曹忠亮, 王云鹏, 胡清明, 张宏斌, 郭建华

(齐齐哈尔大学 机电工程学院, 黑龙江 齐齐哈尔 161006)

近年来,国家及各省市教育部门高度重视大学生创新型人才的培养,教育部颁发了《教育部 财政部关于实施“高等学校本科教学教学质量与教学改革工程”的意见》和《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》2份重要文件,明确提出了高校对培养创新型人才的要求,重点强调“实践教学与人才培养模式改革创新”这一建设内容,激发大学生的兴趣和潜能,培养大学生的团队协作意识和创新精神[1-4]。提高大学生创新创业素质对于实施“科教兴国”战略具有重要意义,目前创新创业项目是提高大学生创新能力的重要手段和途径。创新创业项目作为高校发扬创新精神、培养创新意识的有效载体,是实现素质教育和创新人才培养目标的重要环节,是高校创新教育的重要平台,对培养学生的实践能力、创新团队能力和团队精神具有重要意义[5]。

我校于1998年开展大学生课外科技竞赛活动,例如挑战杯、机械创新大赛、先进制图大赛等,并多次参与国家级大学生课外科技活动。为响应国家创新创业计划号召,从2010年开始,实施齐齐哈尔大学创新创业训练项目计划,逐步开展大学生创新能力发展及相关创新项目的设计与开发制造。为在校学生搭建创新创业实践平台,最终实现项目建立——创新训练——能力培养这种一体化创新能力发展目标。创新创业项目实施以来得到了广大学生参与,同时在众多参与项目中优选一些具有代表性的项目参加省级与国家级创新创业项目,形成学校、省、国家三级比赛体制,培养学生对创新创业项目比赛的认识性,逐步提高学生参与创新创业项目的积极性,进而引导学生参与科技发明、创业项目、科研项目等多种形式活动,最终提高学生的综合创新实践能力。

抽油机是油田开采过程中的主要开采设备,分为游梁式和无游梁式2种[6-9]。其中,游梁式抽油机由于其的结构较为简单、工作稳定性和耐久性较高、操作和维修较为方便等特点被广泛使用。随着油田储量的减少,开采难度增加,为保证石油产量,要求抽油机具有较长的冲程和较大的载荷。同时游梁式抽油机存在峰值扭矩与冲程长度成正比的缺点,使其难以达到长冲程和大载荷的要求[10-12]。此外,游梁式抽油机由于自身结构导致其电机负载扭矩波动大甚至出现负扭矩的问题,使得其高耗能、低效率[13]。所以在尽可能保留游梁式抽油机优点的前提下,研制一种长冲程、低冲次、大载荷的高效节能的抽油机具有非常大的经济和社会意义。

1 整体设计思想

本次创新设计采用经典的力学平衡原理,设计一种新型无游梁抽油机,新的结构设计可以大大减小电机功率消耗；本设计创新性地采用变力矩配重机构,配合具有良好弯曲性能的扁钢丝绳代替传统圆钢丝绳作为抽油机牵拉绳索；采用钢材质桁架结构替代抽油机床身,保证抽油机长期稳定运转。

2 无油梁抽油机的结构设计

2.1 总体设计

新型无游梁抽油机结构主要包括：电控系统、动力及传动系统、执行机构、滑轮、钢丝绳和机架。如图1所示。该无游梁抽油机靠电动机驱动。主轴外圆周面固定套装有行星轮系的太阳轮和大曲柄大端,行星轮系的内齿圈设有外轮齿,内齿圈的外轮齿与同步带传动机构的主动带轮啮合连接,曲柄轴外圆周面固定套装有同步带传动机构的从动带轮、大曲柄小端和小曲柄大端,小曲柄小端与配重块固定连接,2个定滑轮装置均通过各自的轮轴固定安装在机架上部的左右两端,扁钢丝绳一端与位于右侧的定滑轮装置固定连接,扁钢丝绳另一端依次绕过绕轮和定滑轮装置与悬绳器上端固定连接。

图1 无游梁抽油机结构图

2.2 传动机构

传动机构主要由定轴行星轮系和同步带组成,定轴轮系可以实现同轴反转运动,同步带可以实现远距离传动,将定轴轮系与同步带带轮有机结合起来,可以实现远距离的反转传动,如图2所示。

图2 传动结构图

2.3 执行机构

执行机构主要是曲柄和配重块组成,它的作用就是大曲柄一端的绕轮随着大曲柄的旋转,可以压着钢丝绳运动,通过机架上的吊耳改变运动方向,拉动抽油杆实现往复运动。同时小曲柄和配重块沿反方向做圆周运动,已达到最佳辅助做功的目的,如图3所示。

