光桿，由光桿帶動抽油桿及轉(zhuǎn)子，同時承受整個桿柱的軸向負(fù)荷。
4）卡桿器
在減速箱的下部設(shè)有卡桿器和三通，卡桿器在吊裝好驅(qū)動裝置后，上提防沖距，提升到位后將卡桿器旋轉(zhuǎn)卡緊光桿，保證抽油位置不變；將方卡子卡緊到位，再將方卡子松開。
5）密封機(jī)構(gòu)
在傳動機(jī)構(gòu)下面，支撐架的上面有一個盤根盒，采用盤根密封。
6)防倒轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
在減速箱皮帶輪輸入軸處設(shè)有防倒轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，作用是防止抽油桿反轉(zhuǎn)，防止脫扣。防倒轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用摩擦式外接棘輪機(jī)構(gòu)，棘輪采用正六方體，棘爪采用鋼球，裝入直角梯形槽內(nèi)，用彈簧支撐。電機(jī)正旋時，棘輪正旋，撥動鋼球靠向直角梯形槽直角邊，壓縮彈簧；電機(jī)反旋時，棘輪反旋，波動鋼球想直角地形槽斜邊移動，同時彈簧輔助推鋼球向斜力移動，直至卡死。
7)電控箱
為電動機(jī)提供電源控制。
由于上述游梁式抽油機(jī)、電潛泵抽油機(jī)、傳統(tǒng)螺桿泵抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)都存在著很多不同的不足，非常需要一種運(yùn)行更穩(wěn)定、效率更高的驅(qū)動裝置來彌補(bǔ)這些不足。
1.4 本章小結(jié)
因為直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置相比于其他驅(qū)動裝置具有很大的優(yōu)越性，而且能夠極大地降低油田采油中的能源浪費，適應(yīng)各種不同油藏的不同工作狀況，方便操作。本文選擇研究直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置，設(shè)計一種能夠更好地滿足螺桿泵工作需要的驅(qū)動裝置，依次對螺桿泵驅(qū)動裝置中需要解決的問題一一提出自己的解決方案。設(shè)計的基本任務(wù)：
（1）根據(jù)課題要求，查閱與采油螺桿泵相關(guān)的中外文資料和專利；
（2）確定直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；
（3）根據(jù)螺桿泵的工況選擇合適的永磁驅(qū)動電機(jī)；
（4）選擇合適的機(jī)械密封和靜密封方案以及軸承支撐；
（5）設(shè)計各機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)和尺寸，利用三維設(shè)計軟件繪制裝置的三維設(shè)計圖；
（6）對關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核；
（7）繪制二維總體裝配圖0號圖1張，并對關(guān)鍵零件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，繪制零件的二維設(shè)計圖至少8張；
（8）撰寫畢業(yè)說明書1份。
本文主要包括以下內(nèi)容：第一章是對本課題的來源、意義、發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概括描述；第二章對直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置的工作要求、工作原理、結(jié)構(gòu)及特點進(jìn)行詳細(xì)地介紹；第三章是直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置針對不同問題和不同要求的解決方案中運(yùn)用的主要技術(shù)；第四章主要是對直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置一些重要零件的尺寸計算和校核；第五章是總結(jié)本次設(shè)計的主要內(nèi)容。
2 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置設(shè)計
2.1 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置
圖2-1 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置
