畢業(yè)設(shè)計（論文）-井下自動開關(guān)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計及溫度監(jiān)測電路設(shè)計

1、學(xué)號10110106204畢 業(yè) 設(shè) 計論 文井下自動開關(guān)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計及溫度檢測電路設(shè)計教 學(xué) 系：機(jī)械與汽車工程系 指導(dǎo)教師： 專業(yè)班級： 機(jī)制1062班 學(xué)生姓名： 2021年六月畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書學(xué)生姓名李yj專業(yè)班級機(jī)制1062指導(dǎo)教師劉明堯工作單位武漢理工大學(xué)設(shè)計(論文)題目井下自動開關(guān)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計及溫度檢測電路設(shè)計設(shè)計論文主要內(nèi)容：機(jī)下自動開關(guān)工作原理及功能分析；井下自動開關(guān)機(jī)電伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計計算；井下自動開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計；溫度檢測電路設(shè)計。主要參數(shù)：外徑：116mm 內(nèi)通孔：38mm 壓力: 60MPa; 開關(guān)力：4000要求完成的主要任務(wù):完成設(shè)計計算說明書一份；繪制井下自動

2、開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖及局部零件圖；繪制溫度監(jiān)測電路圖；三維造型繪圖。必讀參考資料：王妍.井下自動閥門控制系統(tǒng)的技術(shù)研究與裝置開發(fā)(D).大連：大連理工大學(xué)，2006；祝榮榮，張十文.智能型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計J.工業(yè)儀表與自動化裝置，2005，41.指導(dǎo)教師簽名： 教研室主任簽名： 蓋章： 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目井下自動開關(guān)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計及溫度監(jiān)測電路設(shè)計1目的及意義含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析： 油田的一個采油廠由多口油井、計量站、管匯閥組、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐以及油田的其它分散設(shè)施組成，那么整個采油廠的各種設(shè)施的工作狀態(tài)及采出油品的數(shù)據(jù)主要有溫度、壓力、流量等就直接關(guān)系到

3、油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及原油質(zhì)量。目前大多由人工每日定時檢查設(shè)備運行情況并測量、統(tǒng)計采油數(shù)據(jù)。由于油井?dāng)?shù)量多且分布范圍由幾十至上百平方公里，這種方式必然使工人勞動強度加重，并且影響了設(shè)備監(jiān)控與采油數(shù)據(jù)的實時性，甚至準(zhǔn)確性。也同時存在筆誤，作假等隱患。這樣會導(dǎo)致上層無法正確了解到現(xiàn)場的真實情況，并且不能根據(jù)生產(chǎn)所消耗的實際勞動力等數(shù)據(jù)，制定較有效、靈活的處理方案。所以油廠的自動化、信息化就顯得極為突出。 近年來，油田自動化在我國的應(yīng)用越來越廣泛，在油田自動化中，油井的監(jiān)控是極其重要的一環(huán)。根據(jù)油田的開發(fā)方案，油井各個時期的開采方式個不相同，因此，對油井的監(jiān)控的要求也不一樣。正確的設(shè)計和應(yīng)用油井監(jiān)控系統(tǒng)可

4、以給油田的自動化生產(chǎn)和管理帶來許多益處。隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的開展，石油天然氣行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)也得到了很大開展。 目前的以計算機(jī)、無線數(shù)傳電臺為根底的油田監(jiān)測和操作系統(tǒng)可大大提高油田生產(chǎn)效率，降低綜合本錢，實現(xiàn)油田生產(chǎn)、管理的自動化、信息化。為了到達(dá)這個目標(biāo)，必須開發(fā)一個可靠的以微型計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)為根底的油田監(jiān)測和操作系統(tǒng)；開發(fā)新而廉價的油田作業(yè)監(jiān)測方法；開發(fā)一個易為用戶存取的數(shù)據(jù)庫和記錄系統(tǒng)。石油天然氣行業(yè)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用具有以下特點：1一般跨越地域大因此要求電臺支持長距離傳輸；2井站的無人值守遠(yuǎn)動控制決定了電臺要具備能抵抗惡劣的天氣環(huán)境的能力；3整個系統(tǒng)龐大，監(jiān)測井站數(shù)量多，

