潜油离心泵试验台夹紧装置的设计学位论文.docx
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潜油离心泵试验台夹紧装置的设计学位论文
摘要
本论文阐述了潜油离心泵试验台夹紧装置的设计过程，展示了部分总装图、零部件图绘制的结果。
设计主要用于潜油离心泵性能检测的实验设备，实现对潜油离心泵的固定和支撑的作用。
主要包括试验台总体方案设计、夹紧装置及可调支撑的结构设计及相关的设计计算。
保证试验台上的潜油离心泵不移动、不变形、不震动、安全、省力和方便。
其中，主要介绍了V型块夹紧装置、螺旋传动机构的选择和部分相关的计算，以及夹紧装置的各部分零件在整体中起到的作用。
可调支撑在夹紧装置装夹前来支撑泵体，起到调节泵体位置和高度，便于装夹和拆卸的作用。
可调支撑中v型滚子的选用、螺旋高度调节装置的使用和高度调节的计算。
关键词：
机械；夹紧装置；V型块；可调支撑
Abstract
Thearticleexpoundstheprocessofoil-submersiblecentrifugalpumptestbenchclampdevicedesign,showstheresultswhichispartofassemblydrawings,partsmapping.Thedesignismainlyusedforthetestequipmentofoil-submersiblecentrifugalpumpperformance.,realizationofoil-submersiblecentrifugalpumpfixedandasupportingrole.Mainlyincludestheschemeoftestbench,aclampingdeviceandanadjustablesupportingstructuredesignandrelateddesigncalculation.Assurancetestofoil-submersiblecentrifugalpumpdoesnotmove,deform,vibrate,safety,laborsavingandconvenient.ThisarticlemainlyintroducestheVtypeclampingdevice,thechoiceofscrewdrivemechanismandpartialcorrelationswerecomputed,andeachpartoftheclampingdeviceintheoverallplayarole.Adjustablesupportintheclampingdevice,isusedtosupportaworkpiecebeforeclamping,toadjusttheworkpiecepositionandheight,isconvenientforclampinganddisassemblingtherole.AdjustablesupportintheVtyperollerselection,helicalheightadjustmentdeviceuseandheightadjustmentcalculation.
Keywords：
Machinery；Fixture；Vtypeblock；Adjustablesupport
第1章概述
1.1国内外采油概况
在全球范围内，从地层中开采石油的方法可以分为两大类:
一类是利用地层本身的挤压能量来举升原油，称自喷采油法;另一类是由于地层本身的挤压能量不足，必须人为地给地层中的石油补充能量，才能将原油举升到地而，称为人工举升采油法。
由于人工举升采油法一般是利用机械装置实现补充能量的，因此也称机械采油法。