如圖2-1所示為新型直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置。為了提高螺桿泵抽油機(jī)的總體效率，并且能夠保證螺桿泵驅(qū)動裝置長期高效率無故障運(yùn)行，根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的動態(tài)特性、油田的工作環(huán)境情況、已經(jīng)存在的抽油機(jī)驅(qū)動裝置，對油井還有它的驅(qū)動特性做了較為全面的研究。該裝置對油田現(xiàn)在主要使用的螺桿泵驅(qū)動裝置的研究和設(shè)計提出了一個比較合理具有可行性的解決方案，讓這些驅(qū)動系統(tǒng)能夠始終保持在最佳的工作狀態(tài)，驅(qū)動裝置的能量損耗變低，使維護(hù)螺桿泵的費用減少，提高整個系統(tǒng)的節(jié)能效果，充分發(fā)揮它綜合的經(jīng)濟(jì)效益，也能給螺桿泵驅(qū)動裝置提供一個意義廣泛、具有實際可行性的商業(yè)產(chǎn)品的堅實基礎(chǔ)，這樣對油田的經(jīng)濟(jì)效益也會有很大的幫助[7]。
受限于本人的知識儲備，無法做到對整個螺桿抽油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計，所以針對其中的較為關(guān)鍵的驅(qū)動裝置進(jìn)行設(shè)計，能夠做到彌補(bǔ)常規(guī)螺桿泵的一些劣勢，為機(jī)械采油做出一些貢獻(xiàn)。
2.2 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置要求
現(xiàn)在主流使用的螺桿泵地面驅(qū)動裝置雖然具有體積小、結(jié)構(gòu)較簡單、機(jī)械效率較高等優(yōu)勢，但是因為傳統(tǒng)的螺桿泵地面驅(qū)動裝置是用異步電機(jī)來提供原動力，通過皮帶輪和減速箱組合來傳遞動力驅(qū)動抽油桿，所以在油井的實際使用過程中仍存在著許多的問題，比如皮帶輪摩擦失效、減速箱多級傳遞導(dǎo)致機(jī)械損失較高，最大可達(dá)15%[8]；驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)不夠緊湊，以及加工和安裝誤差都會導(dǎo)致電機(jī)偏置使驅(qū)動裝置重心與油井軸線產(chǎn)生偏心距，導(dǎo)致抽油桿磨損、盤根盒密封不嚴(yán)泄漏量偏大；系統(tǒng)零部件較多，出現(xiàn)故障時不易檢測，給設(shè)備維護(hù)和檢修造成困難等。本次設(shè)計解決這些問題的方法是設(shè)計直驅(qū)式螺桿泵通過永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動抽油桿柱。這里的永磁同步電機(jī)通過交流變頻方式來調(diào)節(jié)速度，利用永磁電機(jī)的反轉(zhuǎn)也就是我們通常所說的發(fā)電機(jī)原理和能耗電阻來抵消裝置反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能，以達(dá)到永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動抽油桿工作的目的。
螺桿泵驅(qū)動裝置需要實現(xiàn)的目的已經(jīng)很明確，需要該驅(qū)動裝置能夠直接將電機(jī)的動力傳遞給抽油桿，抽油桿帶動油井中的螺桿泵進(jìn)行工作。為了提高工作系統(tǒng)的可靠性，裝置的各部分需要與電機(jī)主體部分相互獨立。其次，因為驅(qū)動裝置需要將電機(jī)的動力直接傳遞給抽油桿，所以設(shè)計的裝置是裝在驅(qū)動電機(jī)內(nèi)部的，這樣就必須做好密封工作，以防止抽油桿抽上來的油進(jìn)入到驅(qū)動裝置的內(nèi)部甚至進(jìn)入到電機(jī)內(nèi)部。
新油井在安裝螺桿泵的時候或者在設(shè)備發(fā)生故障的時候，都要涉及到抽油桿。油井的深度一般都在幾百米或者上千米，而抽油桿的長度長的也就十幾米，所以就需要將很多抽油桿組裝在一起才能達(dá)到需要的深度。而長度這么長如果安裝前在地面先安裝好的話需要很大的空間，而且組裝好再往井下放可操作性也不大，所以就需要把抽油桿一邊安裝一邊組裝。發(fā)生故障的時候需要取出抽油桿也必須把抽油桿提出一節(jié)卸下一節(jié)。這個時候就需要在組裝和拆卸的時候需要把還留在井中的部分固定住，不能讓剩下的部分掉進(jìn)井里。這個驅(qū)動裝置必須能夠?qū)崿F(xiàn)這個功能。
上述三個問題是這次設(shè)計必須要解決的三個主要問題，還存在一下細(xì)節(jié)問題需要解決。比如螺桿泵驅(qū)動裝置在工作中不僅要傳遞扭矩給抽油桿柱，因為抽油桿自身有重量，而且數(shù)十根上百跟的抽油桿組裝在一起這個重量是不能忽略的，同時螺桿泵工作的目的就是為了將地下的油抽到地面上，液體的重量也是必須考慮的，所以需要裝置能夠承受抽油桿柱和舉升液體的重力。
