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1、分类号密级 UDC 本 科 毕 业 设 计完整设计图纸，源代码，程序代码，毕业论文，外文翻译，任务书，开题报告，答辩PPT,需要请联系QQ68661508直驱式螺杆泵驱动装置设计 学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 工程学院机电工程系 专业年级 机械设计制造及其自动化2011级 论文答辩日期 2015 年 6 月 4 日 中 国 海 洋 大 学 直驱式螺杆泵驱动装置设计 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要直驱式螺杆泵抽油机驱动装置与常规的电潜泵抽油机、游梁式抽油机、螺杆泵抽油机相比具有明显的优越性。本文主要对直驱式螺杆泵驱动装置进行设计和改进，研究怎么样使螺杆泵驱动装置
2、长时间稳定工作，还有如何使驱动装置能够满足螺杆泵在不同油井工作状况下的要求。从而达到在不需要其它传动机构的情况下仅仅利用电动机就能直接驱动抽油杆进行工作的设计方案；实现电机输出扭矩的方便控制，螺杆泵驱动电机的电流、电压保护；能够实现方便直接的速度调节功能。这种直驱式螺杆泵驱动装置能够解决现有的常规螺杆泵采用皮带轮传动所带来的一些缺点：皮带轮、减速箱传动效率低，速度不易调节，易损坏，维护不方便等。该装置包括四部分装置：机械密封装置、永磁驱动电机、轴向承载装置及卡瓦封井装置，将无级变速驱动系统与螺杆泵完美结合，将螺杆泵采油工艺进一步完善，达到一个新的水平。关键词：螺杆泵；直接驱动；无级变速；机械密
3、封AbstractCompared 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 dr
4、ives 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
5、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 c
6、omprises 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
7、, Continuously variable transmission，Mechanical seals 目 录1 绪论11.1 课题来源及意义11.2 世界石油开采驱动技术发展历程21.3 抽油机驱动系统发展现状31.3.1 游梁式抽油机驱动系统41.3.2 电潜泵抽油机驱动系统51.3.3 传统式螺杆泵抽油机驱动系统61.4 本章小结82 直驱式螺杆泵驱动装置设计102.1 直驱式螺杆泵驱动装置102.2 直驱式螺杆泵驱动装置要求112.3 结构设计122.4 工作原理142.5 本章小结153 重要技术解决方案163.1 密封问题163.1.1 机械密封173.1.2 V型密封圈183
8、.2 抽油杆安装和卸载问题193.3 本章小结194 重要零部件的尺寸计算和校核204.1 螺杆泵抽油杆柱受力分析和计算方法204.1.1 螺杆泵抽油杆受力分析204.1.2 计算螺杆泵抽油杆所承受扭矩204.1.3 抽油杆受力计算214.1.4 抽油杆强度校核214.2 电机功率的选择方法224.2.1 螺杆泵采油负载特性对电机的要求224.2.2 采用扭矩计算法选择电动机功率234.3 抽油杆尺寸计算与电动机功率选择234.4 其他零件的尺寸校核254.4.1 轴承尺寸校核254.4.2 压帽的尺寸校核264.4.3 推力调心滚子轴承校核274.5 本章小结27总结28参考文献29致谢30
