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(gè)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(xiàng)，在我國陸上除四川外的19個(gè)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(diǎn)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(shí)，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(dòng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護(hù)方便，缺點(diǎn)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(dòng)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(diǎn)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(diǎn)，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(shí)，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(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)（圖1-lb）。該系統(tǒng)主要由地面驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)帶滑動(dòng)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(dòng)單螺桿泵裝置。實(shí)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(dòng)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(yàn)，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(yàn)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(jià)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(dòng)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(gè)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(yàn)。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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)承受過載扭矩，作業(yè)卸扣時(shí)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(dòng)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(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)的缺點(diǎn)，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(dòng)單螺桿泵系統(tǒng)和電動(dòng)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(dòng)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(dòng)和井下液壓驅(qū)動(dòng)單螺桿泵采油系統(tǒng)的缺點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)潛油單螺桿泵采油系統(tǒng)為上下2個(gè)左右旋轉(zhuǎn)子并聯(lián)。法國PCMPompes公司生產(chǎn)的電動(dòng)潛油單螺桿泵（Moineau泵）采油系統(tǒng)則采用了4個(gè)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(dòng)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(dòng)潛油螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)（圖1-2）的最大特點(diǎn)是不需要抽油桿傳遞動(dòng)力，并將驅(qū)動(dòng)部分放入井下，使得整個(gè)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(dòng)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(shí)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(dòng)潛油螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)示意圖
總之，電動(dòng)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(xiàng)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(dòng)潛油螺桿泵采油系統(tǒng)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)力輸入要求與潛油電機(jī)的實(shí)際輸出之間的矛盾，原則上可通過2個(gè)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(shí)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(diǎn)在于能在降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)提高單螺桿泵的輸入扭矩。Baker Hughes centrilift 公司生產(chǎn)的電動(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(jì)。
從機(jī)械傳動(dòng)理論的角度看，單螺桿減速器、一般定軸輪系、牽曳傳動(dòng)、正旋滾道活齒傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)、2K-H 類NGW型行星輪系、少齒差行星輪系及滾柱活齒傳動(dòng)都可以實(shí)現(xiàn)同軸減速傳動(dòng)，但因井下油層套管內(nèi)徑的嚴(yán)格限制（φ114mm) ，實(shí)際上使得減速器傳動(dòng)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(diǎn)，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(dòng)，因而沒有進(jìn)行井下實(shí)際操作檢驗(yàn)。
一般定軸輪系齒輪傳動(dòng)受徑向尺寸及單級傳動(dòng)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(dòng)、擺線針輪行星傳動(dòng)等。該種結(jié)構(gòu)的減速器具有承載能力大、體積小、傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)。但其傳動(dòng)比較大（單級傳動(dòng)通常為50～100 ) ，而電動(dòng)潛油單螺桿泵采油系統(tǒng)需要的傳動(dòng)比為10左右，所以也不適合。
滾柱活齒傳動(dòng)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊（體積僅為同功率、同傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)的1/ 3，蝸桿傳動(dòng)的1/2）、多齒嚙合、承載能力高（比同傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)高5～6倍）、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高（隨傳動(dòng)比的增加而降低，在95％～70％之間）等優(yōu)點(diǎn)。
綜上所述并結(jié)合油田需要，本課題確定滾柱活齒傳動(dòng)作為該減速器的傳動(dòng)方式，設(shè)計(jì)要求：傳動(dòng)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(dòng)的發(fā)展概況