2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計
首先，為了能夠承受抽油桿柱自身的重力和舉升油液混合物的重力，借鑒國內(nèi)外的支撐裝置通常采用在電機(jī)內(nèi)部安裝承載軸承直接承受軸向載荷和潤滑脂潤滑軸承的方式，可是這樣的設(shè)計方案卻存在一定的弊端，因為直接把直驅(qū)電機(jī)當(dāng)成了主要承載部件，主承載軸承采用脂潤滑方式冷卻效果比較差，這樣在一定程度上使故障發(fā)生的幾率增高。為了解決這個問題，把傳動軸設(shè)計成空心軸，將電動機(jī)驅(qū)動軸的傳遞給抽油桿并承受抽油桿柱和舉升液體的自重，并最終將產(chǎn)生的軸向力作用在箱體內(nèi)的主軸承上，而電機(jī)的作用只是用來傳遞扭矩載荷。
從驅(qū)動裝置的外部結(jié)構(gòu)上看可以分為四個部分。如圖2-2所示，從上到下依次是機(jī)械密封裝置、永磁同步驅(qū)動電機(jī)、軸向承載裝置和卡瓦封井裝置。
圖2-2 驅(qū)動裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖
永磁驅(qū)動電機(jī)是一種同步力矩電機(jī)，永磁同步力矩電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、可靠性高、體積小重量輕、高效節(jié)能的特點。因此永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上不會產(chǎn)生勵磁損耗，滑環(huán)與電刷之間不會產(chǎn)生磨擦損耗，也沒有接觸電損耗。內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體包括電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子，永磁驅(qū)動電機(jī)的電機(jī)軸采用的是空心階梯軸，電機(jī)空心軸內(nèi)套有密封中心管，該密封中心管的外徑也是呈階梯狀，以方便與一些密封裝置的配合。
機(jī)械密封裝置包括機(jī)械密封定盤、機(jī)械密封動盤、密封壓蓋和中心扶正軸承，其中中心扶正軸承安裝在從永磁驅(qū)動電機(jī)的內(nèi)部延伸出來的密封中心管上，中心管扶正軸承的上面依次安裝密封壓片、機(jī)械密封動盤和機(jī)械密封定盤，密封壓片與密封動盤還有電機(jī)空心軸的內(nèi)壁實現(xiàn)密封接觸。在電機(jī)空心軸的外壁上部設(shè)有兩個平鍵槽，電機(jī)就是通過平鍵將扭矩傳遞給壓帽，然后再通過壓帽進(jìn)行扭矩的傳遞。另一方面壓帽也通過該平鍵將機(jī)械密封裝置的各部件罩在里邊。
軸向承載裝置主要包括兩端設(shè)有法蘭盤的上本體，在上本體內(nèi)裝有軸向承載軸承及潤滑承載軸承的潤滑池，進(jìn)而來承載裝置中包括抽油桿自重和舉升油液混合物重力在內(nèi)的軸向力。上本體通過螺栓連接與永磁驅(qū)動電機(jī)的底座連接在一起。
如圖2-3所示，卡瓦封井裝置包括預(yù)計軸向承載裝置類似的兩端設(shè)有法蘭盤的下本體。該下本體上端通過螺栓連接與上本體連接起來，下端與井口也通過螺栓連接起來。在下本體內(nèi)裝有兩塊密封閘板，兩密封閘板一端各銑有一個與抽油桿柱半徑相同的半圓槽孔[9]，對合后呈圓形，在密封閘板上以及與兩密封閘板對合后重合的縫隙垂直的徑向上分別銑有T型槽。在下本體的側(cè)壁上通過焊接方式將圓柱筒固定住，筒口螺紋連接放油絲堵，一端靠孔用擋圈限制放油絲堵的位置。密封閘板的T型槽內(nèi)還連接有絲桿，絲杠的另一端伸出圓柱筒口，絲杠在圓柱筒外的部分有一部分制作成正六邊形。
圖2-3 卡瓦封井裝置
2.4 工作原理
圖2-4 驅(qū)動裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
如圖2-4所示，系統(tǒng)工作的時候，電動機(jī)起動，電機(jī)空心軸開始轉(zhuǎn)動?？招妮S上部設(shè)有兩個鍵槽可以安裝平鍵，平鍵與壓帽上的鍵槽契合，通過平鍵將扭矩傳遞給壓帽。壓帽上端凸臺與方卡子下端配合，當(dāng)方卡子上的螺栓扭緊的時候可以將方卡子與壓帽緊緊地壓在一起，將壓帽上的扭矩傳遞給方卡子。而方卡子是由對稱的兩件組成，中間銑有與抽油桿半徑相同的半圓槽，當(dāng)兩件方卡子配合的時候可以恰好將抽油桿夾在中間，扭緊螺栓可以將抽油桿牢牢夾緊，將壓帽上的扭矩傳遞給抽油桿，這樣實現(xiàn)電機(jī)直接帶動抽油桿進(jìn)行工作。工作過程中抽油桿自重以及舉升液體產(chǎn)生的重力通過空心電機(jī)軸左右在軸向承載軸承上，以承載系統(tǒng)產(chǎn)生的軸向力。