9、III4 重要零部件的尺寸计算和校核1 绪论1.1 课题来源及意义石油资源因为具有方便运输储存、能量密度大、燃烧后造成的污染较低等优点而成为世界诸多能源中最重要的能源之一。经过工业提炼的柴油、汽油等燃油是各种工业、运输工具的主要燃料。现如今居民生活主要使用的燃料：管道煤气和液化气就是以石油为原料的。轻工业加工、农业生产、医药、纺织等领域生产的塑料、合成橡胶、合成纤维、医疗器械等人们生活的一些必不可少的产品都是以石油制品为原料的。像舰艇、飞机、坦克、航天器等象征国力的军事用品主要的燃料来源也是石油，因此，石油资源在一个国家发展战略中占有重要的战略地位和经济地位。石油深埋于地下，需要将设备深入到地
10、下来进行开采。石油开采采用的驱动方式主要有电潜泵式抽油机驱动、螺杆泵式抽油机驱动、游梁式抽油机驱动等。驱动技术的发展对石油工业甚至国家经济起着极其重要的作用。螺杆泵因为具有效率高、节能效果明显等优势在最近几年迅速发展，它是一种新型的采油设备，它具有重量轻、体积小、结构简单等优点，螺杆泵的节电率比游梁式抽油机高出30%，而价格却比游梁式抽油机便宜很多，差不多是它的1/31。螺杆泵抽油机非常适合含气、含砂、含水量高以及粘稠度高的油田开采，能够有效地克服其它驱动方式容易发生的气锁、砂卡现象。螺杆泵因为具有体积小、节能效果好、机械效率高、适应含砂高的油井和产量低的油井还有稠油开采能够适应的各种油藏的工
11、作情况，所以这几年螺杆泵发展非常迅速，在油田开发生产中的作用也越来越重要。螺杆泵采油的动力输出设备是螺杆泵地面驱动装置。定速驱动装置是目前国内油田的螺杆泵抽油机驱动系统主要使用的一种驱动装置，它是通过皮带轮与减速箱配合来给单速或双速电动机作减速传动，然后利用伞形齿轮来驱动抽油杆进而带动螺杆泵进行工作。这种装置的转动惯性大、有很高的起动转速、不能很好地适应起动时的需要。开采重油的情况下较为常用螺杆泵，开采重油对于起动负荷有很大的要求，所以需要一个驱动装置能够提供扭矩大、转速低的动力来驱动油井中的螺杆泵进行工作。如果按照电机正常运转的情况下所需要的转矩来选择电机功率，就会出现功率无法满足要求而无法
12、起动；如果按照电机在刚起动时候的转矩来选择的话，那么在长时间的工作中，又会造成很大的浪费现象，没法给螺杆泵的工作提供一个较为合理的参数。除此之外，现在主流的装置不能很好的满足不同工作状况下油井的使用需求，而且就算是同一口油井，它的负载也是变化着的，因而转速固定的没法很好的满足不同的油井或者是同一个油井在不同的时间时的工作需要，这样也很容易对泵造成损坏。而且常规螺杆泵的驱动装置是通过皮带轮和减速箱来配合进行传送的，在工作中也会造成大量的能量损耗。常规螺杆泵驱动装置依然有很多不足的地方 2： （1） 传动效率和系统效率都偏低；（2） 启动时的转速普遍偏高，转动惯性大，容易发生断杆的危险；（3） 工
13、作参数不易调整，调速困难、不易于维护；（4） 螺杆泵驱动装置的参数过大，造成很大的能量损耗；（5） 不能很好的保护自身，需要耗费大量的人力物力来维修和保养。直驱式螺杆泵驱动装置只要研究怎么样来提高螺杆泵驱动装置的可靠性，实现电动机在不需要其它传动机构的情况下直接驱动抽油杆；实现螺杆泵驱动电机的电流和电压保护，实现电机方便地控制其输出扭矩；能够方便地调节速度。让螺杆泵能够自由随意地控制螺杆泵的驱动速度，为螺杆泵采油工艺的提高做出自己的努力。与此同时，直驱式螺杆泵驱动装置的结构与常规螺杆泵驱动装置不同，对该装置的研究也有重要的理论意义，因此本文研究直驱式螺杆泵驱动装置具有一定的实用价值和理论意义3
14、。1.2 世界石油开采驱动技术发展历程石油和天然气的大规模开采和应用，也只是近代的事情。美国和俄国在19世纪50年代开始了他们的油、气开采技术工作。石油开采技术和驱动技术的发展与地质学、地球物理学、数学、机械工程、电力电子、电机拖动、电机技术学等学科发展有着密不可分的联系。大致经历一下几个阶段：初期阶段，从19世纪末到20世纪初期。内燃机的出现，对油料提出了迫切的要求。这个阶段由于技术上的落后，主要以利用天然能量开采为主。勘探技术的落后，钻井深度也不大，石油的开采率平均只有20%左右。第二阶段，在20世纪40年代前后，建立了石油勘探开发的基本理论体系。主要内容包括：基本确立了油藏物理和渗流力学