图3 执行机构侧视图与主视图

3 有关参数设计与计算

3.1 工作原理

无游梁式抽油机工作原理模型,如图4所示,A为扁钢丝绳在抽油机框架上的固定悬挂点,B点为悬在抽油机上的投影点,也是扁钢丝绳与悬点连接的换向点,C点为一般位置处的抽油机扁钢丝绳在大曲柄处作用点。初始时A、C、B三点处于同一水平线上,此时,抽油机悬点位移为零,即S=0 m,明显的,C′处为大曲柄运动到最低点时所在位置,此时,悬点位移最大,即S=AC′+BC′-AB,OC为大曲柄,绕O做圆周运动,设其转速为ω1rad/s,CD为小曲柄,D点为配重悬挂点,CD绕C点做圆周运动,设其转速为ω2rad/s,令ω2=ω1,从而达到D点(配重)对主轴O变力矩做功的目的。即C绕O做圆周运动,带动钢丝绳AOB运动,钢丝绳通过A点的定滑轮改变运动方向,拉动抽油杆沿AE方向做直线往复运动。

图4 工作原理简化模型图

为使配重达到最佳辅助作用,在主轴受到扁钢丝绳施加的合力最大时,应使配重的运动到离O轴最远的端点,使此时配重对O轴的力矩最大。显然,AC、BC上的力大小相同,均为悬点处载荷大小,由平行四边形法则对力F1、F2进行合成,当合力F0同大曲柄OC垂直时刻,轴O所受到的力矩最大,此时小曲柄应处在水平位置。

显而易见,初始位置时小曲柄与大曲柄之间锐角夹角,设其值为φ0。由于ω2=ω1显然可得初始位置处CD与OC应该存在锐角夹角φ0。可以得到该抽油机初始状态位置,如图5所示。

图5 初始位置状态图

3.2 基本尺寸计算

以某油田抽油机工作油井参数为参考,确定系统初始工作参数如表1所示。

表1 抽油机工作参数

由上节知,抽油机冲程S=3 m,由图4得知,当C、C′重合时,达到最大位移,此时,只考虑△ABC,有如图6所示图形,其中a=b。

图6 抽油机横梁结构尺寸计算简化模型图

由三角形分析可知,悬点位移S为

由几何知识可解得

圆整后取

c=7 300 mm

大曲柄长度

由已知结果考虑图4所示位置处,由CAD软件可自动计算得φ0=11.54°,其机构尺寸如图7所示。

图7 机构计算尺寸图

3.3 抽油机的实物模型

根据前期的设计和理论计算,完成了整体设计,同时在人机工程学和外形美观的前提下,制造了无游梁抽油机的实物模型,如图8所示。

图8 无游梁抽油机的实物模型图

4 创新实践能力培养

在我校围绕创新创业训练项目开展相关活动中,科技创新作品竞赛和创业设计竞赛得到了学生广泛的参与。在我校开展的创新创业教育活动中,不同专业、不同年级的学生之间组建创新型团队能够引导大学生树立正确的人生价值观,在参加学校比赛活动后能有效提高学生设计能力和创新能力。在校园中开展创新创业教育有利于宣传创新创业教育理念,不断扩大创新创业教育对大学生未来就业和自主创业观念的影响,同时创新创业教育得到广大学生的认知和认同。此外，创新设计的无游梁抽油机也已经获得国家实用新型专利1项,发明专利1项,并且申报获得齐齐哈尔市科技局工业攻关项目1项,申报获得我校大学教育教研项目1项,取得了一定的社会应用价值。在参加创新设计小组中的一部分学生锻炼自身的设计能力,同时也掌握相应的绘图软件与动手实践能力,另一部分学生通过本次创新设计使自己的理论知识得到提升,为后续研究生阶段的学习打下良好的基础。

5 结语

该无游梁抽油机适用于陆地石油开采,结构简单,制造成本低。整体结构方面创新性的采用卧式结构,大大降低了使用风险。工作原理方面采用配重块辅助做功的原理减小电动机的能耗,符合节能减排的要求。零件设计方面创新性的将定轴行星轮系和同步带有机结合,实现了远距离反转传动。通过本次创新创业竞赛使学生得到了锻炼,学会了团队合作,真正体会了什么是专业知识与实践设计相结合,这对学生步入工作岗位及研究生学习阶段起到了良好的作用。这种依托创新创业项目的教学模式,拓展了学生动手能力,更好地提高学生的创新意识和创新能力。