在工作之前需要安裝抽油桿或者裝置發(fā)生故障需要拆卸的時候，可以通過卡瓦封井裝置對抽油桿的壓緊和松開來實現(xiàn)抽油桿的一邊安裝一邊組裝（或者一邊拔起一邊拆卸）。
2.5 本章小結(jié)
因為本次設(shè)計主要是對直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置的設(shè)計，電機(jī)是選用已有的電機(jī)，所以沒有再對電機(jī)進(jìn)行設(shè)計。因此設(shè)計的過程中很少涉及到電機(jī)部分。
3重要技術(shù)解決方案
3.1 密封問題
因為該裝置直接與石油接觸，而電機(jī)內(nèi)部又必須隔絕石油，所以必須做好密封。裝置的主要部件又是在運(yùn)動的，所以普通的密封方式效果比較差，需要使用具有針對性的運(yùn)動密封方式才行。這里根據(jù)驅(qū)動裝置的運(yùn)動特點主要介紹兩種密封方式：機(jī)械密封和V型密封圈密封。如圖3-1所示為本次設(shè)計的直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置的上端主要密封部分。
圖3-1 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置上端密封部分
3.1.1 機(jī)械密封
圖3-2 簡易的機(jī)械密封件
根據(jù)驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式可以發(fā)現(xiàn)密封中心管內(nèi)部可能有殘留的石油，可能順著抽油桿的轉(zhuǎn)動從密封中心管中進(jìn)入到壓帽的空腔內(nèi)，壓帽與電機(jī)空心軸連接配合，如果壓帽空腔內(nèi)的石油進(jìn)入到電機(jī)內(nèi)部就會對電機(jī)造成損壞，影響壽命，所以必須做好密封工作。因為電機(jī)空心軸是運(yùn)動的，所以普通的密封效果不好，必須通過一種動態(tài)密封來解決該密封問題，機(jī)械密封可以很好的解決這個問題。
機(jī)械密封如圖3-2所示，是指由至少一對與旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直的端面在流體的壓力和輔助機(jī)構(gòu)所提供的彈力補(bǔ)償?shù)淖饔孟略倥浜现o助密封件來保持與所需密封部位的貼合并相對滑動來組成實現(xiàn)防止液體泄漏的裝置。在一些輕型密封中，因為橡膠波紋管彈力有限，所以一般情況下還需要外加輔助彈簧來滿足彈力補(bǔ)償。由于電機(jī)空心軸是貫穿整個設(shè)備的，在設(shè)備外部也會有部分電機(jī)空心軸，這樣，空心軸與設(shè)備之間就會有一個圓周形狀的間隙，設(shè)備中的液體可能會通過這個間隙泄漏到設(shè)備外部，如果設(shè)備內(nèi)的壓力比環(huán)境壓力小，那么設(shè)備外的空氣就會向設(shè)備內(nèi)泄漏，所以需要有一個密封裝置來阻止泄漏。在眾多的軸類密封方式中，因為機(jī)械密封泄漏量較少和有很長的使用壽命等，所以機(jī)械密封的密封方式是在此類設(shè)備中最常用的一種密封方式。
在此驅(qū)動裝置中，因為空心電機(jī)軸是轉(zhuǎn)動的，在轉(zhuǎn)動的過程中也可能會產(chǎn)生輕微的軸向運(yùn)動。普通的密封方式適合靜態(tài)密封，而對運(yùn)動的部件密封效果不好。機(jī)械密封包括機(jī)械密封定盤、機(jī)械密封動盤、密封壓蓋（即上壓緊螺母），中間有彈簧提供彈力補(bǔ)償。當(dāng)設(shè)備工作時，通過中心扶正軸承防止中心管和電機(jī)空心軸的徑向運(yùn)動，通過壓緊螺母與機(jī)械密封定盤接觸壓緊為機(jī)械密封動盤提供預(yù)緊力，將機(jī)械密封定盤牢牢地壓在密封件上使其緊密接觸，防止部分通過中心管的液體泄漏到設(shè)備外，達(dá)到很好的動密封效果。
3.1.2 V型密封圈
因為螺桿泵在工作的時候工作腔內(nèi)的流體壓力不是固定不變的，一般的密封方式通常只能滿足密封壓力穩(wěn)定的情況下的密封。針對這種情況，這里應(yīng)用了一種更合適的密封方式，可以更好地滿足工作腔內(nèi)流體壓力不斷變化的密封要求。
圖3-3 V型密封圈
如圖3-3所示， V形密封圈截面形狀為V形，V形密封圈主要由支撐環(huán)、壓環(huán)、密封圈三部分組成。密封圈的標(biāo)準(zhǔn)角度是90°，特殊情況下也會用到60°夾角。支承環(huán)是支撐V形密封圈的重要部件，它的斷面厚實、尺寸精確、凹角與V形密封圈的夾角相同或者比其稍大些，這樣可以使密封圈安放的時候穩(wěn)定。壓環(huán)的作用是給V形密封圈提高一個初始的壓縮量，讓密封圈與需要密封的表面接觸更加充分，并且可以調(diào)節(jié)密封圈的壓縮量。