15、体系，普遍采用地下注水开采技术。广泛采用了早期地下注水保持地层压力和驱动石油的技术，使石油的最终采收率得到了大幅度提高，发展了以电测方法为中心的测井技术和钻5000米左右的超深井的钻井技术。基本建立了与油气田开发和开采有关的应用科学和工程技术体系。第三阶段，从20世纪60年代开始，以计算机技术、微电子技术、电机技术和现代科学技术广泛用于油、气田开发，此时开发技术得到了快速发展。主要包括以下方面：1）利用数学科学，建立了各种油层的沉积相数学模型，提高了预测储油砂体的非均质性及其连续性的能力，从而能更经济有效的合理布置井位和开发工作；2）把现代物理中的核技术应用到测井中，形成放射性测井技术，与原有
16、的电测技术，加上新的生产测井系统，可以用来直接测定油藏中油、气、水的分布情况，在不同开发阶段能采取更为有效的措施；3）对油气藏内部在采油、气过程中起作用的表面现象及在多孔介质中的多相渗流的规律等，有了更深刻的理解，并根据物理模型和数学模型对这些现象由定性进入定量解释，实验和开发了除注水以外提高石油采收率的新技术；4）以喷射钻井和平衡钻井为基础的优化钻井技术迅速发展，钻井速度有很大的提高，可以打各种特殊类型的井，包括丛式井，定向井，甚至水平井，加上优质泥浆，是钻井过程中油层的污染降到最低限度；5）大型酸化压裂技术的应用使很多过去没有经济价值的油、气藏，特别是致密气藏，可以投入开发，大大增加了天然
17、资源的利用程度。对油井的出砂、结蜡和高含水所造成的困难，在很大程度上得到了解决；6）向油层注蒸汽，热采技术的应用已经使很多稠油油藏揉入开发；7）油、气分离技术和气体处理技术的自动化和电子监控，使矿场油、气集输中的损耗降到很低，并能提供质量更高的产品。我国是人口大国，一方面平均拥有石油资源少，另一方面石油采收率不高。由于技术落后，开采过程中破坏性开采比较严重。我国陆上油田一般采用常规的地下注水方式开采，平均采收率只有30%左右，仍有大量的储量滞留在地下，而对那些低渗透油田、断块油田、稠油油田（也叫难动用油田）等来说采收率还要更低些，有的采用电加热和化学试剂驱动等诸多方式来提高采收率，因而提高原油
18、采收率是面临的关键问题。1.3 抽油机驱动系统发展现状驱动技术伴随着开采技术的进步得到了快速发展，经历了从游梁式抽油机、电潜泵抽油机、螺杆泵抽油机等几种不同的采油设备。采油系统使用的采油设备种类繁多，根据采油方式的不同，主要有一下几种：游梁式抽油机、电潜泵抽油机、螺杆泵抽油机、高原机。螺杆泵用于原油开采近二十年，按驱动方式分为潜油电动螺杆泵和地面驱动井下螺杆泵抽油机。螺杆泵地面驱动装置根据驱动装置的结构不同又分为螺杆泵直接驱动方式和螺杆泵侧驱方式（传统式螺杆泵驱动方式）。螺杆泵直接驱动装置根据驱动电机控制器的控制方式的不同又分为有位置传感器的和无位置传感器的。目前油井上普遍采用的传统机械式螺杆
19、泵抽油机系统仍存在机械传动效率偏低、系统效率不高、不易调速、不易于维护的特点。具体表现在：起动转速高，转动冲击惯性大，容易断杆；调参困难；维护工作量大；螺杆泵驱动匹配装置过大，能耗大；卸扭技术差，容易反转脱扣或其他事故；自我保护能力差。1.3.1 游梁式抽油机驱动系统图1-1 游梁式抽油机游梁式抽油机驱动装置如图1-1所示，其工作原理是由交流电动机恒速运转拖动抽油泵，沿着重力作用方向进行往复运动，从而把原油从数百至数千米的井下抽到地面。分析其负载特性可知其惯性量较大，而不同的油井的粘度大小又很不同，当油的粘度较大时，泵的效率也变低，往往起动也很困难。该负载又是周期负载，上升、下降行程负载性质亦