5、要求無線通訊系統(tǒng)速率要高，輪詢響應(yīng)時間快；4同時因為石油天然氣行業(yè)為國家的能源根底，其所采用工控系統(tǒng)都是最先進(jìn)可靠的設(shè)備，所以做為整個系統(tǒng)關(guān)鍵保證的無線通訊鏈路也必須要可靠穩(wěn)定且性能優(yōu)異才能保證整個工控系統(tǒng)的最正確運行。無線數(shù)傳電臺在石油天然氣行業(yè)的典型應(yīng)用是在油井和氣井的三遙遙測、遙信、遙控和自動計量方面井站數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳電臺傳送到采油隊控制中心，采油隊再通過專用廣域通信網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)與上一級的采油廠或石油公司的總控制中心連通。 油井監(jiān)測系統(tǒng)是油田自動化系統(tǒng)一個重要組成局部，是油田自動化所要控制的第一個環(huán)節(jié)。油井的監(jiān)控水平直接影響到油田自動化水平。油井監(jiān)控系統(tǒng)通常由井場的各種變送器、傳感器、

6、控制閥、井場遠(yuǎn)程終端裝置和監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主終端裝置，以及相應(yīng)的系統(tǒng)軟件構(gòu)成。井溫監(jiān)測是油井監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的一局部，同時也是生產(chǎn)測井中必不可少的一個測量參數(shù)，幾乎所有的組合測井儀都包括此項測量內(nèi)容。準(zhǔn)確的井溫測量對于地質(zhì)資料解釋和油井監(jiān)測等都具有十分重要的意義，尤其在稠油熱采工藝中，井溫的監(jiān)測顯得非常重要。目前常規(guī)的井溫測量方法存在缺乏：溫度傳感器的熱平衡時間長；傳感器的移動會影響井下原始溫度場的分布；無法在高溫高壓環(huán)境下對井下的溫度場分布進(jìn)行長期的監(jiān)測。對于井下自動開關(guān)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計的研究旨在解決隨著油田開發(fā)進(jìn)入中高含水階段，層間矛盾日益突出大量的地下水被無效采出后，后續(xù)處理，回注又消耗

7、了大量的本錢的問題。如何找出并封堵高含水層，開采低含水層，有效降低采油本錢，是油田開發(fā)中長期面臨的一項技術(shù)難題，也是本項研究的目的之一。目前有產(chǎn)液剖面找水技術(shù)、封隔器找水-堵水技術(shù)、井下液壓開關(guān)調(diào)層找堵水技術(shù)、井下電動開關(guān)調(diào)層找堵水技術(shù)四項技術(shù)能解決這一問題，但這幾種技術(shù)均存在不同程度的弊端。為解決上敘問題，公知的專利號CN02289758.5的不壓井作業(yè)滑套開關(guān)器主要由上接頭、連接套、加強桿、移位套、滑套、定位爪連接而構(gòu)成。因此，施工本錢及平安風(fēng)險增加，是現(xiàn)場應(yīng)用受到限制。2根本內(nèi)容和技術(shù)方案：為了克服現(xiàn)有開關(guān)器在現(xiàn)場使用存在的缺乏，現(xiàn)設(shè)計一種新型井下智能開關(guān)器，該開關(guān)器不僅能配合一趟管柱完

8、成分層找水、堵水生產(chǎn)過程，而且通過地面注水打壓靈活實現(xiàn)井下開關(guān)動作，完成對層位的翻開和關(guān)閉。開關(guān)器自動化程度高，無需起下儀器或進(jìn)行管柱作業(yè)，施工本錢低，具有操作簡單，工作可靠，成功率高的優(yōu)點。解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:在短節(jié)內(nèi)，電池、壓力計、微處理器、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、連桿、封堵開關(guān)順序連接，然后與設(shè)計有層位采油通道和上下層位串通采油通道，內(nèi)部設(shè)計安裝有單向閥的連接座通過絲口相互連接為一體而構(gòu)成。使用時，上下與油管連接，因為連接座設(shè)計有層位采油通道及上下層位串通采油通道，內(nèi)部還設(shè)計有單向閥，可保證地面打壓時液體不會進(jìn)入油層，不會對油層照成傷害。 如下圖連桿4分別與封堵開關(guān)3和驅(qū)動機(jī)構(gòu)5連接，由

9、驅(qū)動機(jī)構(gòu)5帶動連桿機(jī)構(gòu)4運動來翻開和關(guān)閉封堵開關(guān)3。主要由連接座1、封堵開關(guān)3、連桿4、驅(qū)動機(jī)構(gòu)5、微處理器6、電池7、壓力計8組成。連接座1設(shè)計有層位采油通道9及上下層位串通采油通道10，內(nèi)部還設(shè)計有單向閥2，可保證地面打壓時液體不會進(jìn)入油層，不會對油層照成傷害。連桿4分別與封堵開關(guān)3和驅(qū)動機(jī)構(gòu)5連接，由驅(qū)動機(jī)構(gòu)5帶動連桿4運動來翻開和關(guān)閉封堵開關(guān)3. 3進(jìn)度安排：1井下自動開關(guān)機(jī)電系統(tǒng)功能分析第5，6周；2井下自動開關(guān)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計計算第7周；3井下自動開關(guān)機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計第8，9周；4溫度監(jiān)測電路設(shè)計第10，11周；5三位造型繪圖第12周；6寫說明書，辯論第13周；4指導(dǎo)老師意見：指導(dǎo)