在自然狀態(tài)下，V形密封圈的外徑大于壓帽腔的內(nèi)徑，密封圈的內(nèi)徑小于抽油桿的直徑。這樣，裝配后已經(jīng)產(chǎn)生了一定的形變。由于支撐環(huán)的作用使這種形變僅發(fā)生在密封圈的尖端，并且在它與需要密封的接觸部位產(chǎn)生壓力，即使不另外施加壓緊力，唇口也能對內(nèi)壓一定的流體進(jìn)行密封。在此，V型密封圈與壓緊螺母配合，當(dāng)密封腔內(nèi)的壓力升高時，調(diào)節(jié)壓緊螺母的旋進(jìn)旋出來壓緊密封圈，通過壓緊作用來為密封圈增加壓緊力，以實現(xiàn)密封腔內(nèi)不同壓力情況下的密封目的。
3.2 抽油桿安裝和卸載問題
螺桿泵抽油機(jī)在工作和停歇或者在發(fā)生故障的時候都需要將抽油桿組裝和取出，而油井的深度通常是幾百米和幾千米范圍內(nèi)，抽油桿的標(biāo)準(zhǔn)長度在幾米或者十幾米之間（為了實際需要也有許多不同標(biāo)準(zhǔn)的短桿），所以在實際使用過程中需要把很多抽油桿組裝起來。而幾千米的抽油桿在安裝前組裝好又不現(xiàn)實，需要電機(jī)在工作的時候邊安裝邊組裝，這個時候需要將已經(jīng)安裝的抽油桿固定住以便組裝剩下的部分。這樣就需要驅(qū)動裝置能夠起到對抽油桿的固定作用。
在這里使用的是如圖3-4所示卡瓦封井裝置來解決這個問題。
圖3-4 卡瓦封井裝置
以安裝抽油桿為例。當(dāng)安裝抽油桿時，通過旋轉(zhuǎn)絲杠推動密封閘板。密封閘板一端銑有與抽油桿柱半徑相同的半圓形槽，通過絲杠的推動將兩個密封閘板向中間移動，絲杠提供給密封閘板的壓緊力將抽油桿緊緊地夾住，使抽油桿固定在我們需要的位置。
3.3 本章小結(jié)
在這一章中關(guān)于密封的問題主要介紹了機(jī)械密封和V型密封圈密封，而在驅(qū)動裝置中還應(yīng)用到了O型密封圈和密封墊圈。O型密封圈主要用在各個軸件與配合孔之間的密封，密封墊圈是用在電機(jī)空心軸與壓帽之間的密封。因為這兩類密封方式較為常見，所以在此沒有過多描述。機(jī)械密封技術(shù)和V型密封圈密封方式都已經(jīng)很成熟，可以直接在裝置中使用。
4 重要零部件的尺寸計算和校核
4.1 螺桿泵抽油桿柱受力分析和計算方法
4.1.1 螺桿泵抽油桿受力分析
螺桿泵正常工作時，抽油桿轉(zhuǎn)動所承受的反扭矩包括：
(1) 定子的橡膠發(fā)生溶脹時產(chǎn)生的反扭矩；
(2) 抽油桿在具有粘性的液體中轉(zhuǎn)動時受到的摩擦力矩；
(3) 泵進(jìn)出口壓力差作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上時產(chǎn)生的反扭矩。
除此之外抽油桿還會受到這兩種力的作用：抽油桿自重；泵的進(jìn)出口壓力差對電動機(jī)的定子內(nèi)腔的橫截面所產(chǎn)生的作用力。
4.1.2 計算螺桿泵抽油桿所承受扭矩
(1) 泵的轉(zhuǎn)子和定子之間由于初始的過盈配合而產(chǎn)生的反扭矩。
M1=91.3δ-n0.45 （4-1）
式中：M1—泵的在初始狀態(tài)的反扭矩，N·m；
δ—初始時的過盈量，mm；
n—泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，rmin。
(2) 定子的橡膠發(fā)生溶脹時產(chǎn)生的反扭矩。
M2=M1+46.2 （4-2）
式中： M2—定子的橡膠發(fā)生溶脹時產(chǎn)生的反扭矩，N·m。
(3) 抽油桿在具有粘性的液體中轉(zhuǎn)動時受到的摩擦力矩。
M3=4πμω0r12r22L（r22-r12） （4-3）
式中：M3—抽油桿在具有粘性的液體中轉(zhuǎn)動時受到的摩擦力矩，N·m；
μ—井液粘度，Pa·s；
ω0—抽油桿角速度，1s2；
L—抽油桿長度，m；
r1—抽油桿半徑，m；
r2—油管半徑，m。
(4) 泵進(jìn)出口壓力差作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上時產(chǎn)生的反扭矩。
M4=2.6368ED△pπ （4-4）
式中： M4 —泵的進(jìn)出口壓力差作用在電動機(jī)轉(zhuǎn)的子上時所產(chǎn)生的反扭矩；
E—電動機(jī)轉(zhuǎn)子的偏心距，m；
D—電動機(jī)轉(zhuǎn)子的截面直徑，m；
T—泵的定子導(dǎo)程，m；
△p—螺桿泵的吸入端和排出端的流體壓差，Nm2。