在机械采油法中，凡是利用抽油杆柱上下往复运动进行能源传递的抽油设备统称有杆抽油设备，否则称无杆抽油设备，而利用抽油杆柱旋转运动进行能量传递的井下螺杆抽油泵装置，虽然也有抽油杆，但人们习惯上并不把它列入有杆抽油设备。
国内外应用比较广泛的人工升举方法有潜油离心泵、潜油螺杆泵、有杆泵、水力活塞泵及气举。
潜油离心泵具有排量扬程范围大、生产压差大、适应性强、地面工艺流程简单、机组工作寿命长、管理方便、经济效益显著等特点。
随着油田开采时间的延长和含水率的不断上升，利用潜油离心泵来保持或提高油井产量已成为一种发展趋势。
近年来，国内外潜油电机驱动采油技术发展很快，电潜泵采油在井下机组设计制造、油井选择、机组选型成套、工况监测诊断及保护、分层开采和测试等配套工艺方面日臻完善。
随着潜油离心泵在世界范围使用的数量不断增加，国内外油田在电泵采油工艺技术方面做了大量工作，因此在潜油离心泵广泛应用的同时，其应用水平也在不断提高，并积累了大量丰富的经验。
据统计，目前先进的国外油田在一些主要电泵的应用指标已达到[3]：
电泵系统效率42%，适用最高井温180℃，电泵最大挂泵深度4500m，平均运行寿命600～800天。
潜油离心泵发展概况：
1923年，白俄罗斯人AS奥托纳夫在世界上首先提出潜泣电泵的新概念，并在洛杉机制造出美国第一台潜油离心泵。
1930年，奥托纳夫在美国创建了雷达公司。
50～70年代，美国相继出现了三家主要生产潜油离心泵的制造商。
它们是森垂列夫特公司、ODI公司、科贝公司。
1940年，苏联国家石油机械设计院深水电机局石油工业组研制了苏联第一台潜油离心泵。
开始广泛应用于油由。
1953年，中国石油部曾在玉门油田对潜油离心泵进行研究和试验。
1970年，天津市电机总厂与大庆油田联合，成功地开发塞中国鑫行设计和制造的第一台潜抽电泵并于1978年开始正式投产。
天津市电机总厂正式获国家批准，引进美雷达公司的潜油离心泵制造技术，极大地促进了中国电潜泵制造技术和生产的发展。
1989年，随着国内石油工业和采油技术的不断发展以及引进技术在国内的扩散，相继出现了大庆、胜利、虎溪等一批电泵制造厂，形成了中国的潜油离心泵制造行业。
随着我国石油工业的发展和油田采油开发的需要，为了提高油田采油速度和最终采收率，应用机械采油方法是整个油田开发过程的一个十分重要的步骤。
潜油离心泵作为一种比较常用的机械采油设备，由于它自身的特点，近十几年来在国内外得到了十分广泛的应用[1]。
尤其是它特别适用于海上平台采油。
选用潜油离心泵大排量强采是油田长期稳定生产的重要手段[2]。
同时，随着潜油离心泵应用的日益广泛，石油工业对潜油离心泵无论在数量上，还是在性能和质量上，都提出了越来越高的要求。
此外，由于电泵适用范围的扩大，油田对潜油离心泵提出了更特殊的要求，面对这些问题，国内外电泵制造厂针对自己的产品进行了不断的改进，并已成功地开发出一系列新产品和新技术[4]。
1.2潜油离心泵采油系统概述[5]
1.2.1潜油离心泵概述
我国自1981年引进潜油离心泵技术以来至今已有近20年的历史，近20年来，潜油离心泵作为重要的机械采油设备在油田得到了广泛应用。
据统计资料表明，目前我国已有潜油离心泵进近3700口（截止1996年底），仅大庆油田就有近1700口，占机械采油井总数的10%，产液量占总产液量的30%，成为油田为高产、稳产的重要手段之一。
目前，我国有许多油田已经进入中、后期开采阶段，需要进行注水强采。
电潜泵是一种较好的注水强采抽油设备，所以应用前景相当可观。
此外，电潜泵除可用于陆地采油之外，还可用于海洋油田、沙漠油田、极地油田进行采油，具有同样好的使用效果和经济效益。
因此，可以认为，今后电潜泵具有较好的技术发展前景。
从我国采油工艺技术发展要求、经济效益分析及市场预测结果可知，电潜泵具有较好的适应性、先进性和经济性，是一种较好的有发展前途的采油设备。