10、教師簽名： 年 月 日鄭 重 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承當(dāng)。本人簽名: 日期: 目 錄摘 要8ABSTRACT91 緒論102 絲杠螺母的選取11 2.1初選11螺旋傳動的類型選取11絲杠螺母的尺寸的選取112.2 絲杠螺母的校核12耐磨性校核12螺桿強度校核12螺牙強度校核13穩(wěn)定性校核143.傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計153.1設(shè)計軸的整體要求153.2 軸上零件定位和固定153.3各軸段的直徑和長度確實定15軸的材料

11、選取15 各軸段直徑確定16 各軸段長度164聯(lián)軸器的選擇174.1 聯(lián)軸器的類型選取174.2聯(lián)軸器尺寸和標(biāo)準(zhǔn)選取175 電機(jī)的選取185.1 電機(jī)的型號選取185.2 電機(jī)的型號校核186 減速箱的選取197 管道壁厚的選取208 溫度檢測電路設(shè)計218.1系統(tǒng)硬件設(shè)計218.2 數(shù)據(jù)采集238.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計24參考文獻(xiàn)26附錄27鳴謝29 摘 要為了克服現(xiàn)有開關(guān)器在現(xiàn)場使用存在的缺乏，現(xiàn)設(shè)計一種新型井下智能開關(guān)器，該開關(guān)器不僅能配合一趟管柱完成分層找水、堵水生產(chǎn)過程，而且通過地面注水打壓靈活實現(xiàn)井下開關(guān)動作，完成對層位的翻開和關(guān)閉。本文介紹了一種油井井下自動開關(guān)能到達(dá)在生產(chǎn)狀態(tài)下開關(guān)

12、器求產(chǎn)、找水和堵水方法和井下溫度監(jiān)控。該方法在找水、求產(chǎn)和堵水的層段放置微電機(jī)控制開關(guān)器和一個溫度監(jiān)控系統(tǒng)。井下自動開關(guān)局部包括電池、微電機(jī)、減速器、傳動軸承、絲杠螺母和活塞桿。通過傳遞轉(zhuǎn)矩到絲杠螺母，絲杠螺母將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿咏o活塞桿，從而到達(dá)開關(guān)的斷開和閉合的狀態(tài)。溫度監(jiān)控系統(tǒng)那么是通過數(shù)字溫度傳感器與耐高溫單片機(jī)相連，將溫度傳感器的信號傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理。關(guān)鍵詞：自動開關(guān)；絲杠螺母；溫度檢測 ABSTRACT This paper introduces a kind of automatic switch can achieve in-well in production conditi

13、ons, and underground oil well temperature monitoring method . This method in oil well layer placement of micro-motor control switch and a temperature monitoring system. Underground automatic switch part includes batteries, micro-motor and reducer, transmission bearings, ball screw nut and piston rod

14、. 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 monitoring system is through digital temperature sensor and high-temperature microcontroller, will the temperature sensor signal

15、s 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 of groundwater is increasingly prominent, and subsequent processing after recovery is invalid, injection and consumed a lo

16、t 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 problem, but also one of the purposes of this study. Currently water technology, liquid producing profile seals water - water

17、technology, underground water hydraulic switch adjustment layers for underground electric switch technology, adjustable layer for up to four technology to solve this problem, but these technologies exist different degree of malpractice.Keywords: automatic switch, Ball screw nut, Temperature detectio

18、n1 緒論2.1 結(jié)構(gòu)和功能分析 所設(shè)計的自動開關(guān)主要包括微電腦程控器、微電機(jī)、由微電機(jī)驅(qū)動的傳動機(jī)構(gòu)以及連通閥。其中微電腦程控器主要作用是設(shè)定程序來控制微電機(jī)的轉(zhuǎn)動從而決定開關(guān)的閉合狀態(tài)，同時處理各傳感器的信息進(jìn)行處理進(jìn)行反應(yīng)。傳動機(jī)構(gòu)是由傳動軸與微電機(jī)的減速箱相連，傳動軸再與絲杠螺母相連到達(dá)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動變?yōu)橐苿拥男Ч?。一個活塞的桿部與由微電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)的絲杠相配合，并隨絲杠的旋轉(zhuǎn)而沿軸的方向移動。活塞桿的結(jié)構(gòu)由兩個突出局部，當(dāng)活塞桿移動到輸入孔與輸出孔介于兩個突出局部之間時開關(guān)就閉合，當(dāng)活塞桿移動到輸入孔在最右端突出局部的右邊時開關(guān)就斷開。如下圖為自動開關(guān)的根本結(jié)構(gòu)圖。 圖1 傳動結(jié)構(gòu)圖1、

