基于創新創業項目的大學生創新能力培養研究

曹忠亮, 王云鵬, 胡清明, 張宏斌, 郭建華

(齊齊哈爾大學 機電工程學院, 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生創新型人才的培養,教育部頒發了《教育部 財政部關于實施“高等學校本科教學教學質量與教學改革工程”的意見》和《關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》2份重要文件,明確提出了高校對培養創新型人才的要求,重點強調“實踐教學與人才培養模式改革創新”這一建設內容,激發大學生的興趣和潛能,培養大學生的團隊協作意識和創新精神[1-4]。提高大學生創新創業素質對于實施“科教興國”戰略具有重要意義,目前創新創業項目是提高大學生創新能力的重要手段和途徑。創新創業項目作為高校發揚創新精神、培養創新意識的有效載體,是實現素質教育和創新人才培養目標的重要環節,是高校創新教育的重要平臺,對培養學生的實踐能力、創新團隊能力和團隊精神具有重要意義[5]。

我校于1998年開展大學生課外科技競賽活動,例如挑戰杯、機械創新大賽、先進制圖大賽等,并多次參與國家級大學生課外科技活動。為響應國家創新創業計劃號召,從2010年開始,實施齊齊哈爾大學創新創業訓練項目計劃,逐步開展大學生創新能力發展及相關創新項目的設計與開發制造。為在校學生搭建創新創業實踐平臺,最終實現項目建立——創新訓練——能力培養這種一體化創新能力發展目標。創新創業項目實施以來得到了廣大學生參與,同時在眾多參與項目中優選一些具有代表性的項目參加省級與國家級創新創業項目,形成學校、省、國家三級比賽體制,培養學生對創新創業項目比賽的認識性,逐步提高學生參與創新創業項目的積極性,進而引導學生參與科技發明、創業項目、科研項目等多種形式活動,最終提高學生的綜合創新實踐能力。

抽油機是油田開采過程中的主要開采設備,分為游梁式和無游梁式2種[6-9]。其中,游梁式抽油機由于其的結構較為簡單、工作穩定性和耐久性較高、操作和維修較為方便等特點被廣泛使用。隨著油田儲量的減少,開采難度增加,為保證石油產量,要求抽油機具有較長的沖程和較大的載荷。同時游梁式抽油機存在峰值扭矩與沖程長度成正比的缺點,使其難以達到長沖程和大載荷的要求[10-12]。此外,游梁式抽油機由于自身結構導致其電機負載扭矩波動大甚至出現負扭矩的問題,使得其高耗能、低效率[13]。所以在盡可能保留游梁式抽油機優點的前提下,研制一種長沖程、低沖次、大載荷的高效節能的抽油機具有非常大的經濟和社會意義。

1 整體設計思想

本次創新設計采用經典的力學平衡原理,設計一種新型無游梁抽油機,新的結構設計可以大大減小電機功率消耗；本設計創新性地采用變力矩配重機構,配合具有良好彎曲性能的扁鋼絲繩代替傳統圓鋼絲繩作為抽油機牽拉繩索；采用鋼材質桁架結構替代抽油機床身,保證抽油機長期穩定運轉。

2 無油梁抽油機的結構設計

2.1 總體設計

新型無游梁抽油機結構主要包括：電控系統、動力及傳動系統、執行機構、滑輪、鋼絲繩和機架。如圖1所示。該無游梁抽油機靠電動機驅動。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,行星輪系的內齒圈設有外輪齒,內齒圈的外輪齒與同步帶傳動機構的主動帶輪嚙合連接,曲柄軸外圓周面固定套裝有同步帶傳動機構的從動帶輪、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個定滑輪裝置均通過各自的輪軸固定安裝在機架上部的左右兩端,扁鋼絲繩一端與位于右側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 無游梁抽油機結構圖

2.2 傳動機構

傳動機構主要由定軸行星輪系和同步帶組成,定軸輪系可以實現同軸反轉運動,同步帶可以實現遠距離傳動,將定軸輪系與同步帶帶輪有機結合起來,可以實現遠距離的反轉傳動,如圖2所示。

