毕业设计（论文）井下自动开关机电系统设计及温度监测电路设计

1、学号10110106204毕 业 设 计（论 文）井下自动开关机电系统设计及温度检测电路设计教 学 系：机械与汽车工程系 指导教师： 专业班级： 机制1062班 学生姓名： 2010年六月毕业设计(论文)任务书学生姓名李yj专业班级机制1062指导教师刘明尧工作单位武汉理工大学设计(论文)题目井下自动开关机电系统设计及温度检测电路设计设计（论文）主要内容：1. 机下自动开关工作原理及功能分析；2. 井下自动开关机电伺服传动系统设计计算；3. 井下自动开关结构设计；4. 温度检测电路设计。5. 主要参数：外径：116mm 内通孔：38mm 压力: 60mpa; 开关力：4000要求完成的主要任务

2、:1. 完成设计计算说明书一份；2. 绘制井下自动开关机械结构装配图及部分零件图；3. 绘制温度监测电路图；4. 三维造型绘图。必读参考资料：1. 王妍.井下自动阀门控制系统的技术研究与装置开发(d).大连：大连理工大学，2006；2. 祝荣荣，张十文.智能型阀门电动执行机构控制器的设计（j）.工业仪表与自动化装置，2005，4（1）.指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章： 毕业设计(论文)开题报告题目井下自动开关机电系统设计及温度监测电路设计1目的及意义（含国内外的研究现状分析）： 油田的一个采油厂由多口油井、计量站、管汇阀组、转油站、联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其它分散设施组成，

3、那么整个采油厂的各种设施的工作状态及采出油品的数据（主要有温度、压力、流量等）就直接关系到油田生产的稳定及原油质量。目前大多由人工每日定时检查设备运行情况并测量、统计采油数据。由于油井数量多且分布范围由几十至上百平方公里，这种方式必然使工人劳动强度加重，并且影响了设备监控与采油数据的实时性，甚至准确性。也同时存在笔误，作假等隐患。这样会导致上层无法正确了解到现场的真实情况，并且不能根据生产所消耗的实际劳动力等数据，制定较有效、灵活的处理方案。所以油厂的自动化、信息化就显得极为突出。 近年来，油田自动化在我国的应用越来越广泛，在油田自动化中，油井的监控是极其重要的一环。根据油田的开发方案，油井各

4、个时期的开采方式个不相同，因此，对油井的监控的要求也不一样。正确的设计和应用油井监控系统可以给油田的自动化生产和管理带来许多益处。随着计算机技术、通信技术的发展，石油天然气行业生产监控系统也得到了很大发展。 目前的以计算机、无线数传电台为基础的油田监测和操作系统可大大提高油田生产效率，降低综合成本，实现油田生产、管理的自动化、信息化。为了达到这个目标，必须开发一个可靠的以微型计算机技术、现代通信技术为基础的油田监测和操作系统；开发新而廉价的油田作业监测方法；开发一个易为用户存取的数据库和记录系统。石油天然气行业工业监控系统应用具有以下特点：（1）一般跨越地域大因此要求电台支持长距离传输；（2）

5、井站的无人值守远动控制决定了电台要具备能抵抗恶劣的天气环境的能力；（3）整个系统庞大，监测井站数量多，要求无线通讯系统速率要高，轮询响应时间快；（4）同时因为石油天然气行业为国家的能源基础，其所采用工控系统都是最先进可靠的设备，所以做为整个系统关键保证的无线通讯链路也必须要可靠稳定且性能优异才能保证整个工控系统的最佳运行。无线数传电台在石油天然气行业的典型应用是在油井和气井的三遥（遥测、遥信、遥控）和自动计量方面井站数据通过无线数传电台传送到采油队控制中心，采油队再通过专用广域通信网或无线网络与上一级的采油厂或石油公司的总控制中心连通。 油井监测系统是油田自动化系统一个重要组成部分，是油田自动

