第1章 緒論
1.1 引言
石油是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，石油開采量是一個國家發(fā)達(dá)程度的標(biāo)志。但是隨著人類對石油資源的不斷開發(fā)，新開發(fā)的油田和處于開采中后期的油田，抽油條件變得日益復(fù)雜。從原油成分來看，僅含水一項，在我國陸上除四川外的19個油區(qū)中，由于采用注水開發(fā)方式，截至1997年底，綜合含水達(dá)到82.5%，總體上己處于高含水期。這些綜合含水高于80％的油區(qū)包括大慶、勝利、大港、中原、河南、江漢等，而這些油區(qū)恰恰是我國石油的主要產(chǎn)區(qū)，其年產(chǎn)油量占全國的66.4%，己采出可采儲量的71.5%，剩余的29.5％可采儲量仍占全國的69.6％。也就是說，我國原油的重點產(chǎn)區(qū)目前均處于高含水階段；從原油的粘度來看，我國的稠油資源非常豐富，儲量約20億噸，其中一半以上的特稠油（粘度大于104mPa·S）尚未開采。此外，原油中含砂、含氣、含蠟、含膠質(zhì)、含石膏的情況越來越多，而且含量越來越高，同時，低滲透層原油也不斷增多；從油井類型來看，深井、超深井、垂直井、定向井、叢式井、斜井和水平井等高難度油井逐漸增多。油田開采條件的日益復(fù)雜化，使得無論是在技術(shù)上，還是在經(jīng)濟(jì)效益上都要求采油設(shè)備能適應(yīng)惡劣的采油環(huán)境。
傳統(tǒng)的采油設(shè)備主要以游梁式抽油機(jī)（圖1-la）為主，其由三部分組成：一是地面部分-游梁式抽油機(jī)，包括電動機(jī)、減速箱和四連桿機(jī)構(gòu)；二是井下部分-抽油泵，它懸掛在套管中油管的下端；三是聯(lián)系地面和井下的中間部分-抽油桿柱，它由一種或幾種直徑的抽油桿和接箍組成。游梁式抽油機(jī)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護(hù)方便，缺點是抽油泵排量太小，一般為50～100米3/天。而且該系統(tǒng)含砂敏感，地面驅(qū)動部分體積龐大。為了減輕抽油機(jī)的重量，人們又開發(fā)了無游梁式抽油機(jī)，它分為機(jī)械無游梁式抽油機(jī)和液壓無游梁式抽油機(jī)兩種。它們的共同特點是保留抽油桿和原來的抽油泵，維持有桿泵抽油設(shè)備的工作方式。無游梁式抽油機(jī)，特別是液壓無游梁式抽油機(jī)的采用，可以降低抽油桿中的應(yīng)力和改善它的工作條件，因而擴(kuò)大了有桿泵抽油設(shè)備的使用范圍。然而，無論是游梁式抽油機(jī)還是無游梁式抽油機(jī)，由于其抽油泵固有的結(jié)構(gòu)特點，在抽取含砂、含氣、含水、含蠟、含膠質(zhì)、含石膏的原油、稠油和低滲透層原油時，均無法滿足工作要求。
針對這些情況，近年來人們研制了螺桿泵代替原來的抽油泵，開發(fā)出地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)（圖1-lb）。該系統(tǒng)主要由地面驅(qū)動部分和井下螺桿泵兩大部分組成，二者采用抽油桿連接，地面電機(jī)帶動抽油桿旋轉(zhuǎn)使螺桿泵工作。由于螺桿泵定子襯套是用耐油橡膠制成，軟而有彈性，一旦砂粒落入螺桿和襯套之間，可被壓入橡膠襯套，隨著螺桿在襯套內(nèi)表面的滾動帶滑動作用，砂粒很容易被油流帶走而不影響螺桿-襯套副的正常工作，所以該系統(tǒng)對含砂原油不敏感，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、占地空間小、使用與調(diào)節(jié)方便、泵效率高。80 年代初，加拿大Lindbergh-Elkpoint 油田準(zhǔn)備投入開發(fā)，該地區(qū)的原油粘度高達(dá)6O00OmPa·s，含砂40％～50%，經(jīng)過論證，最終采用地面液壓驅(qū)動單螺桿泵裝置。實踐證明，這一決策是正確的。幾年后，重質(zhì)油的成功開采帶動了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展。美國Amoco公司從1991 年開始，在美國南部二疊系盆地高含水油井用螺桿泵進(jìn)行采油試驗，目的是比較在相同或相近井況下螺桿泵、游梁式抽油泵、電潛泵等裝置的電力消耗及機(jī)械效率，以便優(yōu)選出這一地區(qū)最為經(jīng)濟(jì)的人工舉升措施。試驗結(jié)果表明：螺桿泵裝置的平均總系統(tǒng)效率達(dá)63.4%，比游梁式抽油泵效率高13%，比電潛泵效率高50％。
總之，在稠油井（粘度5O00mPa·S）、含砂井（含砂2.5 %）、大油氣比油井( 70Om3 /t）、低產(chǎn)井、中后期水驅(qū)油田和少數(shù)過去認(rèn)為沒有開采價值的油井的開采中，特別是游梁工抽油機(jī)無法正常生產(chǎn)的油井中，地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)在增產(chǎn)節(jié)能方面顯示出它的巨大優(yōu)越性。
在螺桿泵的研究和應(yīng)用方面，國外幾個主要的螺桿泵制造應(yīng)用公司已取得了很大進(jìn)展，積累了不少成功的經(jīng)驗。目前，加拿大5萬口油井中有40%使用螺桿泵采油，前蘇聯(lián)在70年代就開始著手研制螺桿泵，以用于油田采油。80年代中期以來，我國各大油田也相繼開發(fā)這種技術(shù)。目前，遼河、勝利、大慶等油田已廣泛應(yīng)用地面驅(qū)動單螺桿泵開采原油，并取得較好經(jīng)濟(jì)效益。