20、不同，下降时尚带有位势负载性质。为适应这些复杂的工况，抽油机的配置及其实际工作状态往往只能是大马拉小车。游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块提升时，类似杠杆作用，将采油机杆送人井中；滑块下降时，采油杆提出带油至井口，当抽油机工作时，整个过程中负载是变化的。工作分为两个冲程，抽油机上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱，在抽油机未平衡的条件下，电动机就要作出很大的功，这时电动机处于驱动状态。在下冲过程时，抽油机杆柱转动对电动机做功，使电动机处于类似发电机的运行状态。当抽油机处于未平衡状态时，往往会造成上、下冲程的负载季度不均匀，
21、抽油机的连杆机构、变速箱和电动机的使用效率和寿命都将受到严重的影响，抽油杆的工作条件也被恶化，也使其随时处于断裂的状态。游梁式抽油机驱动装置存在的缺点怎样才能解决呢？目前通用的做法是在游梁式抽油机两侧加平衡配重的方式，平衡配重一般加在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上。光杆主要重复上升和下降两个阶段的工作，加配重后，在抽油杆上升阶段时，平衡重从上向下运动，释放下降阶段时储存的势能，这样不仅提升了抽油杆，而且油管内的液柱也增加了，同时减少了电动机在抽油杆上升时的做功。在抽油杆下降阶段时，平衡配重块从下向上运动，需要为提升平衡配重块的势能提供能量，为了实现这些，除了电动机做功外，同时抽油杆柱下落
22、所释放的势能也提供了一部分能量。为了保证足够大的起动转矩，抽油机电机正常运行时负载率很低，一般在20%到30%低负荷率运行，造成功率因数低，效率低，电能浪费大。有的平衡配重块位置太低，在实际应用中对周围人的安全又造成威胁，在小区中一般需要安装防护装置。1.3.2 电潜泵抽油机驱动系统图1-2 电潜泵抽油机如图1-2所示，电潜泵是油田中另一种采油设备，它是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器、控制屏和电潜泵专用电缆将电能输送给井下电潜泵电动机，使电动机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的液体举升到地面。电潜泵尽管应用较多，但也有很多缺点：1) 工作环境非常恶
23、劣（高温、强腐蚀等），在地下两千多米的井底工作；2) 电潜泵在工频起动过程中反压较高，绝缘性能降低，每次开机都会使电潜泵寿命大打折扣，影响使用寿命；3) 电潜泵损坏后要提到地面上修理，维修费用上万元，成本较高；4) 电潜泵的功率因数降低，耗能量大；5) 有时使得油井出沙严重，使设备寿命缩短。1.3.3 传统式螺杆泵抽油机驱动系统图1-3 传统式螺杆泵抽油机螺杆泵分为单级和多级螺杆泵，这里主要介绍单级螺杆泵。图1-3所示为传统式螺杆泵抽油机驱动装置。单级螺杆泵是一种单螺杆式传送泵，它的主要工作部件是旋转螺旋体的螺杆（称转子）和内表面呈双线螺旋面的螺杆衬套（称定子）。螺杆装入衬套后，螺杆表面与衬套
24、内螺纹表面之间形成一个个封闭的腔室，同时任意截面也被分为上下两个月牙型工作室。单级螺杆泵工作原理是当电动机带动泵轴转动时，螺杆一方面绕本身的轴线旋转，另一方面它又沿衬套内表面滚动，于是形成泵的密封腔室。当螺杆旋转时，靠近吸入室的第一个工作室的容积逐渐增大，形成负压，在压差的作用下液体被吸入工作室。螺杆每转一周，密封腔内的液体向前推进一个螺距，随着螺杆的连续转动，液体螺旋形方式从一个密封腔压向另一个密封腔，最后挤出泵体。随着螺杆的继续转动，工作腔容积不断增至最大后，这个工作室封闭，并将液体沿轴向推向压出室。与此同时上下两个工作室教体循环地吸入和排除液体，因此液体被连续不断地从吸入室沿轴向推向压出