6、化所要控制的第一个环节。油井的监控水平直接影响到油田自动化水平。油井监控系统通常由井场的各种变送器、传感器、控制阀、井场远程终端装置和监控及数据采集系统的主终端装置，以及相应的系统软件构成。井温监测是油井监控系统必不可少的一部分，同时也是生产测井中必不可少的一个测量参数，几乎所有的组合测井仪都包括此项测量内容。准确的井温测量对于地质资料解释和油井监测等都具有十分重要的意义，尤其在稠油热采工艺中，井温的监测显得非常重要。目前常规的井温测量方法存在不足：温度传感器的热平衡时间长；传感器的移动会影响井下原始温度场的分布；无法在高温高压环境下对井下的温度场分布进行长期的监测。对于井下自动开关机电系统设

7、计的研究旨在解决随着油田开发进入中高含水阶段，层间矛盾日益突出大量的地下水被无效采出后，后续处理，回注又消耗了大量的成本的问题。如何找出并封堵高含水层，开采低含水层，有效降低采油成本，是油田开发中长期面临的一项技术难题，也是本项研究的目的之一。目前有产液剖面找水技术、封隔器找水-堵水技术、井下液压开关调层找堵水技术、井下电动开关调层找堵水技术四项技术能解决这一问题，但这几种技术均存在不同程度的弊端。为解决上叙问题，公知的专利号cn02289758.5的不压井作业滑套开关器主要由上接头、连接套、加强杆、移位套、滑套、定位爪连接而构成。因此，施工成本及安全风险增加，是现场应用受到限制。2基本内容和

8、技术方案：为了克服现有开关器在现场使用存在的不足，现设计一种新型井下智能开关器，该开关器不仅能配合一趟管柱完成分层找水、堵水生产过程，而且通过地面注水打压灵活实现井下开关动作，完成对层位的打开和关闭。开关器自动化程度高，无需起下仪器或进行管柱作业，施工成本低，具有操作简单，工作可靠，成功率高的优点。解决其技术问题所采用的技术方案是:在短节内，电池、压力计、微处理器、驱动机构、连杆、封堵开关顺序连接，然后与设计有层位采油通道和上下层位串通采油通道，内部设计安装有单向阀的连接座通过丝口相互连接为一体而构成。使用时，上下与油管连接，因为连接座设计有层位采油通道及上下层位串通采油通道，内部还设计有单向

9、阀，可保证地面打压时液体不会进入油层，不会对油层照成伤害。 如图所示连杆4分别与封堵开关3和驱动机构5连接，由驱动机构5带动连杆机构4运动来打开和关闭封堵开关3。主要由连接座1、封堵开关3、连杆4、驱动机构5、微处理器6、电池7、压力计8组成。连接座1设计有层位采油通道9及上下层位串通采油通道10，内部还设计有单向阀2，可保证地面打压时液体不会进入油层，不会对油层照成伤害。连杆4分别与封堵开关3和驱动机构5连接，由驱动机构5带动连杆4运动来打开和关闭封堵开关3. 3进度安排：（1）井下自动开关机电系统功能分析（第5，6周）；（2）井下自动开关机电系统设计计算（第7周）；（3）井下自动开关机电系

10、统机械结构设计（第8，9周）；（4）温度监测电路设计（第10，11周）；（5）三位造型绘图（第12周）；（6）写说明书，答辩（第13周）；4指导老师意见：指导教师签名： 年 月 日郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名: 日期: 目 录摘 要8abstract91 绪论102 丝杠螺母的选取11 2.1初选112.1.1螺旋传动的类型选取112.1.2丝杠螺母的尺寸的选取112.2 丝杠螺母的校核122.