但是隨著地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)推廣規(guī)模的擴(kuò)大，該系統(tǒng)逐漸暴露出各種問題。其中抽油桿失效問題尤為突出，限制了這種采油方式的應(yīng)用，根據(jù)國外資料和國內(nèi)部分油田使用情況，抽油桿失效類型主要有抽油桿斷裂、抽油桿與接箍聯(lián)接螺紋失效（包括聯(lián)接螺紋脫扣及螺紋剪切破壞）和抽油桿接頭損壞等。
此外，由于抽油桿的軸向竄動大，使得螺桿泵的轉(zhuǎn)子與定子之間間隙增大，從而嚴(yán)重降低了螺桿泵的使用壽命；抽油桿在工作過程中有時承受過載扭矩，作業(yè)卸扣時沒有使用專用工具，由于卸扣困難而人為錘擊，也常造成抽油機(jī)損壞；其它諸如光桿密封器漏油、泵停機(jī)后再啟動困難、油管脫落等故障也經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響油田生產(chǎn)。
針對地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)的缺點，為徹底改變有桿泵抽油設(shè)備的工作方式，人們開始研制無桿抽油設(shè)備。目前的無桿抽油設(shè)備主要包括井下液壓驅(qū)動單螺桿泵系統(tǒng)和電動潛油螺桿泵（ESPCP）系統(tǒng)。前一種主要由加拿大Corod Manufacturing Inc。( 1 991年被Weatherford International公司收購）生產(chǎn)，國內(nèi)原沈陽新陽機(jī)器制造公司也開發(fā)出YLB43×15型井下液壓驅(qū)動單螺桿泵采油系統(tǒng)，但未能在油田推廣使用。后一種除保持了螺桿泵采油的固有優(yōu)勢之外，還能克服地面機(jī)械驅(qū)動和井下液壓驅(qū)動單螺桿泵采油系統(tǒng)的缺點，所以引起了業(yè)內(nèi)人士的極大興趣。目前，美國、原蘇聯(lián)國家、法國、加拿大、羅馬尼亞等國家均己采用了電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)，其中以原蘇聯(lián)數(shù)量最多，共有單螺桿、雙螺桿和三螺桿等3種形式，其電動潛油單螺桿泵采油系統(tǒng)為上下2個左右旋轉(zhuǎn)子并聯(lián)。法國PCMPompes公司生產(chǎn)的電動潛油單螺桿泵（Moineau泵）采油系統(tǒng)則采用了4個相同的單螺桿泵串聯(lián)或上下2組左右旋單螺桿泵并聯(lián)結(jié)構(gòu)。美國生產(chǎn)電動潛油單螺桿泵的廠家主要有Schlumberger Reda Pump 公司和Baker Hughes Centrilift 公司，基本上代表了目前世界上機(jī)械采油設(shè)備的最高水平。
電動潛油螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)（圖1-2）的最大特點是不需要抽油桿傳遞動力，并將驅(qū)動部分放入井下，使得整個采油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，具有廣泛的適應(yīng)性。不但適用于開采條件好的油井，同樣也適用于深井、定向井、叢式井、斜井、水平井等高難度油井。由于該系統(tǒng)省去了近千米的抽油桿，所以不但極大地降低了生產(chǎn)成本，從根本上克服了抽油桿帶來的一系列缺陷，還縮短了傳動鏈，減少了功率損失，提高了系統(tǒng)效率，消除了由于光桿密封磨損造成的井口滲漏，解決了油管“反轉(zhuǎn)”的安全問題，極大地延長了油管、螺桿泵的使用壽命和油井的連續(xù)生產(chǎn)時間，并且擴(kuò)大了泵在不同開采條件下的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍。
1-地面；2-油管；3-電纜；4-電源；5-螺桿泵；6-減速器；7-潛油電機(jī)；8-保護(hù)器；9-套管
圖l-2 電動潛油螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)示意圖
總之，電動潛油螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)有著良好的發(fā)展前景，它可以節(jié)約大量資源（不含抽油桿，全國5萬臺抽油機(jī)可節(jié)約60萬噸鋼材）、節(jié)約大量能源（有桿抽油設(shè)備的功率有相當(dāng)一部分消耗在往復(fù)提取6噸多重的抽油桿上）、廣泛適應(yīng)各種復(fù)雜油井、廣泛適應(yīng)高粘稠、高含水、含砂的油田等，是一項提高油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的重大科研課題。
1.2 課題研究的目的和意義
