曹忠亮, 王云鵬, 胡清明, 張宏斌, 郭建華

(齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

近年來,國家及各省市教育部門高度重視大學(xué)生創(chuàng)新型人才的培養(yǎng),教育部頒發(fā)了《教育部 財(cái)政部關(guān)于實(shí)施“高等學(xué)校本科教學(xué)教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的意見》和《關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》2份重要文件,明確提出了高校對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)“實(shí)踐教學(xué)與人才培養(yǎng)模式改革創(chuàng)新”這一建設(shè)內(nèi)容,激發(fā)大學(xué)生的興趣和潛能,培養(yǎng)大學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和創(chuàng)新精神[1-4]。提高大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)素質(zhì)對于實(shí)施“科教興國”戰(zhàn)略具有重要意義,目前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目是提高大學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段和途徑。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目作為高校發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)的有效載體,是實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié),是高校創(chuàng)新教育的重要平臺(tái),對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)能力和團(tuán)隊(duì)精神具有重要意義[5]。

我校于1998年開展大學(xué)生課外科技競賽活動(dòng),例如挑戰(zhàn)杯、機(jī)械創(chuàng)新大賽、先進(jìn)制圖大賽等,并多次參與國家級(jí)大學(xué)生課外科技活動(dòng)。為響應(yīng)國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃號(hào)召,從2010年開始,實(shí)施齊齊哈爾大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目計(jì)劃,逐步開展大學(xué)生創(chuàng)新能力發(fā)展及相關(guān)創(chuàng)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)制造。為在校學(xué)生搭建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐平臺(tái),最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建立——?jiǎng)?chuàng)新訓(xùn)練——能力培養(yǎng)這種一體化創(chuàng)新能力發(fā)展目標(biāo)。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目實(shí)施以來得到了廣大學(xué)生參與,同時(shí)在眾多參與項(xiàng)目中優(yōu)選一些具有代表性的項(xiàng)目參加省級(jí)與國家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目,形成學(xué)校、省、國家三級(jí)比賽體制,培養(yǎng)學(xué)生對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目比賽的認(rèn)識(shí)性,逐步提高學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的積極性,進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生參與科技發(fā)明、創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、科研項(xiàng)目等多種形式活動(dòng),最終提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力。

抽油機(jī)是油田開采過程中的主要開采設(shè)備,分為游梁式和無游梁式2種[6-9]。其中,游梁式抽油機(jī)由于其的結(jié)構(gòu)較為簡單、工作穩(wěn)定性和耐久性較高、操作和維修較為方便等特點(diǎn)被廣泛使用。隨著油田儲(chǔ)量的減少,開采難度增加,為保證石油產(chǎn)量,要求抽油機(jī)具有較長的沖程和較大的載荷。同時(shí)游梁式抽油機(jī)存在峰值扭矩與沖程長度成正比的缺點(diǎn),使其難以達(dá)到長沖程和大載荷的要求[10-12]。此外,游梁式抽油機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其電機(jī)負(fù)載扭矩波動(dòng)大甚至出現(xiàn)負(fù)扭矩的問題,使得其高耗能、低效率[13]。所以在盡可能保留游梁式抽油機(jī)優(yōu)點(diǎn)的前提下,研制一種長沖程、低沖次、大載荷的高效節(jié)能的抽油機(jī)具有非常大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

1 整體設(shè)計(jì)思想

本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)采用經(jīng)典的力學(xué)平衡原理,設(shè)計(jì)一種新型無游梁抽油機(jī),新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以大大減小電機(jī)功率消耗；本設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地采用變力矩配重機(jī)構(gòu),配合具有良好彎曲性能的扁鋼絲繩代替?zhèn)鹘y(tǒng)圓鋼絲繩作為抽油機(jī)牽拉繩索；采用鋼材質(zhì)桁架結(jié)構(gòu)替代抽油機(jī)床身,保證抽油機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 無油梁抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