11、2.1耐磨性校核122.2.2螺杆强度校核122.2.3螺牙强度校核132.2.4稳定性校核143.传动轴的结构设计153.1设计轴的整体要求153.2 轴上零件定位和固定153.3各轴段的直径和长度的确定153.3.1轴的材料选取153.3.2 各轴段直径确定163.3.3 各轴段长度164联轴器的选择174.1 联轴器的类型选取174.2联轴器尺寸和标准选取175 电机的选取185.1 电机的型号选取185.2 电机的型号校核186 减速箱的选取197 管道壁厚的选取208 温度检测电路设计218.1系统硬件设计218.2 数据采集238.3 系统软件设计24参考文献26附录27鸣谢29

12、摘 要为了克服现有开关器在现场使用存在的不足，现设计一种新型井下智能开关器，该开关器不仅能配合一趟管柱完成分层找水、堵水生产过程，而且通过地面注水打压灵活实现井下开关动作，完成对层位的打开和关闭。本文介绍了一种油井井下自动开关能达到在生产状态下开关器求产、找水和堵水方法和井下温度监控。该方法在找水、求产和堵水的层段放置微电机控制开关器和一个温度监控系统。井下自动开关部分包括电池、微电机、减速器、传动轴承、丝杠螺母和活塞杆。通过传递转矩到丝杠螺母，丝杠螺母将转动转变为移动给活塞杆，从而达到开关的断开和闭合的状态。温度监控系统则是通过数字温度传感器与耐高温单片机相连，将温度传感器的信号传递给单片机

13、进行处理。关键词：自动开关；丝杠螺母；温度检测 abstract this paper introduces a kind of automatic switch can achieve in-well in production conditions, and underground oil well temperature monitoring method . this method in oil well layer placement of micro-motor control switch and a temperature monitoring system. undergro

14、und automatic switch part includes batteries, micro-motor and reducer, transmission bearings, ball screw nut and piston rod. through the transmission torque to the ball screw nut, ball screw nut will turn to move to the piston rod, so as to achieve closed and disconnect the switch. temperature monit

15、oring system is through digital temperature sensor and high-temperature microcontroller, will the temperature sensor signals to the chip. for underground automatic switch electrical system design research aims to solve with high water into the stage of oilfield development, interlayer contradictions

16、 of groundwater is increasingly prominent, and subsequent processing after recovery is invalid, injection and consumed a lot of the cost of the problem. how to identify and sealing high aquifer, mining, effectively reduce low aquifer oilfield development, production cost is a long-term technical pro

17、blem, but also one of the purposes of this study. currently water technology, liquid producing profile seals water - water technology, underground water hydraulic switch adjustment layers for underground electric switch technology, adjustable layer for up to four technology to solve this problem, bu

18、t these technologies exist different degree of malpractice.keywords: automatic switch, ball screw nut, temperature detection1 绪论2.1 结构和功能分析 所设计的自动开关主要包括微电脑程控器、微电机、由微电机驱动的传动机构以及连通阀。其中微电脑程控器主要作用是设定程序来控制微电机的转动从而决定开关的闭合状态，同时处理各传感器的信息进行处理进行反馈。传动机构是由传动轴与微电机的减速箱相连，传动轴再与丝杠螺母相连达到将电机的转动变为移动的效果。一个活塞的杆部与由微电机带动旋

19、转的丝杠相配合，并随丝杠的旋转而沿轴的方向移动。活塞杆的结构由两个突出部分，当活塞杆移动到输入孔与输出孔介于两个突出部分之间时开关就闭合，当活塞杆移动到输入孔在最右端突出部分的右边时开关就断开。如图所示为自动开关的基本结构图。 图1 传动结构图1、电池 2、电机 3、减速箱 4、轴承 5、传动丝杠 6、传动螺母 7、活塞杆2.2 传动方案 2 丝杠螺母的选取2.1初选2.1.1螺旋传动的类型选取 根据螺纹副摩擦性质的不同，可分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压螺旋传动。其中滑动螺旋传动相比较滚珠螺旋传动和静压螺旋传动而言结构简单，加工方便，运转平稳且成本低廉。虽然滚动螺旋传动和静压螺旋传动摩擦

20、阻力小，传动效率高但其结构复杂、成本较高并且对工作环境的要求也较高，它需要在温度稳定和润滑良好的条件下才有较高的工作效率和较长的寿命。考虑到油井下的工作环境恶劣且所提供的空间有限无法安装一套压力稳定的供油系统，因此综合以上因素选用滑动螺旋传动。滑动螺旋传动的类型主要有梯型螺纹、锯齿型螺纹、圆螺纹、矩形螺纹和三角形螺纹。其中锯齿型螺纹牙根处有相当大的圆角，减小了应力集中，提高了动载强度；大径处无间隙、便于对中；和梯形螺纹一样都具有螺纹的强度高、工艺性好的特点，但有更高的效率。因此选用锯齿型螺纹。在锯齿型螺纹中330螺纹具有更小的当量摩擦系数。所以选取螺旋传动的类型为工作面牙型斜角为3，非工作面牙