電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)雖然有很多優(yōu)點，但目前在技術(shù)上還不夠成熟。主要存在的問題包括單螺桿泵低轉(zhuǎn)速高扭矩的動力輸入要求與現(xiàn)有潛油電機(jī)高轉(zhuǎn)速低扭矩輸出的矛盾和由于螺桿泵定子橡膠失效而導(dǎo)致的螺桿泵壽命過短問題。對于螺桿泵定子橡膠失效的問題，主要是由于定子橡膠的耐油氣浸性能、耐溫性能、抗磨性能以及抗疲勞老化性能不過關(guān)所致，可以通過恰當(dāng)?shù)嘏湮橄鹉z成分來滿足工作環(huán)境對定子橡膠的機(jī)械物理化學(xué)性能的要求。而對于單螺桿泵的動力輸入要求與潛油電機(jī)的實際輸出之間的矛盾，原則上可通過2個途徑加以解決：改造潛油電機(jī)以降低潛油電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者采用潛油電機(jī)加上減速器的結(jié)構(gòu)形式。對于降低潛油電機(jī)轉(zhuǎn)速而言，可以用降低電源效率和改變電機(jī)定子磁極數(shù)的方法。目前，美國Baker Hughes Centrilift 公司采用地面速度控制器，在地面提供50Hz 、60Hz 兩種電源頻率，其對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2917rpm 、3500rpm；此外還有Wood Group ESP 公司的Logixl 100 頻率控制器等，但這種方法的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速仍然較高。如果采用改變電機(jī)定子磁極數(shù)的方法，對于2 、4 、6 極潛油電機(jī)在電源頻率60Hz時的轉(zhuǎn)速分別為3500rpm 、1700rpm 和1000rpm； 若使?jié)撚碗姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)速達(dá)200～300rpm，則必須采用16 極電機(jī)（定子），就目前的電機(jī)制造技術(shù)而言難度較大。所以較為合理的方案應(yīng)是采用潛油電機(jī)和減速器的結(jié)構(gòu)形式。資料表明，美國Baker Hughes Centrilift 公司和Schlumberger Reda Pump 公司都采用這種方式，其最大優(yōu)點在于能在降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時提高單螺桿泵的輸入扭矩。Baker Hughes centrilift 公司生產(chǎn)的電動潛油單螺桿泵ESPCPTM采油系統(tǒng)自下而上由潛油電機(jī)、齒輪減速器、密封保護(hù)器、撓性軸、吸入口以及單螺桿泵組成。該公司于1992年末開始研制開發(fā)，起初研究的幾種齒輪減速器裝置效果較差，通過與具有齒輪設(shè)計專長的公司進(jìn)行合作，目前已經(jīng)開發(fā)有兩級行星齒輪減速器的系列產(chǎn)品，表1-1給出了在不同減速比下兩極電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。
表l—1 Centrilift 齒輪減速器輸出轉(zhuǎn)速
| 電機(jī)頻率f/Hz |
減速比9:1 |
減速比11.5:1 |
| 50 |
324 |
254 |
| 60 |
389 |
304 |
Schlumberger Reda Pump公司生產(chǎn)的電動潛油單螺桿泵采油系統(tǒng)簡稱為PCSPS, 自下而上由潛油電機(jī)、保護(hù)器、REDA/NAMCO 行星齒輪減速箱、撓性聯(lián)軸器（Gearbox Flex Drive）以及單螺桿泵組成。其中REDA/NAMCO 行星齒輪減速器和撓性聯(lián)軸器的相關(guān)參數(shù)如表1-2。
表1-2 Reda Pump 齒輪減速器相關(guān)參數(shù)
| 潛油電機(jī)系列： |
電機(jī)頻率f/Hz |
電機(jī)轉(zhuǎn)速n/r·min-1 |
功率范圍P/kw |
減速比 |
外徑尺寸D/mm |
| 450 |
60 |
1750 |
7.35～36.75 |
4:1 |
106.68 |
| 540 |
60 |
1750 |
7.35～51.54 |
16:1 |
133.35 |
| 562 |
60 |
1750 |
開發(fā)之中 |
顯然，無論是從電機(jī)制造技術(shù)，還是從經(jīng)濟(jì)成本的角度來看，采用“潛油電機(jī)＋減速裝置”的方案都是最佳方案。目前，我國尚無技術(shù)成熟、性能可靠的電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)，各大油田已經(jīng)或正準(zhǔn)備著手進(jìn)行這方面的研究工作，從目前的實際情況看，潛油電機(jī)已經(jīng)有較為成熟的產(chǎn)品，螺桿泵定子失效問題也可解決，所以電動潛油單螺桿泵采油系統(tǒng)能否成功應(yīng)用關(guān)鍵就在于減速器的合理設(shè)計。
從機(jī)械傳動理論的角度看，單螺桿減速器、一般定軸輪系、牽曳傳動、正旋滾道活齒傳動、諧波齒輪傳動、2K-H 類NGW型行星輪系、少齒差行星輪系及滾柱活齒傳動都可以實現(xiàn)同軸減速傳動，但因井下油層套管內(nèi)徑的嚴(yán)格限制（φ114mm) ，實際上使得減速器傳動方式的選擇受到了很大局限。
單螺桿式減速器具有加工精度要求低、徑向尺寸小等優(yōu)點，但這種減速器的螺桿和襯套磨損嚴(yán)重、壽命低，螺桿和襯套的加工需要專用機(jī)床，不適合作井下螺桿泵驅(qū)動，因而沒有進(jìn)行井下實際操作檢驗。
一般定軸輪系齒輪傳動受徑向尺寸及單級傳動比的限制，很難經(jīng)過一級減速達(dá)到預(yù)定的減速比。