由此可以計算抽油桿所受到的總的扭矩為：
Mg=M1+M2+M3+M4 [10] （4-5）
4.1.3 抽油桿受力計算
(1) 抽油桿自重
F1=ρgL （4-6）
式中 ρ—抽油桿剛才的密度，kgm3。
(2) 泵的進(jìn)出口壓力差所產(chǎn)生的軸向力
F2=（2E2+D24）π△p （4-7）
則總的軸向力為：
F總=F1+F2 （4-8）
4.1.4 抽油桿強(qiáng)度校核
受力最大的地方是抽油桿的上端，根據(jù)第四強(qiáng)度理論對其進(jìn)行強(qiáng)度校核：
正應(yīng)力： σ拉=F總S （4-9）
剪應(yīng)力： τ扭=MgWp （4-10）
復(fù)合應(yīng)力： σ復(fù)=σ拉2+3τ扭2 （4-11）
式中：S—抽油桿的橫截面面積，m2；
Wp—抗扭界面模數(shù)，cm3。
4.2 電機(jī)功率的選擇方法
降低采油成本、提高系統(tǒng)效率最行之有效的一個方法就是選擇合適的電機(jī)功率，選擇適合的電機(jī)功率也是螺桿泵采油工藝中首先應(yīng)該考慮的問題。可是在實際操作的時候，大部分都是根據(jù)已經(jīng)選定的螺桿泵的型號來選擇可以匹配的電機(jī)，這樣經(jīng)常就會導(dǎo)致配置的地面驅(qū)動裝置電動機(jī)功率偏高，產(chǎn)生“殺雞用牛刀”的局面。這樣不僅會影響螺桿泵采油系統(tǒng)的機(jī)械效率，而且讓螺桿泵采油的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢發(fā)揮不出來，造成許多不合理的浪費。在國家倡導(dǎo)發(fā)展集約型經(jīng)濟(jì)的前提下，科學(xué)的選擇與螺桿泵地面驅(qū)動裝置配套電機(jī)的功率意義重大。
4.2.1 螺桿泵采油負(fù)載特性對電機(jī)的要求
由螺桿泵采油系統(tǒng)的負(fù)載圖[11]可以看出，螺桿泵在剛起動的時候轉(zhuǎn)矩最大，當(dāng)工作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，系統(tǒng)的載荷也會恒定在一個大致穩(wěn)定的狀態(tài)。而且由于螺桿泵在實際工作的時候需要電動機(jī)長時間不停歇的工作，需要電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)比較穩(wěn)定，不要對起動、剎車和速度調(diào)節(jié)有太多要求，所以一般情況下都選用永磁同步電動機(jī)。電動機(jī)在選擇功率的時候需要滿足下面的要求：
(1)電動機(jī)的額定功率PN需要略大于折算到電機(jī)空心軸的負(fù)載功率Pt，通常額定功率需要10%左右的裕度，即
PN≥1.1Pt （4-12）
(2)由螺桿泵采油的實地測試和在室內(nèi)的試驗結(jié)果可以知道，螺桿泵啟動時的最大扭矩約為相同的轉(zhuǎn)速下的1.5倍到2倍。為了保證在運(yùn)行過程中螺桿泵采油驅(qū)動系統(tǒng)的電動機(jī)不要過熱而且能夠正常啟動，應(yīng)該對由公式(4-12)得到的電機(jī)功率作啟動性能檢驗，公式為
MMmin≥KsMtmax （4-13）
式中:MMmin—電動機(jī)啟動的最小轉(zhuǎn)矩，N·m；
Mtmax—電機(jī)在剛剛啟動時或者在其正常運(yùn)行的過程中可能的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；主要是螺桿泵在靜吸附狀態(tài)下的扭矩，一般是由螺桿泵在室內(nèi)檢測得到的水力特性曲線測試得到；
Ks—電動機(jī)在全壓起動的時候的加速轉(zhuǎn)矩系數(shù)，可以取K s=1.73。
4.2.2 采用扭矩計算法選擇電動機(jī)功率
剛剛投入使用的螺桿泵驅(qū)動裝置，或者是已經(jīng)在使用的螺桿泵采油井因為油井供給液體的能力改變了或者是因為電動機(jī)裝機(jī)的功率較大但是系統(tǒng)效率不高的油井，在重新選擇與之相匹配的電動機(jī)功率的時候都能夠用扭矩計算的方法來進(jìn)行選擇。電動機(jī)軸的負(fù)載功率為[12]
Pt=Pgηg=Mgng（9550ηd） （4-14）
式中:Pg —抽油桿輸出功率，kW；
ng—抽油桿的轉(zhuǎn)動速度，r/min；
ηd—螺桿泵地面驅(qū)動裝置的機(jī)械效率，一般都是在室內(nèi)的檢測中獲得，一般情況下取ηd=80%~92%；
Mg—抽油桿輸出扭矩，N·m，可以通過上面的公式計算得到。
4.3 抽油桿尺寸計算與電動機(jī)功率選擇