为此，要大力发展我国电潜泵，不断扩大使用范围，使我国采油经济效益进一步提高，成本进一步降低。
潜油离心泵已发展为不再以单一的设备存在，而是以一整套系统存在，成为油田为高产、稳产的重要手段之一。
潜油电机组主要由三部分组成：
井下部分、地面部分和联系井下、地面的中间部分。
井下部分是电泵的主要机组，它由多级离心泵、保护器和潜油电动机三部分组成，起抽油的主要作用，地面部分由自动控制台、自耦变压器及辅助设备组成，中间部分由特殊结构的电缆和油管组成。
潜油离心泵系统的作用是实现高扬程、大排量的流体举升。
由于电潜泵采油具有排量大，使用经济等特点，近些年来许多国外专家都致力于研究和提高电潜泵的适应性、可靠性、先进性与经济性，先后出现了许多新技术和新成果，并在采油实践中取得了较好的经济效益。
实践证实：
潜油离心泵对强水淹井、高产井、中深井、深井、方向井以及多砂、多蜡井，都能有效地工作;潜油离心泵的地面设备简单、维护方便，易于实现自动化，和其他类型抽油设备相比，潜油离心泵在油井中的使用寿命是最长的。
潜油离心泵的特点：
1）级数多、扬程高、流量小；2）排量范围大；3）沉没在液体介质中运行；4）100%自吸性；5）可以根据产液变化要求进行变频调速；
6）变频调速地面设别占用面积和空间小，适用于海上平台；7）使用价值高，使用寿命长，便于管理。
1.2.2潜油离心泵的优点和缺点
优点：
1）大排量采液是这种采油方法的主要优点。
但是，目前潜油离心泵也经常应用于产液量比较低的油井。
2）这种泵能够把油井中位于上部水层的水转注到下部的注水层中。
3）操作简单，管理方便，在市区应用有得于美化环境、减少噪音。
4）能够较好地运用于斜井、水平井以及海上采油。
5）容易处理腐蚀和结蜡。
6）容易安装井下压力及温度等测试装置，并通过电缆将测试信号传递到地面，进行测量读数。
7）为适应油井产量递减或发生变化，可采用变频装置调节电源频率来实现，但投入费用较高。
8）免修期较长，油井生产时效相对比较高。
缺点：
1）潜油离心泵下入深度受电机额定功率的限制，套管尺寸和井底高温时潜油离心泵的下入深度受到限制。
大型高功率设备没有足够的环形突然空间冷却电机，会缩短电机的使用寿命。
2）由于多级大功率潜油功率比较昂贵，使得初期投资比较高，特别是电缆的费用较高。
如果需要搞腐蚀或耐高温，则费用会更高。
3）由于整套装置都安装在井下，一旦出现故障，需要起出全部管柱进行修理，导致作业费用增加和停产时间过长。
4）井下高温容易使电缆出现故障，高温、腐蚀和磨损可能造成电机损害。
高气油比会使升举故障降低，而且会因气锁使泵发生故障。
5）动力源仅适应采用电源。
1.3潜油离心泵采油技术的结构与工作原理
1.3.1潜油离心泵采油技术的主要结构
潜油电机组主要由三部分组成：
井下部分、地面部分和联系井下、地面的中间部分。
井下部分是电泵的主要机组，它由多级离心泵、保护器和潜油电动机三部分组成，起抽油的主要作用，地面部分由自动控制台、自耦变压器及辅助设备组成，中间部分由特殊结构的电缆和油管组成。
电潜泵采油系统组成示意图，见图1-1。
图1-1电潜泵采油系统组成示意图
1-配电盘；2-变压器；3-控制柜；4-接线盒；5-采油树；6-潜油电缆；7-测压阀/泄油阀；8-大扁护罩；9-单流阀；10-泵出口；11-小扁护罩；12-潜油泵；13-气体分离器；14-保护器；15-潜油电机；16-PHD；17-扶正器；
1.3.2潜油离心泵采油技术的工作原理[6][7]
潜油离心泵是由多级叶轮、导轮串接起来的，当潜油电机带动泵轴上的叶轮高速旋转时，处于叶轮内的液体在离心力的作用下，从叶轮中心沿叶片之间的流道甩向叶轮的四周，由于液体受到叶片的作用，其压力和速度同时增加。