少齒差行星輪系包括目前工程上廣泛使用的漸開線少齒差行星傳動、擺線針輪行星傳動等。該種結(jié)構(gòu)的減速器具有承載能力大、體積小、傳動精度高、傳動效率高等特點。但其傳動比較大（單級傳動通常為50～100 ) ，而電動潛油單螺桿泵采油系統(tǒng)需要的傳動比為10左右，所以也不適合。
滾柱活齒傳動具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊（體積僅為同功率、同傳動比的齒輪傳動的1/ 3，蝸桿傳動的1/2）、多齒嚙合、承載能力高（比同傳動比的齒輪傳動和蝸桿傳動高5～6倍）、傳動平穩(wěn)、傳動效率高（隨傳動比的增加而降低，在95％～70％之間）等優(yōu)點。
綜上所述并結(jié)合油田需要，本課題確定滾柱活齒傳動作為該減速器的傳動方式，設(shè)計要求：傳動比i=9 ，最大徑向尺寸φ114mm，工作井深1000m。
1.3 國內(nèi)外活齒傳動的發(fā)展概況
活齒傳動，全稱為“活齒少齒差行星齒輪傳動”，是一種由K-H-V 型少齒差行星齒輪傳動演化而成的一種新型齒輪傳動。它的特點是固定輪上的齒形制成圓弧或其他曲線，行星輪上的各輪齒改用單個的活動構(gòu)件（如滾柱）代替，而這些構(gòu)件分別置于輸出軸上沿周向分布的槽孔中，當(dāng)主動偏心構(gòu)件（波發(fā)生器）驅(qū)動時，它們將在槽孔中活動，故稱為“活齒”。常見的活齒傳動分為推桿活齒傳動（圖1-3a）、滾柱（鋼球）活齒傳動（圖1-3b）、套筒活齒傳動（圖1-3c）、擺動活齒傳動（圖1-3d）等。活齒結(jié)構(gòu)形式最初是由德國人于30 年代提出的，40 年代德國將活齒傳動技術(shù)應(yīng)用于汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中。60 年代前后，美國、前蘇聯(lián)、英國、聯(lián)邦德國等國都先后開展了研究工作。前蘇聯(lián)研究了“柱塞傳動”（活齒傳動的一種型式），提出了它的運動分析和力分析的計算方法。美國學(xué)者提出了推桿活齒減速器傳動裝置，分析了傳動原理，對傳動比和作用力進(jìn)行了計算，分析了其傳動性能。英國推出了“滑齒減速器”。80年代，前蘇聯(lián)學(xué)者HLHATHIIIeB.P.M推出了另一種活齒傳動形式即“正旋滾珠傳動”，并研究了正旋滾珠活齒傳動的嚙合理論、強度特性、走和性能等。前蘇聯(lián)還將正旋滾珠減速器用于石油鉆探中，成功地解決了渦輪鉆具轉(zhuǎn)速過高的難題。英國也曾對活齒傳動減速器進(jìn)行了系列生產(chǎn)，單給傳動的傳動比為20～80，效率為86%～87%，也有雙級和三級傳動，功率N＜25馬力。80年代才真正開始的，1986年北京航空學(xué)院陳仕賢教授提出了推桿活齒針齒輪減速機(jī)，其結(jié)構(gòu)與樣機(jī)于同看獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明博覽會金獎。1987年，周有強教授等人提出了套筒活齒少齒差傳動并申報了國家專利。麻彪對套筒活齒少齒差傳動提出了一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)方案。1988年曲繼方教授提出了軸向活齒傳動的一種結(jié)構(gòu)形式及齒形設(shè)計方法，同時提出了另一種新型活齒傳動裝置-擺動活齒減速機(jī)并申報國家專利。90年代，江陰東亞減速機(jī)廠的嚴(yán)明工程師提出了一種新結(jié)構(gòu)活齒傳動-移位滾柱減速機(jī)，該項技術(shù)獲國家專利并在全國發(fā)明博覽會和北京國際博覽會上均獲得銀獎。此外，我國學(xué)者還獲得了滾道減速機(jī)（CN 86 200768U）、密切圓活齒傳動、變速傳動軸承（CN 85 200923U）等多種專利技術(shù)。
我國在活齒傳動理論的研究方面也取得一系列可喜的成果，在學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會議上發(fā)表了一些有關(guān)活齒傳動的學(xué)術(shù)論文。其中燕山大學(xué)曲繼方教授總結(jié)了自己發(fā)表的系列文章，編寫了活齒傳動領(lǐng)域唯一一部專著《活齒傳動理論》，書中利用機(jī)構(gòu)學(xué)中轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法、等效機(jī)構(gòu)法、滑滾替代法及機(jī)構(gòu)演化等研究各種活齒傳動的運動學(xué)、結(jié)構(gòu)綜合、齒形綜合、加工制造等一系列理論和應(yīng)用內(nèi)容，是一部較全面系統(tǒng)地研究活齒傳動的著作。西安交大劉生林研究了擺動活齒減速器的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)行了運動學(xué)分析，推導(dǎo)出了內(nèi)齒圈齒廓方程式，還對工作齒數(shù)和工作區(qū)域等問題進(jìn)行了研究。劉生林在其博士論文中還集中研究了推桿活齒減速器的計算機(jī)輔助設(shè)計方法及其優(yōu)化設(shè)計。四川大學(xué)梁尚明研究了擺動活齒傳動的強度、運動學(xué)嚙合剛度、模糊優(yōu)化設(shè)計等方面的內(nèi)容。張以都等研究了套筒活齒的應(yīng)力數(shù)學(xué)模型、計算方法和多齒受力分析。燕山大學(xué)安子軍等運用齒輪嚙合原理研究了擺動活齒傳動的內(nèi)齒圈齒形綜合問題，給出了實際齒形方程式和嚙合線方程，根據(jù)誤差理論，研究了擺動活齒傳動的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及其誤差對齒形的影響。