活齒傳動(dòng)，全稱為“活齒少齒差行星齒輪傳動(dòng)”，是一種由K-H-V 型少齒差行星齒輪傳動(dòng)演化而成的一種新型齒輪傳動(dòng)。它的特點(diǎn)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(gè)的活動(dòng)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(dòng)偏心構(gòu)件（波發(fā)生器）驅(qū)動(dòng)時(shí)，它們將在槽孔中活動(dòng)，故稱為“活齒”。常見的活齒傳動(dòng)分為推桿活齒傳動(dòng)（圖1-3a）、滾柱（鋼球）活齒傳動(dòng)（圖1-3b）、套筒活齒傳動(dòng)（圖1-3c）、擺動(dòng)活齒傳動(dòng)（圖1-3d）等�；铨X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(dòng)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(dòng)”（活齒傳動(dòng)的一種型式），提出了它的運(yùn)動(dòng)分析和力分析的計(jì)算方法。美國學(xué)者提出了推桿活齒減速器傳動(dòng)裝置，分析了傳動(dòng)原理，對傳動(dòng)比和作用力進(jìn)行了計(jì)算，分析了其傳動(dòng)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(dòng)形式即“正旋滾珠傳動(dòng)”，并研究了正旋滾珠活齒傳動(dòng)的嚙合理論、強(qiáng)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(dòng)減速器進(jìn)行了系列生產(chǎn)，單給傳動(dòng)的傳動(dòng)比為20～80，效率為86%～87%，也有雙級和三級傳動(dòng)，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(jiǎng)。1987年，周有強(qiáng)教授等人提出了套筒活齒少齒差傳動(dòng)并申報(bào)了國家專利。麻彪對套筒活齒少齒差傳動(dòng)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(dòng)的一種結(jié)構(gòu)形式及齒形設(shè)計(jì)方法，同時(shí)提出了另一種新型活齒傳動(dòng)裝置-擺動(dòng)活齒減速機(jī)并申報(bào)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(dòng)-移位滾柱減速機(jī)，該項(xiàng)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(jiǎng)。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(dòng)、變速傳動(dòng)軸承（CN 85 200923U）等多種專利技術(shù)。
我國在活齒傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)領(lǐng)域唯一一部專著《活齒傳動(dòng)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(dòng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)的著作。西安交大劉生林研究了擺動(dòng)活齒減速器的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法及其優(yōu)化設(shè)計(jì)。四川大學(xué)梁尚明研究了擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)學(xué)嚙合剛度、模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算方法和多齒受力分析。燕山大學(xué)安子軍等運(yùn)用齒輪嚙合原理研究了擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的內(nèi)齒圈齒形綜合問題，給出了實(shí)際齒形方程式和嚙合線方程，根據(jù)誤差理論，研究了擺動(dòng)活齒傳動(dòng)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(dòng)活齒傳動(dòng)中擺動(dòng)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(dòng)活齒、內(nèi)齒圈嚙合副滑動(dòng)率方程式，將擺動(dòng)活齒傳動(dòng)共軛齒廓的滑動(dòng)率與推桿式活齒傳動(dòng)共軛齒廓的滑動(dòng)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(dòng)內(nèi)齒輪理論廓線齒頂曲率半徑的計(jì)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(dòng)的原理上對各種不同的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)，推導(dǎo)出作用在活齒上諸力之間的關(guān)系式和接觸強(qiáng)度計(jì)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(dòng)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)、嚙合理論和嚙合性能（如重合度、滑動(dòng)率）等方面，并取得了一些研究進(jìn)展，但對其可靠性、動(dòng)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(jì)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(qiáng)。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(yàn)，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(jì)，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(gè)重要組成部分，在質(zhì)量保證的每個(gè)階段中，加強(qiáng)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(jì)時(shí)一般以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)，驗(yàn)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(shí)修改設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保證在設(shè)計(jì)時(shí)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(bào)、故障報(bào)告、監(jiān)測和調(diào)查報(bào)告為主體的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)收集和反饋系統(tǒng)，隨時(shí)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(dòng)態(tài)的可靠性設(shè)計(jì)方法。在沒有試驗(yàn)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(jì)方法。但是，由于缺少經(jīng)費(fèi)、缺少試驗(yàn)、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(shí)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(diǎn)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(jì)到制造，從試驗(yàn)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(dú)沒有可靠性指標(biāo)，在鉆采機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)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(xiàng)目的實(shí)施，常規(guī)可靠性設(shè)計(jì)理論與工程實(shí)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(jì)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(shí)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(jì)所需的大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)常常要設(shè)計(jì)人員依靠經