在导轮的进一步作用下速度能又转变成压能，同时流向下一个叶轮人口。
如此逐次地通过多级叶轮、导轮的作用，流体压能逐次增高，大于泵出口管路阻力时液体由出口流出。
电潜泵的主要性能参数为:
额定排量Q、额定扬程（压头）H,额定轴功率尸、额定效率，、额定转速n等。
电潜泵的额定排量和效率取决于泵型，额定扬程取决于泵型和级数，额定轴功率由额定排量和扬程确定，额定转速取决于电机结构。
潜油离心泵一般用于井温在150℃以下、井底静压力<35MPa、泵吸入口井液粘度<7mm2/s、井液流速>0.3m/s、泵吸入口气液比<0.3、含砂量<500g/m3、井斜度<150的油井，超出以上范围，必须进行重新设计和校正。
1.4设计潜油离心泵试验台夹紧装置的目的
1.在潜油离心泵进行试验时，夹持潜油离心泵的泵体。
固定加工潜油离心泵，保证其稳定，降低震动。
2.在安装潜油离心泵的时候，可以保证潜油离心泵的迅速、方便、安全地安装泵体的装置。
3.夹紧装置还应该具有夹持不同型号的潜油离心泵（在设定范围内）的能力。
4.夹紧装置的操作要方便、安全。
能保证夹紧装置一定的使用寿命和较低的夹紧装置制造成本。
第2章总体方案设计
2.1试验台总体技术参数
潜油离心泵试验台是用于潜油离心泵性能检测的实验设备，实现对潜油离心泵扬程、流量、转子转矩、转子转速、泵效等性能参数的测试。
在此条件下，完成试验台总体方案设计、测控系统方案设计、电气控制系统设计、实验参数检测系统设计及相关的设计计算。
本试验台可以检测的潜油离心泵的主要技术参数如下:
驱动功率：
37kW
最大扭矩：
200Nm
最高转速：
3000r/min
泵的最大扬程：
1500m
实验过程需要实验台体、流程系统、测控系统等协同完成。
相关的检测参数及技术指标见表2-1。
表2-1主要参数及技术指标
检测参数
量程
精度
备注
泵的出口压力
0～10MPa
0.5
—
泵的流量
50～300m3/d
0.5
电磁流量计
介质温度
室温～50℃
0.5
热电阻
转子扭矩
0～200Nm
0.25
—
转子转速
1000～3000r/min
0.5
—
本实验系统采用98系列潜油离心泵作为试验用泵，可安装的泵型号及相关参数见表2-2。
表2-2用于实验的的潜油离心泵型号及参数
泵型号（98系列）
转速r/min2900
转速r/min1500
单级扬程m
泵效%
排量m3/d
Q10
100
50
7.15
56
Q20
150
75
6.6
58
Q30
300
150
5.20
55
潜油离心泵采用交流变频调速电机驱动，相关泵型及转速下的相关数据见表2-3。
表2-3泵的相关参数
泵型号
转速r/min
排量
扬程m
压力MPa
计算
电机
m3/d
L/min
功率kW
扭矩Nm
功率kW
扭矩Nm
Q10
1500
50
34.7
1000
10
5.78
36.80
7.5
49.6
3000
100
69.4
1000
10
11.56
36.80
15
49
Q20
1500
75
52.1
1000
10
8.68
55.26
11
72.7
3000
150
104.2
1000
10
17.37
55.29
18.5
60
Q30
1500
150
104.2
1000
10
17.37
110.52
18.5
120.2
3000
300
208.3
1000
10
34.72
110.52
37
120
2.2试验台总体方案及系统组成
本实验系统主要包括试验台、测控系统、液压部分。
实验台体的组成如图2-1所示。
主要包括驱动电机（以下简称主电机）、转矩转速传感器、动密封装置、夹紧装置、底座、潜油离心泵（以下简称电潜泵）、辅助装置等。
图2-1实验台体组成
2.2.1实验台
主电机采用交流变频调速电机，根据表2-3的计算数据，主电机参数见表2-4。
表2-4电机参数