沈陽工業(yè)學(xué)院的丁茹研究了擺動活齒傳動中擺動活齒嚙合副的滑滾情況，并用機(jī)械原理方法和嚙合原理方法分別推導(dǎo)出擺動活齒、內(nèi)齒圈嚙合副滑動率方程式，將擺動活齒傳動共軛齒廓的滑動率與推桿式活齒傳動共軛齒廓的滑動率進(jìn)行了分析比較。江漢石油學(xué)院黃清世等推導(dǎo)了推桿活齒傳動內(nèi)齒輪理論廓線齒頂曲率半徑的計算公式，指出內(nèi)齒輪的齒數(shù)和偏心輪的偏心距越小，內(nèi)齒輪的齒頂曲率半徑就越大。沈陽工業(yè)大學(xué)范高潮等從活齒傳動的原理上對各種不同的運動副組合方案進(jìn)行了探討和對比。燕山大學(xué)孫國慶等利用彈流潤滑理論，推導(dǎo)了常溫下外波式活齒減速器活齒與波形輪接觸處油膜厚度公式，為進(jìn)一步研究該類減速器的潤滑機(jī)理和工作性能提供了理論根據(jù)。廣東工業(yè)大學(xué)陽林等提出了可滿足最大重合度、最小壓力角和最佳受力條件三個目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化方法。大連機(jī)床廠張才富等研究了外波式活齒傳動，推導(dǎo)出作用在活齒上諸力之間的關(guān)系式和接觸強度計算公式，得出嚙合力的作用曲線。
總之，國內(nèi)外對于活齒傳動的研究主要集中在結(jié)構(gòu)理論、運動學(xué)、嚙合理論和嚙合性能（如重合度、滑動率）等方面，并取得了一些研究進(jìn)展，但對其可靠性、動力學(xué)等方面的研究還是空白。
1.4 國內(nèi)外石油鉆采裝備的可靠性應(yīng)用現(xiàn)狀
近四十年來，俄羅斯、美國、德國等國逐漸將可靠性設(shè)計理論和方法應(yīng)用到石油天然氣工業(yè)的許多技術(shù)領(lǐng)域，研究的范圍廣且系統(tǒng)性強。早在60 年代末，原蘇聯(lián)就開始以石油天然氣工業(yè)中設(shè)備綜合可靠性指標(biāo)的評定作為主要目標(biāo)，開始了系統(tǒng)的研究工作。其中包括：對設(shè)備進(jìn)行故障調(diào)查，確定可靠性指標(biāo)；對機(jī)械設(shè)備的主要零部件進(jìn)行大量的可靠性壽命試驗，積累了大量的可靠性數(shù)據(jù)，進(jìn)而不斷地改進(jìn)設(shè)計，使產(chǎn)品性能不斷提高；制定了石油設(shè)備可靠性的評定規(guī)范，對石油設(shè)備的可靠性工作作出了較大貢獻(xiàn)。美國將可靠性和質(zhì)量保證融合在一起，將可靠性作為質(zhì)量保證的一個重要組成部分，在質(zhì)量保證的每個階段中，加強了可靠性的概念和方法的應(yīng)用。美國的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，多為企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)品設(shè)計時一般以設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范和故障預(yù)防手冊三者為基本資料。故障預(yù)防手冊是將產(chǎn)品故障的模式、發(fā)生情況、原因、對策、再發(fā)預(yù)防措施等匯編成冊，作為重要的設(shè)計資料。如出現(xiàn)新的重要故障要開展充分調(diào)查，進(jìn)行故障再現(xiàn)試驗，驗證故障機(jī)制，在故障對策和再發(fā)預(yù)防措施研制成功后，列入預(yù)防手冊。對一些規(guī)律性的故障反饋分析后，還及時修改設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保證在設(shè)計時能預(yù)防所有可能出現(xiàn)的故障。許多美國大公司的可靠性數(shù)據(jù)主要來自使用現(xiàn)場，通過建立索賠情報、故障報告、監(jiān)測和調(diào)查報告為主體的計算機(jī)數(shù)據(jù)收集和反饋系統(tǒng)，隨時掌握故障的發(fā)展趨勢。
我國在石油機(jī)械工程中開展可靠性技術(shù)的應(yīng)用研究始于80 年代，主要研究了鉆機(jī)零部件、金屬結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)的可靠性設(shè)計方法。在沒有試驗數(shù)據(jù)情況下，按正態(tài)分布或指數(shù)分布假設(shè)，分析了產(chǎn)品零部件的可靠性，并從系統(tǒng)角度，初步探索了鉆機(jī)可靠性分析和設(shè)計方法。但是，由于缺少經(jīng)費、缺少試驗、缺少數(shù)據(jù)，我國鉆采機(jī)械的可靠性研究總體上還處于比較落后的狀態(tài)，理論探討少而實際應(yīng)用更少，阻礙了鉆采機(jī)械質(zhì)量的提高。
目前我國鉆采機(jī)械的最大弱點是可靠性差。雖然我國鉆采機(jī)械的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)己形成較完備的體系，從整機(jī)到各主要零部件，從設(shè)計到制造，從試驗到安裝維護(hù)都有各類標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制，但唯獨沒有可靠性指標(biāo)，在鉆采機(jī)械設(shè)計規(guī)范中也沒有提及這方面的內(nèi)容，對鉆機(jī)在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力沒有指標(biāo)約束。由于缺乏對可靠性這一主要質(zhì)量特征的控制，致使我國的鉆采機(jī)械產(chǎn)品與世界先進(jìn)水平存在著很大的差距，而國際市場上，產(chǎn)品競爭的焦點是產(chǎn)品可靠性的高低，所以提高我國石油鉆采機(jī)械的可靠性已經(jīng)刻不容緩。