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況加以判斷、選擇，而人的經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)定量表示出來，從而能正確描述系統(tǒng)可靠性真實(shí)狀態(tài)，給出相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)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(jì)中，就形成了機(jī)械模糊可靠性設(shè)計(jì)這一學(xué)科，它是常規(guī)可靠性設(shè)計(jì)理論的發(fā)展和延伸，而常規(guī)可靠性設(shè)計(jì)理論是模糊可靠性設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不一致的現(xiàn)象時(shí)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(gè)方面：試驗(yàn)條件與實(shí)際系統(tǒng)所處的自然條件不完全一致，試驗(yàn)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(yàn)分析帶來的不確定性；用有限樣本代替無限樣本等統(tǒng)計(jì)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(jì)算模型與實(shí)際情況不完全吻合，設(shè)計(jì)中的差錯(cuò)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(jì)，此時(shí)常規(guī)可靠性設(shè)計(jì)理論不能解決問題，而采用模糊可靠性設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算方法。文獻(xiàn)詳細(xì)討論了將清晰工作時(shí)間拓展到模糊工作時(shí)間時(shí)的可靠性指標(biāo)的計(jì)算方法；文獻(xiàn)詳細(xì)討論了清晰功能拓展到模糊功能時(shí)的可靠性指標(biāo)的計(jì)算方法。這些研究將模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于可靠性設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)系統(tǒng)模糊可靠性分析方法。文獻(xiàn)討論了同時(shí)考慮模糊性和隨機(jī)性時(shí)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(jì)算。這方面的內(nèi)容是模糊可靠性設(shè)計(jì)理論的重要組成部分。因?yàn)榱悴考Ц怕屎涂煽慷鹊挠?jì)算原理和方法是模糊可靠性設(shè)計(jì)理論之根本，也是模糊可靠性設(shè)計(jì)從理論走向?qū)嵱弥A(chǔ)，這方面的研究將為機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(gè)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(shí)，用模糊集合描述應(yīng)力和強(qiáng)度的方法，討論了設(shè)計(jì)變量是隨機(jī)變量和模糊變量的組合時(shí)，計(jì)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(shí)可靠度的計(jì)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(qiáng)度處理成帶有模糊邊界的中間過渡區(qū)時(shí)，模糊可靠性分析的方法，由于考慮了模糊邊界，計(jì)算的可靠度較常規(guī)可靠性設(shè)計(jì)方法計(jì)算的要大，因而更為合理、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。文獻(xiàn)討論了將許用變形處理成帶有模糊過渡區(qū)時(shí)軸類零件剛度的模糊可靠性設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)討論了隨機(jī)變量和模糊變量組合時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度的模糊可靠性設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)介紹了隨機(jī)變量和模糊變量組合時(shí)，機(jī)械零件耐磨性的模糊可靠性設(shè)計(jì)。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(qiáng)度均為模糊變量時(shí)，運(yùn)用模糊數(shù)的運(yùn)算法則，用零件的失效可能性程度來衡量零件強(qiáng)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(shí)的失效概率的計(jì)算方法。
在存在模糊信息時(shí)，文獻(xiàn)中討論的失效概率或可靠度的計(jì)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(jì)中的應(yīng)用，如螺栓、鍵、軸和彈簧等的模糊可靠性設(shè)計(jì)，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(shí)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(jì)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(jì)理論仍沒有適當(dāng)而完整的方法分析和計(jì)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(jì)并加工制造出傳動(dòng)比i=9 ，最大徑向尺寸φ114mm，工作井深1O00m 的電動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究。因此，本學(xué)位論文的研究主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
1．滾柱活齒傳動(dòng)嚙合特性及潤滑狀態(tài)的研究建立活齒中心運(yùn)動(dòng)軌跡方程及中心輪齒廓方程；研究活齒中心運(yùn)動(dòng)軌跡曲率的特點(diǎn)：根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，建立滾柱活齒傳動(dòng)的力學(xué)模型并進(jìn)行求解：分析滾柱活齒傳動(dòng)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(dòng)潛油螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)特種減速器的設(shè)計(jì)針對電動(dòng)潛油螺桿泵（ESPCP）采油系統(tǒng)的具體技術(shù)要求，結(jié)合運(yùn)動(dòng)條件和強(qiáng)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(shí)體建模軟件Pro/E 建立樣機(jī)的三維實(shí)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(jì)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(jì)的樣機(jī)進(jìn)行仿真研究，以驗(yàn)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(dòng)力學(xué)分析根據(jù)減速器的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)扭振動(dòng)力學(xué)分析模型，并編制相應(yīng)程序?qū)ζ溥M(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，找出結(jié)構(gòu)中影響系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(gè)電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的模糊可靠性。
5．電動(dòng)潛油螺桿泵采油系統(tǒng)用減速器樣機(jī)的加工制造及實(shí)驗(yàn)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(yàn)證減速器樣機(jī)的性能，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，在實(shí)驗(yàn)井上擬對其進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。
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