采油螺杆泵直旋机构设计与仿真

采油螺杆泵直旋机构设计与仿真

作者：曹燕;曾励

来源：《价值工程》2010年第35期

摘要：利用原有采油系统的地面驱动装置或闲置设备驱动螺杆泵进行采油，提出一种新型的螺杆泵采油技术——螺杆泵直旋机构，输入为往复直线运动，输出为连续单向旋转。进行三维造型、虚拟装配，检查了装配和运动中的干涉现象。在考虑弹性变形的情况下，对直旋机构进行建模，并用matlab软件绘制出仿真曲线，对曲线进行分析。

Abstract: This paper used the existing production systems on the ground drive device or idle equipment drive screw pump for oil extraction, and proposed a new technology: direct rotary organization of screw pump, whose input is the reciprocating linear motion and output is a continuous unidirectional rotating. It conducted three-dimensional modeling, virtual assembly, and inspected the interference phenomenon in assembly and movement. Considering the case of elastic deformation, the paper modeled the direct rotary organization, and used matlab software to draw the simulation curve and analyzed the curve.

关键词：螺杆泵；直旋机构；滚珠丝杠；同圆回珠；建模；仿真

Key words: screw pump；direct rotary organization；ball screw；with round back beads；modeling；simulation

中图分类号：TH12文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）35-0026-02

1螺杆泵直旋运动机构设计意义

抽油机是油田生产的核心设备。它的结构简单，可靠耐用，一直成为抽油机市场的主导产品。但系统的采油效率很低（甚至低于30%），只能用于稀油和含水油的抽取，对含沙油、稠油的开采则无能为力，以致很多的油井都是提前报废。[1]螺杆泵是采油装置体积小，耗能少，安装方便，能对稠油、高含气、含砂油进行开采。[2]地面直接驱动螺杆泵的方式结构简单，传动可靠，但也存在许多的问题：①细长杆驱动井下螺杆泵，杆管磨损严重，扭转变形大，在斜井上应用受到很大限制；②受杆的强度限制，难以提高泵的排量和下深。

为解决上述问题，可采用电潜螺杆泵抽油系统。但由于在现有的采油装置中，有80%左右的是游梁式有杆抽油装置，若将整个采油系统更换，会造成现有设备的极大浪费。因此，利用原有游梁式抽油机采油系统的地面驱动装置，驱动螺杆泵进行采油。设计一套新型动力传动机构——螺杆泵单向直旋机构。输入为抽油杆往复直线运动，输出为螺杆泵单向旋转运动，可使两种抽油方式扬长避短，有效避免资源的浪费。

2螺杆泵直旋机构设计

图1为螺杆泵直旋机构结构图，整个装置由连接套2、滚珠花键直线导向机构3、滚珠直旋机构4、方向控制机构5组成。整个装置直接悬挂在套管上，抽油杆1经连接套2连接导向滚珠花键及直旋丝杠作直线运动，丝杠螺母与套筒固定连接，作正反旋转运动。当抽油杆下行时丝杠螺母直接通过方向控制机构5左侧的单向超越离合器，带动螺杆泵的转子旋转；当抽油杆上行时，丝杠螺母通过方向控制机构5中锥齿轮传动通过右侧单向超越离合器带动螺杆泵的转子旋转。故无论抽油杆上行或下行，螺杆泵的转子均做单向旋转。油液经空心进油管、油管被举升到地面。为准确设计螺杆泵采油系统中的直旋机构及其附属结构，利用pre/e软件进行三维造型、虚拟装配，检查装配和运动中的干涉现象。[3]下面结合三维装配图对螺杆泵直旋机构的主要组成部分的结构特点做进一步分析。

2.1 滚珠花键直线导向机构滚珠花键直线导向机构结构如图2所示，包括导向花键轴、花键套、回珠块、花键滚珠。花键轴的外壁设置直槽,花键轴的外围套接固定花键套,花键套的两端设置固定回珠块，花键套与花键轴上的对应直槽之间设置花键滚珠。机构采用一种新的回珠方式——端面同圆回珠方式，将回珠滚道与工作滚道设计在同一圆柱面上，利用花键套两端的回珠块实现回珠运动，这种回珠结构比传统的滚珠丝杠回珠反向机构紧凑，效率高。

2.2 滚珠直旋机构滚珠直旋机构结构如图3所示，其中的滚珠丝杠副在整个机构中起到，将抽油杆的直线往复运动转变为丝杠螺母的正反旋转运动的关键作用。具体结构包括滚珠丝杠、丝杠螺母、直旋回珠块、滚珠。滚珠丝杠的外壁设置螺旋槽，外围套接丝杠螺母，丝杠螺母与滚珠丝杠上的对应螺旋槽之间设置滚珠。采用端面同圆回珠方式，因丝杠螺母做回转运动，故在丝杠螺母的两端设置缺口插入直旋回珠块，保证回珠块和螺母的同步运动，回珠得以顺利实现。[4]

单向直旋机构中的滚珠丝杠副和传统的滚珠丝杠副相比，在结构上有很大不同。滚珠直旋丝杠副的螺旋升角λ大于45°，远大于普通滚珠丝杠，传动效率η更高。滚珠丝杠η-λ曲线如图4所示，效率达90%以上。

2.3 方向控制机构方向控制机构结构如图5所示，由三个相互啮合的锥齿轮和两个安装方向相同的单向超越离合器组成，实现了将丝杠螺母的双向旋转变为螺杆泵转子的单向旋转。为提高承载能力和刚度，设置了两个小锥齿轮（惰轮）的对称布置结构。超越离合器采用内星轮滚柱式结构，工作面采用偏心轮式，反应灵敏，契合性好，承载能力高。

3抽油杆下行时直旋机构动力学模型

直旋机构的组成构件，本质上都是由弹性体组成的,具有一定的刚度和阻尼。分析中采用集中参数模型，将惯性较大的部分用集中质量来模拟，如锥齿轮、丝杠螺母；既有弹性又有质量则用等效弹簧代替杆件的弹性，保持替代后的变形能不变，用等效集中质量来替代杆件的质