25、室。单级螺杆泵实际是一种利用螺杆旋体的旋转来吸收和排出粘稠液体的泵，它具有下列特点：结构简单；工作安全可靠；使用维修方便；出液连续均匀；压力稳定。（1）螺杆泵地面驱动装置的传动原理电机转动通过皮带轮直接传动给减速箱，经减速箱内的一队螺旋伞齿轮将运动方向转变，并将旋转运动传递给齿轮轴，由齿轮轴上的凸台传递给方卡子，方卡子将转矩传递给抽油杆，通过油管内抽油杆传递给螺杆泵转子。（2）传统地面驱动螺杆泵的使用条件1)地面驱动单螺杆采油泵，适用于低粘稀油、高粘稠油、100%的水、液-汽混合体和含砂液体，只要井含气量不致于达到形成柱段气塞的程度，均可保持正常生产，不会产生气锁现象。2)高油含砂量2.5%，
26、颗粒度1mm，超出规定应进行防砂处理，当油井的砂柱高于3米，应于下泵前进行冲砂至井底。3)原油中含有硫、氯及硫化氢含量2.5%。4）井斜不应大于10，油井套管锚定处不应变形，以防坐封不牢。5）油井要供液充足，泵作业要有足够的沉淀度，以确保井液能适时充满泵腔，以保证螺杆泵的生产和正常使用，一般来说，沉淀度不小于200m。6)泵转速的选择应取决于原油的粘度和油井的供液量。原油粘度在2000MPas以上，泵应选用较低转速，原油粘度高或稠油是，将影响原油进入泵密封腔室的速度，如泵转速过高，不能确保原油适时充满泵密封腔室，则泵流量将会降低，同时还会影响泵的使用寿命，原油粘度在1000MPas以下，油井供
27、液充足时，可选用高转速。（3）传统地面驱动螺杆泵驱动装置的构成传统式螺杆泵地面驱动设备由电动机、皮带传动机构、减速器、卡杆器、密封机构、防倒转机构、配电箱等部分构成。1)电动机三相异步电动机。2)皮带传动皮带传动将电机的输出动力传递到齿轮箱，皮带轮的传动比为2.24.3)减速箱减速箱将电机提供的动力通过一对螺旋伞齿轮传递给光杆，由光杆带动抽油杆及转子，同时承受整个杆柱的轴向负荷。4）卡杆器在减速箱的下部设有卡杆器和三通，卡杆器在吊装好驱动装置后，上提防冲距，提升到位后将卡杆器旋转卡紧光杆，保证抽油位置不变；将方卡子卡紧到位，再将方卡子松开。5）密封机构在传动机构下面，支撑架的上面有一个盘根盒，
28、采用盘根密封。6)防倒转机构在减速箱皮带轮输入轴处设有防倒转机构，作用是防止抽油杆反转，防止脱扣。防倒转机构采用摩擦式外接棘轮机构，棘轮采用正六方体，棘爪采用钢球，装入直角梯形槽内，用弹簧支撑。电机正旋时，棘轮正旋，拨动钢球靠向直角梯形槽直角边，压缩弹簧；电机反旋时，棘轮反旋，波动钢球想直角地形槽斜边移动，同时弹簧辅助推钢球向斜力移动，直至卡死。7)电控箱为电动机提供电源控制。由于上述游梁式抽油机、电潜泵抽油机、传统螺杆泵抽油机驱动系统都存在着很多不同的不足，非常需要一种运行更稳定、效率更高的驱动装置来弥补这些不足。1.4 本章小结因为直驱式螺杆泵驱动装置相比于其他驱动装置具有很大的优越性，而
29、且能够极大地降低油田采油中的能源浪费，适应各种不同油藏的不同工作状况，方便操作。本文选择研究直驱式螺杆泵驱动装置，设计一种能够更好地满足螺杆泵工作需要的驱动装置，依次对螺杆泵驱动装置中需要解决的问题一一提出自己的解决方案。设计的基本任务：（1）根据课题要求，查阅与采油螺杆泵相关的中外文资料和专利；（2）确定直驱式螺杆泵驱动装置的总体结构设计方案；（3）根据螺杆泵的工况选择合适的永磁驱动电机；（4）选择合适的机械密封和静密封方案以及轴承支撑；（5）设计各机械部件的结构和尺寸，利用三维设计软件绘制装置的三维设计图；（6）对关键零件进行强度校核；（7）绘制二维总体装配图0号图1张，并对关键零件进行详