圖2 傳動結構圖

2.3 執行機構

執行機構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,可以壓著鋼絲繩運動,通過機架上的吊耳改變運動方向,拉動抽油桿實現往復運動。同時小曲柄和配重塊沿反方向做圓周運動,已達到最佳輔助做功的目的,如圖3所示。

圖3 執行機構側視圖與主視圖

3 有關參數設計與計算

3.1 工作原理

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

圖4 工作原理簡化模型圖

為使配重達到最佳輔助作用,在主軸受到扁鋼絲繩施加的合力最大時,應使配重的運動到離O軸最遠的端點,使此時配重對O軸的力矩最大。顯然,AC、BC上的力大小相同,均為懸點處載荷大小,由平行四邊形法則對力F1、F2進行合成,當合力F0同大曲柄OC垂直時刻,軸O所受到的力矩最大,此時小曲柄應處在水平位置。

顯而易見,初始位置時小曲柄與大曲柄之間銳角夾角,設其值為φ0。由于ω2=ω1顯然可得初始位置處CD與OC應該存在銳角夾角φ0。可以得到該抽油機初始狀態位置,如圖5所示。

圖5 初始位置狀態圖

3.2 基本尺寸計算

以某油田抽油機工作油井參數為參考,確定系統初始工作參數如表1所示。

表1 抽油機工作參數

由上節知,抽油機沖程S=3 m,由圖4得知,當C、C′重合時,達到最大位移,此時,只考慮△ABC,有如圖6所示圖形,其中a=b。

圖6 抽油機橫梁結構尺寸計算簡化模型圖

由三角形分析可知,懸點位移S為

由幾何知識可解得

圓整后取

c=7 300 mm

大曲柄長度

由已知結果考慮圖4所示位置處,由CAD軟件可自動計算得φ0=11.54°,其機構尺寸如圖7所示。

圖7 機構計算尺寸圖

3.3 抽油機的實物模型

根據前期的設計和理論計算,完成了整體設計,同時在人機工程學和外形美觀的前提下,制造了無游梁抽油機的實物模型,如圖8所示。

圖8 無游梁抽油機的實物模型圖

4 創新實踐能力培養

在我校圍繞創新創業訓練項目開展相關活動中,科技創新作品競賽和創業設計競賽得到了學生廣泛的參與。在我校開展的創新創業教育活動中,不同專業、不同年級的學生之間組建創新型團隊能夠引導大學生樹立正確的人生價值觀,在參加學校比賽活動后能有效提高學生設計能力和創新能力。在校園中開展創新創業教育有利于宣傳創新創業教育理念,不斷擴大創新創業教育對大學生未來就業和自主創業觀念的影響,同時創新創業教育得到廣大學生的認知和認同。此外，創新設計的無游梁抽油機也已經獲得國家實用新型專利1項,發明專利1項,并且申報獲得齊齊哈爾市科技局工業攻關項目1項,申報獲得我校大學教育教研項目1項,取得了一定的社會應用價值。在參加創新設計小組中的一部分學生鍛煉自身的設計能力,同時也掌握相應的繪圖軟件與動手實踐能力,另一部分學生通過本次創新設計使自己的理論知識得到提升,為后續研究生階段的學習打下良好的基礎。

5 結語

該無游梁抽油機適用于陸地石油開采,結構簡單,制造成本低。整體結構方面創新性的采用臥式結構,大大降低了使用風險。工作原理方面采用配重塊輔助做功的原理減小電動機的能耗,符合節能減排的要求。零件設計方面創新性的將定軸行星輪系和同步帶有機結合,實現了遠距離反轉傳動。通過本次創新創業競賽使學生得到了鍛煉,學會了團隊合作,真正體會了什么是專業知識與實踐設計相結合,這對學生步入工作崗位及研究生學習階段起到了良好的作用。這種依托創新創業項目的教學模式,拓展了學生動手能力,更好地提高學生的創新意識和創新能力。