型号
额定功率
额定转速
额定电流
额定转矩
MDSP200L-2
37kW
2950r/min
68A
120Nm
主电机通过变频器进行变频调速控制，实现电潜泵转速的无级可调，调速控制过程采用控制台手动控制、计算机自动控制两种控制方案。
转矩转速传感器实现电潜泵工作转矩、转速的检测，额定扭矩200Nm，额定转速3000r/min。
转矩转速传感器安装在固定支座上，再通过支座的输入、输出轴与主电机和动密封装置的输入轴连接，以保证传动轴的对中性、运转的平稳性要求。
连接轴部件用于连接传感器与传动抽的传动装置。
在试验台运转中，连接轴部件除起到连接作用外，更重要的作用是保护传感器。
泵在运转时传动轴会产生扰动，而传感器是精密仪器，不能承受非旋转的运动，连接轴能够起到非常重要的保护作用
动密封装置是实现前端传动轴与电潜泵转子连接的装置，其输入轴与转矩转速传感器连接，输入轴与泵入口转子连接，内部采用机械密封结构。
密封压力0.6MPa，转速3000r/min。
由于机械密封属于易损件，因此动密封装置在结构上要易于拆装，便于维修、更换零部件。
底座用于安装电机、转矩转速传感器、动密封装置、夹紧装置等。
结构尺寸：
前半部分为平台式结构用于安装动力部分装置，后半部分为下凹式槽型结构，保证实验介质的存储，在储液槽中要设有介质（水）集收泵，用于将储液槽中的介质回收到流程系统水箱。
支座用于将各部件稳定连接于底座的装置。
支座与部件用螺栓连接，与底座焊接连接。
调整垫为安装在支座与部件之间的10mm厚20#钢板，用于对各部件的中心高进行微调；当部件安装位置不合适时，对调调整垫局部或整体打磨调整使部件处于正确位置。
2.2.2夹紧装置
夹紧装置的作用是实现电潜泵的安装、夹紧，可实现不同型号电潜泵的夹持。
因此应采用中心高固定、夹持泵径可变的机构。
为便于电潜泵的安装，在夹紧装置上要设有可调支撑。
夹紧力要保证其实现不小于200N·m扭矩，以保证实验过程中电潜泵的夹持牢固。
夹持机构采用手动夹紧。
夹紧装置预计总体图如图2-2。
夹紧装置主要为了实现下面的内容：
1.在潜油离心电泵进行试验时，夹持潜油离心泵的泵体。
固定加工潜油离心泵，使之占有正确的位置并保证其稳定，降低震动。
2.在安装潜油离心泵的时候，可以保证潜油离心泵的迅速、方便、安全地安装泵体的装置。
3.夹紧装置还应该具有夹持不同型号的潜油离心泵（在设定范围内）的能力。
4.夹紧装置的操作要方便、安全。
按不同的加工方法。
能保证夹紧装置一定的使用寿命和较低的夹紧装置制造成本。
图2-2总体的结构图
夹紧装置的主要组成：
1）夹紧件：
夹紧件为以潜油离心泵相接触最直接的件，其实主要起到固定潜油离心泵的机构。
2）操作件：
该夹紧机构设计为手动操作，通过手轮旋转来驱动使V型块运动到预设的位置。
3）传动机构：
传动机构的主要作用为，通过手动件的驱动，将运动和力传递给夹紧件，在夹紧后还可以保持其稳定。
4）定位：
该夹紧装置通过定位件，将其固定在底座上。
并且要求其高度和潜油离心泵中心高相匹配。
在夹紧装置中包含一个可调支撑其总体的图如2-3所示，其主要的作用是主要作用为，在夹紧装置夹持潜油离心泵前，将潜油离心泵支撑起，其目的是方便潜油离心泵的装夹。
可调支撑主要为了实现下面的内容：
1.具有一定的高度调节能力，保证达到夹持不同型号潜油泵所需要的高度；
2.在潜油离心泵的泵体的轴向方向可以转动；
3.在其支撑潜油离心泵达到预定高度后，要求自身具有自锁功能。
保证其在正确的为位置保持稳定。
图2-3可调支撑的总体图
2.2.3流程系统
流程系统主要为辅助装置，主要包括：
电潜泵出、入口连接组件，高、低压
软管组件。
由于实验的电潜泵型号不同，同时为保护泵体连接螺纹，其出、入口不可直接与设备相连接，需通过连接组件和高、低压软管组件与动密封装置和流