30、细设计，绘制零件的二维设计图至少8张；（8）撰写毕业说明书1份。本文主要包括以下内容：第一章是对本课题的来源、意义、发展现状进行概括描述；第二章对直驱式螺杆泵驱动装置的工作要求、工作原理、结构及特点进行详细地介绍；第三章是直驱式螺杆泵驱动装置针对不同问题和不同要求的解决方案中运用的主要技术；第四章主要是对直驱式螺杆泵驱动装置一些重要零件的尺寸计算和校核；第五章是总结本次设计的主要内容。2 直驱式螺杆泵驱动装置设计2.1 直驱式螺杆泵驱动装置图2-1 直驱式螺杆泵驱动装置如图2-1所示为新型直驱式螺杆泵驱动装置。为了提高螺杆泵抽油机的总体效率，并且能够保证螺杆泵驱动装置长期高效率无故障运行，根据
31、驱动电机的动态特性、油田的工作环境情况、已经存在的抽油机驱动装置，对油井还有它的驱动特性做了较为全面的研究。该装置对油田现在主要使用的螺杆泵驱动装置的研究和设计提出了一个比较合理具有可行性的解决方案，让这些驱动系统能够始终保持在最佳的工作状态，驱动装置的能量损耗变低，使维护螺杆泵的费用减少，提高整个系统的节能效果，充分发挥它综合的经济效益，也能给螺杆泵驱动装置提供一个意义广泛、具有实际可行性的商业产品的坚实基础，这样对油田的经济效益也会有很大的帮助7。受限于本人的知识储备，无法做到对整个螺杆抽油机系统进行改进和设计，所以针对其中的较为关键的驱动装置进行设计，能够做到弥补常规螺杆泵的一些劣势，为
32、机械采油做出一些贡献。2.2 直驱式螺杆泵驱动装置要求现在主流使用的螺杆泵地面驱动装置虽然具有体积小、结构较简单、机械效率较高等优势，但是因为传统的螺杆泵地面驱动装置是用异步电机来提供原动力，通过皮带轮和减速箱组合来传递动力驱动抽油杆，所以在油井的实际使用过程中仍存在着许多的问题，比如皮带轮摩擦失效、减速箱多级传递导致机械损失较高，最大可达15%8；驱动装置结构不够紧凑，以及加工和安装误差都会导致电机偏置使驱动装置重心与油井轴线产生偏心距，导致抽油杆磨损、盘根盒密封不严泄漏量偏大；系统零部件较多，出现故障时不易检测，给设备维护和检修造成困难等。本次设计解决这些问题的方法是设计直驱式螺杆泵通过永
33、磁同步电机直接驱动抽油杆柱。这里的永磁同步电机通过交流变频方式来调节速度，利用永磁电机的反转也就是我们通常所说的发电机原理和能耗电阻来抵消装置反转产生的电能，以达到永磁同步电机直接驱动抽油杆工作的目的。螺杆泵驱动装置需要实现的目的已经很明确，需要该驱动装置能够直接将电机的动力传递给抽油杆，抽油杆带动油井中的螺杆泵进行工作。为了提高工作系统的可靠性，装置的各部分需要与电机主体部分相互独立。其次，因为驱动装置需要将电机的动力直接传递给抽油杆，所以设计的装置是装在驱动电机内部的，这样就必须做好密封工作，以防止抽油杆抽上来的油进入到驱动装置的内部甚至进入到电机内部。新油井在安装螺杆泵的时候或者在设备发
34、生故障的时候，都要涉及到抽油杆。油井的深度一般都在几百米或者上千米，而抽油杆的长度长的也就十几米，所以就需要将很多抽油杆组装在一起才能达到需要的深度。而长度这么长如果安装前在地面先安装好的话需要很大的空间，而且组装好再往井下放可操作性也不大，所以就需要把抽油杆一边安装一边组装。发生故障的时候需要取出抽油杆也必须把抽油杆提出一节卸下一节。这个时候就需要在组装和拆卸的时候需要把还留在井中的部分固定住，不能让剩下的部分掉进井里。这个驱动装置必须能够实现这个功能。上述三个问题是这次设计必须要解决的三个主要问题，还存在一下细节问题需要解决。比如螺杆泵驱动装置在工作中不仅要传递扭矩给抽油杆柱，因为抽油杆自
35、身有重量，而且数十根上百跟的抽油杆组装在一起这个重量是不能忽略的，同时螺杆泵工作的目的就是为了将地下的油抽到地面上，液体的重量也是必须考虑的，所以需要装置能够承受抽油杆柱和举升液体的重力。2.3 结构设计首先，为了能够承受抽油杆柱自身的重力和举升油液混合物的重力，借鉴国内外的支撑装置通常采用在电机内部安装承载轴承直接承受轴向载荷和润滑脂润滑轴承的方式，可是这样的设计方案却存在一定的弊端，因为直接把直驱电机当成了主要承载部件，主承载轴承采用脂润滑方式冷却效果比较差，这样在一定程度上使故障发生的几率增高。为了解决这个问题，把传动轴设计成空心轴，将电动机驱动轴的传递给抽油杆并承受抽油杆柱和举升液体的