1.5 機(jī)械模糊可靠性的研究現(xiàn)狀
隨著各種新型復(fù)雜系統(tǒng)的建立和工程項目的實施，常規(guī)可靠性設(shè)計理論與工程實踐的矛盾日益突出。通過分析，人們認(rèn)識到常規(guī)可靠性設(shè)計理論是以二值邏輯為基礎(chǔ)的，其認(rèn)為系統(tǒng)總是處于能滿意地完成其預(yù)定功能的完好狀態(tài)和不能完成其預(yù)定功能的故障狀態(tài)兩者之一，只是系統(tǒng)處于何種狀態(tài)是隨機(jī)的，而實際工程系統(tǒng)中，許多失效形式如疲勞斷裂、磨損、腐蝕及蠕變等，都是由于損傷累積引起性能下降最終導(dǎo)致故障，系統(tǒng)從完好狀態(tài)到故障狀態(tài)是由一系列中間狀態(tài)相互聯(lián)系、相互滲透、相互轉(zhuǎn)化的，這種中間過渡狀態(tài)既不是完全“完好”，也不是完全“故障”，而是呈現(xiàn)“亦此亦彼”的模糊狀態(tài)。另外，機(jī)械可靠性設(shè)計所需的大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)常常要設(shè)計人員依靠經(jīng)驗，根據(jù)實際情況加以判斷、選擇，而人的經(jīng)驗屬于模糊性的范疇，難以用隨機(jī)方法加以描述。
面對常規(guī)可靠性設(shè)計理論所處的困境，需要有一種即能描述系統(tǒng)的復(fù)雜性和模糊性，又能將設(shè)計人員的經(jīng)驗定量表示出來，從而能正確描述系統(tǒng)可靠性真實狀態(tài)，給出相應(yīng)的可靠性設(shè)計與分析的數(shù)學(xué)工具，這種數(shù)學(xué)工具就是模糊數(shù)學(xué)。將模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于機(jī)械可靠性設(shè)計中，就形成了機(jī)械模糊可靠性設(shè)計這一學(xué)科，它是常規(guī)可靠性設(shè)計理論的發(fā)展和延伸，而常規(guī)可靠性設(shè)計理論是模糊可靠性設(shè)計理論的基礎(chǔ)和依據(jù)。
1975 年Kanfmann.A 首先將模糊數(shù)學(xué)引入可靠性中，從而提出了模糊可靠性的概念，而對于機(jī)械模糊可靠性的研究始于80 年代中期。迄今為止真正獲得的研究成果主要在論述模糊可靠性設(shè)計理論的必要性，通過擴(kuò)展常規(guī)可靠性指標(biāo)，獲得模糊可靠性的主要指標(biāo)，即模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率、模糊平均壽命等的計算公式方面。主要成果如下：
(1)較系統(tǒng)和客觀地闡述了建立模糊可靠性設(shè)計理論的必然性。Brown CB用模糊集理論來表示結(jié)構(gòu)的可靠度，TanakaH 等應(yīng)用了模糊概率的概念。文獻(xiàn)討論了常規(guī)可靠性缺陷的根源在于常規(guī)可靠性是建立在概率論基礎(chǔ)之上的，只能解決隨機(jī)問題，對模糊性問題無能為力，并從可靠性的定義出發(fā)，說明了其包括的內(nèi)容（對象、條件、時間、功能和能力）本身就是模糊的概念，因而利用語言算子將可靠性分為模糊事件精確概率、清晰事件模糊概率、模糊事件模糊概率。文獻(xiàn)對常規(guī)可靠性理論進(jìn)行了批判性評述，討論了模糊可靠性理論的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用前景，研究了常規(guī)可靠性理論的二值邏輯假設(shè)和概率假設(shè)的不合理性，討論了由于工程系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理的復(fù)雜性以及人們認(rèn)識上的局限性而帶來的不確定性，從而引起常規(guī)可靠性理論的計算結(jié)果與實際情況不一致的現(xiàn)象時有發(fā)生，作者認(rèn)為這些不確定性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：試驗條件與實際系統(tǒng)所處的自然條件不完全一致，試驗手段客觀條件的限制而造成測試結(jié)果的不完全正確等試驗分析帶來的不確定性；用有限樣本代替無限樣本等統(tǒng)計分析帶來的不確定性；力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析等簡化假設(shè)帶來的不確定性；分析計算模型與實際情況不完全吻合，設(shè)計中的差錯等帶來的不確定性；一些對系統(tǒng)的可靠性有影響，但人們尚未認(rèn)識到的因素帶來的不確定性。由于這些不確定性多數(shù)是未知的、無法量化的或信息不全的，因此這些不確定性并不能都?xì)w結(jié)為隨機(jī)問題處理，但人們又必須在這些條件下進(jìn)行決策和設(shè)計，此時常規(guī)可靠性設(shè)計理論不能解決問題，而采用模糊可靠性設(shè)計方法是一種必然的趨勢，該方法也將發(fā)展成為一種較有效的設(shè)計理論。其他這方面的研究還有文獻(xiàn)等。