21、型斜角为30的锯齿形螺纹。2.1.2丝杠螺母的尺寸的选取 滑动螺旋副的失效主要是螺纹磨损，比较各种材料的各种参数螺杆材料为钢，螺母材料选用耐磨铸铁其摩擦系数较低。 从耐磨的观点计算所需中径： d20.65 (2.1)式中 f-丝杆螺母工作载荷（n） -高径比，从机械零件设计手册第十八章中查得剖分螺母高径比=3.0mm p-许用比压 d20.65=0.65mm12.7mm (2.2)因此经查机械零件设计手册选取丝杠螺母的基本尺寸为：螺纹中径d2=13.000mm 小径d3=9.058m 外螺纹小径d1=10.000mm 公称直径d=16mm 螺距p=4mm 螺母高度h= d2=26.000mm2

22、.2 丝杠螺母的校核2.2.1耐磨性校核螺纹工作高度：h1=0.75p (2.3)式中p-螺距，所以 h1=0.75p=0.75 4mm=3mm螺杆转速为n= =6.5r/min (2.4)在工作条件下，螺旋副压强计算公式为： = pa=5.025mpa (1.5)查机械设计手册第二卷表15.29滑动螺旋副材料的许用压强中查得螺杆材料为钢，螺母材料为耐磨铸铁的许用压强为68mpa,故选取该丝杠螺母的许用压强为7mpa。因为在工作条件下螺旋副压强小于螺旋副许用压强，所以所选丝杠螺母符合耐磨性的强度。2.2.2螺杆强度校核丝杠螺母的当量摩擦角： = (2.6)式中，-摩擦系数，由所确定的丝杠螺母的

23、类型和材料可知=0.1 -丝杠螺母工作面牙型斜角，选定尺寸=3 = = 6.6螺母转矩： t1=ftan(+) (2.7)式中，-螺旋升角，=4 所以 t1=ftan(+) =ftan(4+6.6) 6.5mm=4.862nm螺杆强度： =61.74mpa (2.8)查机械零件设计手册表186滑动螺旋副材料的屈服点为340360mpa,选取该屈服点为350mpa,许用拉应力： 所以取许用拉应力： =105mpa (2.9)因为 ，所以螺杆强度通过2.2.3螺牙强度校核计算螺牙切应力螺杆螺牙切应力计算： (2.10)式中，b螺牙根部宽度，b=0.74p=2.96mm螺母螺牙切应力计算： (2.1

24、1)计算螺牙弯曲应力螺杆螺牙弯曲应力计算： (2.12)螺母螺牙弯曲应力计算： 许用弯曲应力： (2.13)许用切应力： 因为螺杆螺母的螺牙切应力小于许用切应力，且螺杆螺母的弯曲应力均小于许用弯曲应力，所以丝杠螺母的螺牙强度符合。2.2.4稳定性校核螺杆细长比： (2.14)式中，u长度系数，因为螺杆支承方式为一端固定，一端自由故取u=2.0 -螺杆受压长度，=80mm所以： 17.70;i-) dq = 0; / 给脉冲信号 dat=1; dq = 1; / 给脉冲信号 if(dq) dat|=0x80; delay(4); return(dat); /写一个字节函数 writeonecha

25、r(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) dq = 0; dq = dat&0x01; delay(5); dq = 1; dat=1; （2）读取温度并计算函数 readtemperature(void) unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned int t=0; float tt=0; init_ds18b20(); writeonechar(0xcc); / 跳过读序号列号的操作 writeonechar(0x44); / 启动温度转换 init_ds18b20(); writeonechar(0xcc); /跳过读序号列号的操作 writeonechar(0xbe); /读取温度寄存