36、自重，并最终将产生的轴向力作用在箱体内的主轴承上，而电机的作用只是用来传递扭矩载荷。从驱动装置的外部结构上看可以分为四个部分。如图2-2所示，从上到下依次是机械密封装置、永磁同步驱动电机、轴向承载装置和卡瓦封井装置。图2-2 驱动装置总体结构示意图永磁驱动电机是一种同步力矩电机，永磁同步力矩电机具有结构简单、使用方便、可靠性高、体积小重量轻、高效节能的特点。因此永磁同步电机的转子上不会产生励磁损耗，滑环与电刷之间不会产生磨擦损耗，也没有接触电损耗。内部结构具体包括电机定子和电机转子，永磁驱动电机的电机轴采用的是空心阶梯轴，电机空心轴内套有密封中心管，该密封中心管的外径也是呈阶梯状，以方便与一些
37、密封装置的配合。机械密封装置包括机械密封定盘、机械密封动盘、密封压盖和中心扶正轴承，其中中心扶正轴承安装在从永磁驱动电机的内部延伸出来的密封中心管上，中心管扶正轴承的上面依次安装密封压片、机械密封动盘和机械密封定盘，密封压片与密封动盘还有电机空心轴的内壁实现密封接触。在电机空心轴的外壁上部设有两个平键槽，电机就是通过平键将扭矩传递给压帽，然后再通过压帽进行扭矩的传递。另一方面压帽也通过该平键将机械密封装置的各部件罩在里边。轴向承载装置主要包括两端设有法兰盘的上本体，在上本体内装有轴向承载轴承及润滑承载轴承的润滑池，进而来承载装置中包括抽油杆自重和举升油液混合物重力在内的轴向力。上本体通过螺栓连
38、接与永磁驱动电机的底座连接在一起。如图2-3所示，卡瓦封井装置包括预计轴向承载装置类似的两端设有法兰盘的下本体。该下本体上端通过螺栓连接与上本体连接起来，下端与井口也通过螺栓连接起来。在下本体内装有两块密封闸板，两密封闸板一端各铣有一个与抽油杆柱半径相同的半圆槽孔9，对合后呈圆形，在密封闸板上以及与两密封闸板对合后重合的缝隙垂直的径向上分别铣有T型槽。在下本体的侧壁上通过焊接方式将圆柱筒固定住，筒口螺纹连接放油丝堵，一端靠孔用挡圈限制放油丝堵的位置。密封闸板的T型槽内还连接有丝杆，丝杠的另一端伸出圆柱筒口，丝杠在圆柱筒外的部分有一部分制作成正六边形。图2-3 卡瓦封井装置2.4 工作原理图2-
39、4 驱动装置内部结构示意图如图2-4所示，系统工作的时候，电动机起动，电机空心轴开始转动。空心轴上部设有两个键槽可以安装平键，平键与压帽上的键槽契合，通过平键将扭矩传递给压帽。压帽上端凸台与方卡子下端配合，当方卡子上的螺栓扭紧的时候可以将方卡子与压帽紧紧地压在一起，将压帽上的扭矩传递给方卡子。而方卡子是由对称的两件组成，中间铣有与抽油杆半径相同的半圆槽，当两件方卡子配合的时候可以恰好将抽油杆夹在中间，扭紧螺栓可以将抽油杆牢牢夹紧，将压帽上的扭矩传递给抽油杆，这样实现电机直接带动抽油杆进行工作。工作过程中抽油杆自重以及举升液体产生的重力通过空心电机轴左右在轴向承载轴承上，以承载系统产生的轴向力。
40、 在工作之前需要安装抽油杆或者装置发生故障需要拆卸的时候，可以通过卡瓦封井装置对抽油杆的压紧和松开来实现抽油杆的一边安装一边组装（或者一边拔起一边拆卸）。2.5 本章小结 因为本次设计主要是对直驱式螺杆泵驱动装置的设计，电机是选用已有的电机，所以没有再对电机进行设计。因此设计的过程中很少涉及到电机部分。3重要技术解决方案3.1 密封问题因为该装置直接与石油接触，而电机内部又必须隔绝石油，所以必须做好密封。装置的主要部件又是在运动的，所以普通的密封方式效果比较差，需要使用具有针对性的运动密封方式才行。这里根据驱动装置的运动特点主要介绍两种密封方式：机械密封和V型密封圈密封。如图3-1所示为本次设