(2)建立了模糊可靠性的主要指標(biāo)。通過將常規(guī)可靠性的主要指標(biāo)，如可靠度、失效概率、故障率、平均壽命等的延伸和擴(kuò)展，文獻(xiàn)在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了模糊可靠性的主要指標(biāo)模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率、模糊平均壽命等的具體計算公式；文獻(xiàn)討論了將壽命模糊化后，模糊可靠性指標(biāo)的計算方法。文獻(xiàn)詳細(xì)討論了將清晰工作時間拓展到模糊工作時間時的可靠性指標(biāo)的計算方法；文獻(xiàn)詳細(xì)討論了清晰功能拓展到模糊功能時的可靠性指標(biāo)的計算方法。這些研究將模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于可靠性設(shè)計中，拓展了常規(guī)可靠性的研究范圍，為模糊可靠性的研究開辟了有益的途徑。
(3）對系統(tǒng)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標(biāo)的計算方法，對系統(tǒng)的模糊可靠性分析進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)研究了并聯(lián)系統(tǒng)的模糊可靠性，文獻(xiàn)研究了表決系統(tǒng)的模糊可靠性，文獻(xiàn)研究了轉(zhuǎn)換完全可靠的旁聯(lián)系統(tǒng)的模糊可靠性，文獻(xiàn)研究了轉(zhuǎn)換不完全可靠的旁聯(lián)系統(tǒng)的模糊可靠性，文獻(xiàn)研究了復(fù)雜系統(tǒng)的模糊可靠性，文獻(xiàn)利用模糊概率對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析，文獻(xiàn)將模糊集合論引入到故障樹分析中，擴(kuò)大了模糊重要度的應(yīng)用范圍。文獻(xiàn)討論了用區(qū)間數(shù)來進(jìn)行模糊系統(tǒng)可靠性分析的方法，文獻(xiàn)以Bellmann 、Goguen 、Dubois 和Prade 、Zimmermann等人的研究成果為基礎(chǔ)，將模糊集理論引入故障樹分析中，把故障發(fā)生概率描述為一模糊數(shù)，導(dǎo)出了與“與門”及“或門”相應(yīng)的模糊算子，提出了系統(tǒng)模糊故障樹的分析方法。文獻(xiàn)討論了組成系統(tǒng)的單元具有不同隸屬函數(shù)時系統(tǒng)模糊可靠性分析方法。文獻(xiàn)討論了同時考慮模糊性和隨機(jī)性時系統(tǒng)可靠性的分析方法。這些研究拓廣了利用常規(guī)可靠性理論研究系統(tǒng)可靠性的方法。
(4）結(jié)構(gòu)或零部件模糊失效概率和模糊可靠度的計算。這方面的內(nèi)容是模糊可靠性設(shè)計理論的重要組成部分。因為零部件失效概率和可靠度的計算原理和方法是模糊可靠性設(shè)計理論之根本，也是模糊可靠性設(shè)計從理論走向?qū)嵱弥A(chǔ)，這方面的研究將為機(jī)械設(shè)計中如何定量處理模糊現(xiàn)象，如何使定量處理的模糊現(xiàn)象可供設(shè)計使用指明方向。目前的主要成果包括：文獻(xiàn)提出了應(yīng)力的許用范圍是一個具有過渡性邊界的模糊區(qū)間，也就是說從絕對允許到絕對不允許之間有一個中間過渡階段。文獻(xiàn)討論了在數(shù)據(jù)資料不足，只能利用一些不確定的或模糊信息時，用模糊集合描述應(yīng)力和強度的方法，討論了設(shè)計變量是隨機(jī)變量和模糊變量的組合時，計算可靠度的一般方法，并給出模糊變量具有正態(tài)型隸屬函數(shù)，而隨機(jī)變量服從正態(tài)分布時可靠度的計算公式。文獻(xiàn)討論了將廣義應(yīng)力處理為隨機(jī)變量，廣義強度處理成帶有模糊邊界的中間過渡區(qū)時，模糊可靠性分析的方法，由于考慮了模糊邊界，計算的可靠度較常規(guī)可靠性設(shè)計方法計算的要大，因而更為合理、經(jīng)濟(jì)、實用。文獻(xiàn)討論了將許用變形處理成帶有模糊過渡區(qū)時軸類零件剛度的模糊可靠性設(shè)計。文獻(xiàn)討論了隨機(jī)變量和模糊變量組合時，機(jī)械強度的模糊可靠性設(shè)計。文獻(xiàn)介紹了隨機(jī)變量和模糊變量組合時，機(jī)械零件耐磨性的模糊可靠性設(shè)計。文獻(xiàn)討論了用Monte Carlo隨機(jī)模擬法來模擬機(jī)械模糊可靠性。文獻(xiàn)討論了應(yīng)力和強度均為模糊變量時，運用模糊數(shù)的運算法則，用零件的失效可能性程度來衡量零件強度的方法。文獻(xiàn)討論了隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為模糊變量時的失效概率的計算方法。
在存在模糊信息時，文獻(xiàn)中討論的失效概率或可靠度的計算方法是較重要的。其他文獻(xiàn)中討論的方法及其在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用，如螺栓、鍵、軸和彈簧等的模糊可靠性設(shè)計，其基本原理和方法均來自上述文獻(xiàn)，處理方法大同小異。