根據(jù)實際工作井況選定螺桿泵，電機(jī)轉(zhuǎn)子的截面直徑為D=0.038m，電機(jī)轉(zhuǎn)子的偏心距E=0.005m，電機(jī)的定子導(dǎo)程為T=0.16m，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n=90r/min，泵的理論排量為28m3d；油管的內(nèi)半徑r2=0.036m；抽油桿的半徑為r1=0.018m；電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的初始過盈量δ=0.5mm；抽油桿柱總的長度為L=1080m，抽油桿柱的線性密度ρ=8.22kg/m；井液密度μ=10mPa?s，泵懸掛位置油井中液體的溫度為50℃，投入正常生產(chǎn)時候的動態(tài)液面為1010m，含水率約為50%，套壓0.45MPa，油壓0.15MPa，油井中液體的密度為ρ=925kg/m3，折合后泵的進(jìn)出口壓力差為Δp=9.04MPa。
計算定子和轉(zhuǎn)子配合的初始過盈所產(chǎn)生的初始反扭矩M1
M1=91.3δ-n0.45=91.3×0.5-900.45=38.07N?m
計算螺桿泵在油井溫度為50℃的情況下，定子的橡膠發(fā)生溶脹時所產(chǎn)生的反扭矩M2
M2=M1+46.2=38.07+46.2=84.27N?m
計算抽油桿在具有粘性的井內(nèi)液體中轉(zhuǎn)動的時候所受到的摩擦力矩M3
M3=4πμω0r12r22L（r22-r12）=715.6N?m
計算泵在進(jìn)出口的壓力差作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上時產(chǎn)生的反扭矩M4
M4=2.6368ED△pπ=230.8N?m
抽油桿在電機(jī)提供的動力的作用下帶動螺桿泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時所必須克服的總的反扭矩Mg
Mg=M1+M2+M3+M4=1068.74N?m
計算電動機(jī)功率：
取螺桿泵地面驅(qū)動裝置的機(jī)械效率為nd=0.9
電動機(jī)功率Pt=Pgηg=Mgng（9550ηd）=11.2kW
因為電動機(jī)額定功率PN≥1.1Pt=12.32kW
根據(jù)上面計算所得的數(shù)據(jù)對照電動機(jī)功率規(guī)格表可知，可以選用15kW的電動機(jī)
螺桿泵在正常工作的情況下最大的啟動扭矩大約是相同轉(zhuǎn)速情況下由室內(nèi)檢測到的最大的啟動扭矩的1.5倍到2倍之間，根據(jù)螺桿泵的水利特性曲線可以得知，泵的最大扭矩為2×1000=2000N?m；轉(zhuǎn)換成電動機(jī)輸出軸的負(fù)載扭矩可以得到1.73×2000×901470=211.8N?m，電動機(jī)最小啟動轉(zhuǎn)矩240N?m。
因為轉(zhuǎn)換得到的負(fù)載扭矩小于選擇的電動機(jī)的最小的啟動扭矩，所以選定的電動機(jī)的功率能夠滿足啟動的要求。
按照第四強(qiáng)度理論校核抽油桿的強(qiáng)度：
如果一口油井選用的抽油桿柱是同一個規(guī)格的，那么抽油桿柱的危險斷面在井口處，該處的拉、扭載荷包括：
抽油桿柱自身的重力 F1=ρgL=11666.5N
泵能夠產(chǎn)生的軸向力 F2=2E2+D24π△p=112778.4N
拉應(yīng)力σ拉=F總S=122.32MPa
扭轉(zhuǎn)剪切力τ扭=MgWp=116.7MPa
根據(jù)第四強(qiáng)度理論，可以確定相當(dāng)應(yīng)力σ復(fù)=σ拉2+3τ扭2=228.26MPa
屈服強(qiáng)度為σ=800MPa，那么安全系數(shù)n=σσ復(fù)=800228.26=3.5 所以抽油桿能夠滿足屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計的要求。
4.4 其他零件的尺寸校核
4.4.1 平鍵尺寸校核
此處采用的是雙平鍵同時傳遞扭矩的設(shè)置，以提高動力傳遞的穩(wěn)定性和安全性。本次設(shè)計假定在鍵的工作面上的載荷是均勻分布的，普通平鍵的校核條件為
σp=2T×103kld≤σp
式中：T—傳遞的轉(zhuǎn)矩(T=Fy≈Fd2), N·m；
k—輪轂鍵槽與鍵接觸的高度，k=0.5h， h表示鍵的高度，mm；
l—鍵的工作長度，mm，取圓頭平鍵的l=L-b，平頭平鍵的l=L，這里L(fēng)是鍵的公稱長度，mm；b是鍵的寬度，mm；
d—軸的直徑，mm；
σp—許用擠壓應(yīng)力，MPa。
根據(jù)上一節(jié)計算出的抽油桿總的負(fù)載扭矩Mg=1068.74N?m，可以知道鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩為T=Mg2=534.37N?m。計算得σp=62280.9Pa。而鑄鐵平鍵的σp最小為30MPa，所以此平鍵完全符合要求。