新型無游梁抽油機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括：電控系統(tǒng)、動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、滑輪、鋼絲繩和機(jī)架。如圖1所示。該無游梁抽油機(jī)靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。主軸外圓周面固定套裝有行星輪系的太陽輪和大曲柄大端,行星輪系的內(nèi)齒圈設(shè)有外輪齒,內(nèi)齒圈的外輪齒與同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)帶輪嚙合連接,曲柄軸外圓周面固定套裝有同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的從動(dòng)帶輪、大曲柄小端和小曲柄大端,小曲柄小端與配重塊固定連接,2個(gè)定滑輪裝置均通過各自的輪軸固定安裝在機(jī)架上部的左右兩端,扁鋼絲繩一端與位于右側(cè)的定滑輪裝置固定連接,扁鋼絲繩另一端依次繞過繞輪和定滑輪裝置與懸繩器上端固定連接。

圖1 無游梁抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由定軸行星輪系和同步帶組成,定軸輪系可以實(shí)現(xiàn)同軸反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),同步帶可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng),將定軸輪系與同步帶帶輪有機(jī)結(jié)合起來,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的反轉(zhuǎn)傳動(dòng),如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是曲柄和配重塊組成,它的作用就是大曲柄一端的繞輪隨著大曲柄的旋轉(zhuǎn),可以壓著鋼絲繩運(yùn)動(dòng),通過機(jī)架上的吊耳改變運(yùn)動(dòng)方向,拉動(dòng)抽油桿實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)小曲柄和配重塊沿反方向做圓周運(yùn)動(dòng),已達(dá)到最佳輔助做功的目的,如圖3所示。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)側(cè)視圖與主視圖

3 有關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 工作原理

無游梁式抽油機(jī)工作原理模型,如圖4所示,A為扁鋼絲繩在抽油機(jī)框架上的固定懸掛點(diǎn),B點(diǎn)為懸在抽油機(jī)上的投影點(diǎn),也是扁鋼絲繩與懸點(diǎn)連接的換向點(diǎn),C點(diǎn)為一般位置處的抽油機(jī)扁鋼絲繩在大曲柄處作用點(diǎn)。初始時(shí)A、C、B三點(diǎn)處于同一水平線上,此時(shí),抽油機(jī)懸點(diǎn)位移為零,即S=0 m,明顯的,C′處為大曲柄運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)所在位置,此時(shí),懸點(diǎn)位移最大,即S=AC′+BC′-AB,OC為大曲柄,繞O做圓周運(yùn)動(dòng),設(shè)其轉(zhuǎn)速為ω1rad/s,CD為小曲柄,D點(diǎn)為配重懸掛點(diǎn),CD繞C點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng),設(shè)其轉(zhuǎn)速為ω2rad/s,令ω2=ω1,從而達(dá)到D點(diǎn)(配重)對主軸O變力矩做功的目的。即C繞O做圓周運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)鋼絲繩AOB運(yùn)動(dòng),鋼絲繩通過A點(diǎn)的定滑輪改變運(yùn)動(dòng)方向,拉動(dòng)抽油桿沿AE方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖4 工作原理簡化模型圖

為使配重達(dá)到最佳輔助作用,在主軸受到扁鋼絲繩施加的合力最大時(shí),應(yīng)使配重的運(yùn)動(dòng)到離O軸最遠(yuǎn)的端點(diǎn),使此時(shí)配重對O軸的力矩最大。顯然,AC、BC上的力大小相同,均為懸點(diǎn)處載荷大小,由平行四邊形法則對力F1、F2進(jìn)行合成,當(dāng)合力F0同大曲柄OC垂直時(shí)刻,軸O所受到的力矩最大,此時(shí)小曲柄應(yīng)處在水平位置。

顯而易見,初始位置時(shí)小曲柄與大曲柄之間銳角夾角,設(shè)其值為φ0。由于ω2=ω1顯然可得初始位置處CD與OC應(yīng)該存在銳角夾角φ0。可以得到該抽油機(jī)初始狀態(tài)位置,如圖5所示。