在其他方面，文獻(xiàn)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；文獻(xiàn)基于可能性理論，討論了具有兩種失效模式的系統(tǒng)的模糊可靠性分析方法，并導(dǎo)出了對串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、表決系統(tǒng)分析的一些重要結(jié)論。對利用模糊矩陣進(jìn)行失效模式和效應(yīng)分析，利用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行故障診斷，利用模糊數(shù)學(xué)方法對系統(tǒng)進(jìn)行可靠度最優(yōu)分配和對系統(tǒng)可靠度進(jìn)行預(yù)測，對系統(tǒng)維修性進(jìn)行模糊分析等等也進(jìn)行了研究。
從總體上看，模糊可靠性理論目前還處于探索階段，尚未形成完整的理論，還不足以指明明確的研究方向及對工程應(yīng)用的指導(dǎo)意義。事實上，撇開如何將模糊現(xiàn)象以較規(guī)范的形式定量化處理（象常規(guī)可靠性理論那樣獲得隨機(jī)變量的分布概型和統(tǒng)計參數(shù)）以及定量化處理的難度不談，即使在模糊現(xiàn)象己定量化處理后，現(xiàn)有的模糊可靠性設(shè)計理論仍沒有適當(dāng)而完整的方法分析和計算零部件和系統(tǒng)的可靠性。
1.6 本文主要研究內(nèi)容
本課題的研究內(nèi)容是根據(jù)油田生產(chǎn)需要，設(shè)計并加工制造出傳動比i=9 ，最大徑向尺寸φ114mm，工作井深1O00m 的電動潛油單螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)用滾柱活齒減速器，并對其進(jìn)行理論分析和實驗研究。因此，本學(xué)位論文的研究主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：
1．滾柱活齒傳動嚙合特性及潤滑狀態(tài)的研究建立活齒中心運動軌跡方程及中心輪齒廓方程；研究活齒中心運動軌跡曲率的特點：根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，建立滾柱活齒傳動的力學(xué)模型并進(jìn)行求解：分析滾柱活齒傳動的潤滑狀態(tài)，并求解波發(fā)生器與活齒之間的油膜厚度。
2．電動潛油螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)特種減速器的設(shè)計針對電動潛油螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)的具體技術(shù)要求，結(jié)合運動條件和強度條件，初步確定滾柱活齒減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；利用三維實體建模軟件Pro/E 建立樣機(jī)的三維實體模型；采用有限元理論和大型有限元分析軟件ANSYS 對初步設(shè)計的減速器樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和模態(tài)分析以進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)參數(shù)；采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對初步設(shè)計的樣機(jī)進(jìn)行仿真研究，以驗證其結(jié)構(gòu)參數(shù)的可行性。
3．滾柱活齒減速器系統(tǒng)扭振動力學(xué)分析根據(jù)減速器的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)扭振動力學(xué)分析模型，并編制相應(yīng)程序?qū)ζ溥M(jìn)行動態(tài)特性分析，找出結(jié)構(gòu)中影響系統(tǒng)動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)，使之具有良好的動態(tài)特性提供理論依據(jù)。
4．滾柱活齒減速器系統(tǒng)的模糊可靠性研究由于減速器的可靠性直接影響采油系統(tǒng)工作的連續(xù)性及生產(chǎn)成本，所以本文擬對該減速器的可靠性進(jìn)行研究。首先對整個電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行分配，確定系統(tǒng)各組成部分的可靠度；建立減速器的故障樹并進(jìn)行定性和定量分析；進(jìn)行基于故障樹分析的系統(tǒng)可靠性數(shù)字仿真研究；將模糊數(shù)學(xué)引入故障樹分析中，研究滾柱活齒傳動系統(tǒng)的模糊可靠性。
5．電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)用減速器樣機(jī)的加工制造及實驗研究 在最終確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用CAXA2000 軟件完成該減速器的裝配圖和全部零件圖的繪制工作，加工制造一出一臺樣機(jī)。為驗證減速器樣機(jī)的性能，結(jié)合實驗條件，在實驗井上擬對其進(jìn)行振動實驗研究。
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