41、计的直驱式螺杆泵驱动装置的上端主要密封部分。图3-1 直驱式螺杆泵驱动装置上端密封部分3.1.1 机械密封图3-2 简易的机械密封件根据驱动装置的结构和运动方式可以发现密封中心管内部可能有残留的石油，可能顺着抽油杆的转动从密封中心管中进入到压帽的空腔内，压帽与电机空心轴连接配合，如果压帽空腔内的石油进入到电机内部就会对电机造成损坏，影响寿命，所以必须做好密封工作。因为电机空心轴是运动的，所以普通的密封效果不好，必须通过一种动态密封来解决该密封问题，机械密封可以很好的解决这个问题。机械密封如图3-2所示，是指由至少一对与旋转轴线互相垂直的端面在流体的压力和辅助机构所提供的弹力补偿的作用下再配合着
42、辅助密封件来保持与所需密封部位的贴合并相对滑动来组成实现防止液体泄漏的装置。在一些轻型密封中，因为橡胶波纹管弹力有限，所以一般情况下还需要外加辅助弹簧来满足弹力补偿。由于电机空心轴是贯穿整个设备的，在设备外部也会有部分电机空心轴，这样，空心轴与设备之间就会有一个圆周形状的间隙，设备中的液体可能会通过这个间隙泄漏到设备外部，如果设备内的压力比环境压力小，那么设备外的空气就会向设备内泄漏，所以需要有一个密封装置来阻止泄漏。在众多的轴类密封方式中，因为机械密封泄漏量较少和有很长的使用寿命等，所以机械密封的密封方式是在此类设备中最常用的一种密封方式。在此驱动装置中，因为空心电机轴是转动的，在转动的过程
43、中也可能会产生轻微的轴向运动。普通的密封方式适合静态密封，而对运动的部件密封效果不好。机械密封包括机械密封定盘、机械密封动盘、密封压盖（即上压紧螺母），中间有弹簧提供弹力补偿。当设备工作时，通过中心扶正轴承防止中心管和电机空心轴的径向运动，通过压紧螺母与机械密封定盘接触压紧为机械密封动盘提供预紧力，将机械密封定盘牢牢地压在密封件上使其紧密接触，防止部分通过中心管的液体泄漏到设备外，达到很好的动密封效果。 3.1.2 V型密封圈因为螺杆泵在工作的时候工作腔内的流体压力不是固定不变的，一般的密封方式通常只能满足密封压力稳定的情况下的密封。针对这种情况，这里应用了一种更合适的密封方式，可以更好地满足
44、工作腔内流体压力不断变化的密封要求。图3-3 V型密封圈如图3-3所示， V形密封圈截面形状为V形，V形密封圈主要由支撑环、压环、密封圈三部分组成。密封圈的标准角度是90，特殊情况下也会用到60夹角。支承环是支撑V形密封圈的重要部件，它的断面厚实、尺寸精确、凹角与V形密封圈的夹角相同或者比其稍大些，这样可以使密封圈安放的时候稳定。压环的作用是给V形密封圈提高一个初始的压缩量，让密封圈与需要密封的表面接触更加充分，并且可以调节密封圈的压缩量。在自然状态下，V形密封圈的外径大于压帽腔的内径，密封圈的内径小于抽油杆的直径。这样，装配后已经产生了一定的形变。由于支撑环的作用使这种形变仅发生在密封圈的尖
45、端，并且在它与需要密封的接触部位产生压力，即使不另外施加压紧力，唇口也能对内压一定的流体进行密封。在此，V型密封圈与压紧螺母配合，当密封腔内的压力升高时，调节压紧螺母的旋进旋出来压紧密封圈，通过压紧作用来为密封圈增加压紧力，以实现密封腔内不同压力情况下的密封目的。3.2 抽油杆安装和卸载问题 螺杆泵抽油机在工作和停歇或者在发生故障的时候都需要将抽油杆组装和取出，而油井的深度通常是几百米和几千米范围内，抽油杆的标准长度在几米或者十几米之间（为了实际需要也有许多不同标准的短杆），所以在实际使用过程中需要把很多抽油杆组装起来。而几千米的抽油杆在安装前组装好又不现实，需要电机在工作的时候边安装边组装，这个时候需要将已经安装的抽油杆固定住以便组装剩下的部分。这样就需要驱动装置能够起到对抽油杆的固定作用。 在这里使用的是如图3-4所示卡瓦封井装置来解决这个问题。图3-4 卡瓦封井装置以安装抽油杆为例。当安装抽油杆时，通过旋转丝杠推动密封闸板。密封闸板一端铣有与抽油杆柱半径相同的半圆形槽，通过丝杠的推动将两个密封闸板向中间移动，丝杠提