4.4.2 壓帽的尺寸校核
假定壓帽僅受扭轉(zhuǎn)力的作用，則軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為[13]
τT=TWT≤τT
WT=πd316(1-β4)
β=d1d
式中：τT—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
T—軸所受的扭矩，N·mm；
WT—軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；
d1—軸內(nèi)徑，mm；
d—軸外徑，mm。
τT—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。
計算可得τT=1.96MPa，而45號鋼的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為25~45MPa，所以此壓帽完全符合要求。
4.4.3 推力調(diào)心滾子軸承校核
圖4-1 推力調(diào)心滾子軸承的安裝尺寸
如圖4-1所示，根據(jù)選擇的推力調(diào)心滾子軸承的型號和安裝尺寸查閱推力調(diào)心滾子軸承規(guī)格表可得出軸承的疲勞極限載荷為151000N，而此工況中該軸承需要承受的載荷為112778.4N，所以此軸承完全符合要求。
4.5 本章小結(jié)
這一章中所介紹的抽油桿的強(qiáng)度校核方法是以工作狀態(tài)為理想狀態(tài)的情況下得出來的，忽略了抽油桿接口處對機(jī)械磨擦和液體能量損失帶來的阻力影響、抽油桿繞軸線轉(zhuǎn)動時對液體沿程損失的影響，忽略了油液混合物的含砂量、溫度的改變、人工操作失誤等條件的影響。在實際工作情況下抽油桿不完全是繞著它的軸心在轉(zhuǎn)動，抽油桿受到的扭矩和拉力會因為油井中混合液量的大小和含砂、含氣情況的改變而改變，所以校核強(qiáng)度的過程中所選取的安全系數(shù)要大一些，推薦在2.5～4.5之間[14]，從而來保證含砂量高、粘度大的油井也能夠正常的工作。螺桿泵轉(zhuǎn)子和定子因為初始過盈而產(chǎn)生的初始反扭矩、橡膠發(fā)生發(fā)生溶脹的時候所產(chǎn)生的反扭矩以及螺桿泵在進(jìn)出口處的壓力差的作用與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的反扭矩是抽油桿柱所產(chǎn)生負(fù)載扭矩一個主要原因之一。對粘度大的油井，抽油桿在轉(zhuǎn)動的時候和具有粘性的井液發(fā)生摩擦所產(chǎn)生的反扭矩占抽油桿負(fù)載扭矩的比例較大。在使用螺桿泵采油的時候，抽油桿柱推薦使用空心抽油桿[15]。主要是因為空心抽油桿的抗扭模量比較大，可以很大程度上提高抽油桿的抗扭強(qiáng)度，而且它傳遞扭矩的時候不是通過螺紋傳遞的，所以可以防止發(fā)生螺紋脫扣的事故。正確操作和使用螺桿泵也是防止抽油桿發(fā)生斷脫事故的一種非常有效的措施。
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總結(jié)
總結(jié)
本次設(shè)計在選擇油井工況的時候選擇的工作環(huán)境較為輕松，而許多零件的尺寸選擇是為了滿足大部分的工作要求的，因此在尺寸的校核的時候出現(xiàn)了實際載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用載荷。
本次設(shè)計只限制在對連接電動機(jī)和抽油桿實現(xiàn)動力傳遞部分的設(shè)計，即設(shè)計的是動力連接裝置，針對性強(qiáng)，工作量式中，比較符合對本科生的鍛煉要求，也讓本人切實地熟悉設(shè)計工作從設(shè)計方案到具體解決實際問題再到完成圖紙繪制等一系列工作的流程。一次設(shè)計不僅要用到機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理、流體力學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械制圖、CAD等專業(yè)方面的知識，還要需要自己掌握文獻(xiàn)查閱、外文文獻(xiàn)翻譯、PPT制作等技能，是對自己的一此綜合鍛煉，也是把自己大學(xué)四年學(xué)過的知識做了一次很好的復(fù)習(xí)和融合。這是對自己作為機(jī)械專業(yè)學(xué)生的一次綜合的考察，也
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