程系统相连接。
实验台流程图，见图2-4。
图2-4实验台控制流程
2.2.4试验台测控系统
传统的人工测量系统进行泵的测试时，测量的一个单项数据，一般需要多个测量人员参与，测试周期长，测量效率低，而且人工读数（采集数据）及原始测量数据处理也容易带来随机测量误差、过失误差和计算误差，从而使油泵的测试精度大大降低。
与此相反，本实验台采取的以微机控制系统为核心的数据采集、数据的实时处理装置，能够实现以较少的测试人员、较短的测试周期并能避免测试过程中因人为因素造成的测试误差。
以计算机辅助测试的潜油离心泵试验台，能够对潜油离心泵实验台的整体结构进行基本特性测试及综合性能的分析和研究。
本实验台的测控系统主要包括控制台、动力控制柜、终端计算机、测控软件等。
其中的计算机控制测试系统由计算机、数据采集卡、接口板、传感器、电磁阀和数显仪表等组成。
测控系统主要实现实验过程的动力驱动控制、实验过程中泵的扬程调节、试验参数的设定、实验数据的监测、计算机数据采集及处理等功能。
第3章夹紧装置的设计
3.1夹紧装置的总体的设计要求
（1）在潜油离心电泵进行试验时，夹持潜油离心泵的泵体。
固定潜油离心泵，并保证其稳定，降低震动。
（2）在安装潜油离心泵的时候，可以保证潜油离心泵的迅速、方便、安全地安装泵体的装置。
（3）夹紧装置还应该具有夹持不同型号的潜油离心泵（在设定范围内的能力，其调9节的范围应该保证夹持98-130mm直径范围内的不同直径的泵体。
（4）夹紧装置的操作要方便、安全。
（5）能保证夹紧装置一定的使用寿命和较低的夹紧装置制造成本。
夹紧装置元件的材料选用将直接影响夹紧装置的使用寿命。
（6）要适当提高夹紧装置元件的通用化和标准程度。
选用标准化元件，从而降低夹紧装置成本。
（7）必须具有良好的结构工艺性，以便夹紧装置的制造、使用和维修。
以上要求有时是互相矛盾的，故应在全面考虑的基础上，处理好主要矛盾，使之达到较好的效果。
3.2夹紧装置设计
3.2.1确定夹紧装置的类型[3][7][8][15]
要达到夹持泵体的目的，由于泵体是圆柱形，则对泵体以外圆柱面固定有如下两种方法：
（1）圆孔套：
圆孔套由两个相对称的少半圆组成，两者之间通过两个螺栓连接起来，并且通过调节螺栓来夹持不同大小的潜油离心泵泵体。
如下图3-1所示。
（2）V型块：
有两个V型块一同组成，是广泛应用于定位和夹持工件，具有装卸方便，对中性好，在生产中应用比较常见，切结构已经标准化。
V型块与泵体接触长度相对较长的称为长V型块可以限制四个自由度；V型块与泵体的接触长度相对较短，称为短V形块，限制两个自由度。
如下图3-2所示。
图3-1圆孔套
图3-2V型块
在本次潜油离心泵试验台夹紧装置设计中选择V型块，来对离心泵泵体进行夹持和夹紧。
V型块具有更好的对中性，并且更加稳定和坚固；与圆柱套相比较，V型块能保证稳定不震动。
并且V型块已经标准化，便于安装与拆卸。
V型块通过传动装置在水平方向驱动v型块运动，保证通过v型块四个面与潜油离心泵的泵体的相连接，限制两个方向的自由度，由于v型块较长还可以限制两个方向上的选择自由度。
由于v型块具有良好地对中性，在夹持潜油离心泵泵体后可以保证泵体的中心线和预设的水平中心线的位置一致。
3.2.2夹紧装置的总体结构
该夹紧装置是手动操作，在手轮的带动下沿，在传动机构传递运动和力使V型块沿着导向杆运动，其中两个V型块沿导向杆同步相向运动，在到达预设的位置夹紧潜油离心泵的泵体。
并且要求在V型块夹紧离心泵后要求传动机构具有自锁功能，试验台进行试验时，潜油离心泵的位置保持稳定。
通过V型块的四个面来紧固泵体和限制其自由度。
在拆卸潜油离心泵的时
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