圖5 初始位置狀態(tài)圖

3.2 基本尺寸計(jì)算

以某油田抽油機(jī)工作油井參數(shù)為參考,確定系統(tǒng)初始工作參數(shù)如表1所示。

表1 抽油機(jī)工作參數(shù)

由上節(jié)知,抽油機(jī)沖程S=3 m,由圖4得知,當(dāng)C、C′重合時(shí),達(dá)到最大位移,此時(shí),只考慮△ABC,有如圖6所示圖形,其中a=b。

圖6 抽油機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算簡化模型圖

由三角形分析可知,懸點(diǎn)位移S為

由幾何知識(shí)可解得

圓整后取

c=7 300 mm

大曲柄長度

由已知結(jié)果考慮圖4所示位置處,由CAD軟件可自動(dòng)計(jì)算得φ0=11.54°,其機(jī)構(gòu)尺寸如圖7所示。

圖7 機(jī)構(gòu)計(jì)算尺寸圖

3.3 抽油機(jī)的實(shí)物模型

根據(jù)前期的設(shè)計(jì)和理論計(jì)算,完成了整體設(shè)計(jì),同時(shí)在人機(jī)工程學(xué)和外形美觀的前提下,制造了無游梁抽油機(jī)的實(shí)物模型,如圖8所示。

圖8 無游梁抽油機(jī)的實(shí)物模型圖

4 創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)

在我校圍繞創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目開展相關(guān)活動(dòng)中,科技創(chuàng)新作品競賽和創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)競賽得到了學(xué)生廣泛的參與。在我校開展的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育活動(dòng)中,不同專業(yè)、不同年級(jí)的學(xué)生之間組建創(chuàng)新型團(tuán)隊(duì)能夠引導(dǎo)大學(xué)生樹立正確的人生價(jià)值觀,在參加學(xué)校比賽活動(dòng)后能有效提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。在校園中開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育有利于宣傳創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念,不斷擴(kuò)大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育對大學(xué)生未來就業(yè)和自主創(chuàng)業(yè)觀念的影響,同時(shí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育得到廣大學(xué)生的認(rèn)知和認(rèn)同。此外，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的無游梁抽油機(jī)也已經(jīng)獲得國家實(shí)用新型專利1項(xiàng),發(fā)明專利1項(xiàng),并且申報(bào)獲得齊齊哈爾市科技局工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目1項(xiàng),申報(bào)獲得我校大學(xué)教育教研項(xiàng)目1項(xiàng),取得了一定的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。在參加創(chuàng)新設(shè)計(jì)小組中的一部分學(xué)生鍛煉自身的設(shè)計(jì)能力,同時(shí)也掌握相應(yīng)的繪圖軟件與動(dòng)手實(shí)踐能力,另一部分學(xué)生通過本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)使自己的理論知識(shí)得到提升,為后續(xù)研究生階段的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

該無游梁抽油機(jī)適用于陸地石油開采,結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低。整體結(jié)構(gòu)方面創(chuàng)新性的采用臥式結(jié)構(gòu),大大降低了使用風(fēng)險(xiǎn)。工作原理方面采用配重塊輔助做功的原理減小電動(dòng)機(jī)的能耗,符合節(jié)能減排的要求。零件設(shè)計(jì)方面創(chuàng)新性的將定軸行星輪系和同步帶有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離反轉(zhuǎn)傳動(dòng)。通過本次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽使學(xué)生得到了鍛煉,學(xué)會(huì)了團(tuán)隊(duì)合作,真正體會(huì)了什么是專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐設(shè)計(jì)相結(jié)合,這對學(xué)生步入工作崗位及研究生學(xué)習(xí)階段起到了良好的作用。這種依托創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的教學(xué)模式,拓展了學(xué)生動(dòng)手能力,更好地提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。