19、電池 2、電機(jī) 3、減速箱 4、軸承 5、傳動絲杠 6、傳動螺母 7、活塞桿2.2 傳動方案 2 絲杠螺母的選取2.1初選2.1.1螺旋傳動的類型選取 根據(jù)螺紋副摩擦性質(zhì)的不同，可分為滑動螺旋傳動、滾動螺旋傳動和靜壓螺旋傳動。其中滑動螺旋傳動相比擬滾珠螺旋傳動和靜壓螺旋傳動而言結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)且本錢低廉。雖然滾動螺旋傳動和靜壓螺旋傳動摩擦阻力小，傳動效率高但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、本錢較高并且對工作環(huán)境的要求也較高，它需要在溫度穩(wěn)定和潤滑良好的條件下才有較高的工作效率和較長的壽命?？紤]到油井下的工作環(huán)境惡劣且所提供的空間有限無法安裝一套壓力穩(wěn)定的供油系統(tǒng)，因此綜合以上因素選用滑動螺旋傳動?；瑒?/p>

20、螺旋傳動的類型主要有梯型螺紋、鋸齒型螺紋、圓螺紋、矩形螺紋和三角形螺紋。其中鋸齒型螺紋牙根處有相當(dāng)大的圓角，減小了應(yīng)力集中，提高了動載強度；大徑處無間隙、便于對中；和梯形螺紋一樣都具有螺紋的強度高、工藝性好的特點，但有更高的效率。因此選用鋸齒型螺紋。在鋸齒型螺紋中330螺紋具有更小的當(dāng)量摩擦系數(shù)。所以選取螺旋傳動的類型為工作面牙型斜角為3，非工作面牙型斜角為30的鋸齒形螺紋。絲杠螺母的尺寸的選取 滑動螺旋副的失效主要是螺紋磨損，比擬各種材料的各種參數(shù)螺桿材料為鋼，螺母材料選用耐磨鑄鐵其摩擦系數(shù)較低。 從耐磨的觀點計算所需中徑： d20.65 (2.1)式中 F-絲桿螺母工作載荷N -高徑比，從

21、?機(jī)械零件設(shè)計手冊?第十八章中查得剖分螺母高徑比=3.0mm P-許用比壓 d20.65=0.65mm12.7mm (2.2)因此經(jīng)查?機(jī)械零件設(shè)計手冊?選取絲杠螺母的根本尺寸為：螺紋中徑d2=13.000mm 小徑d3=9.058m 外螺紋小徑D1=10.000mm 公稱直徑d=16mm 螺距p=4mm 螺母高度H= d2=26.000mm2.2 絲杠螺母的校核2.2.1耐磨性校核螺紋工作高度：H1=0.75p (2.3)式中p-螺距，所以 H1=0.75p=0.75 4mm=3mm螺桿轉(zhuǎn)速為n= =6.5r/min (2.4)在工作條件下，螺旋副壓強計算公式為： = pa=5.025Mpa

22、 (1.5)查?機(jī)械設(shè)計手冊?第二卷表15.29滑動螺旋副材料的許用壓強中查得螺桿材料為鋼，螺母材料為耐磨鑄鐵的許用壓強為68Mpa,應(yīng)選取該絲杠螺母的許用壓強為7Mpa。因為在工作條件下螺旋副壓強小于螺旋副許用壓強，所以所選絲杠螺母符合耐磨性的強度。2.2.2螺桿強度校核絲杠螺母的當(dāng)量摩擦角： = (2.6)式中，-摩擦系數(shù)，由所確定的絲杠螺母的類型和材料可知=0.1 -絲杠螺母工作面牙型斜角，選定尺寸=3 = = 6.6螺母轉(zhuǎn)矩： T1=Ftan(+) (2.7)式中，-螺旋升角，=4 所以 T1=Ftan(+) =Ftan(4+6.6) 6.5mm=4.862Nm螺桿強度： =61.74

23、Mpa (2.8)查?機(jī)械零件設(shè)計手冊?表186滑動螺旋副材料的屈服點為340360Mpa,選取該屈服點為350Mpa,許用拉應(yīng)力： 所以取許用拉應(yīng)力： =105Mpa (2.9)因為 ，所以螺桿強度通過螺牙強度校核計算螺牙切應(yīng)力螺桿螺牙切應(yīng)力計算： (2.10)式中，b螺牙根部寬度，b=0.74p=2.96mm螺母螺牙切應(yīng)力計算： (2.11)計算螺牙彎曲應(yīng)力螺桿螺牙彎曲應(yīng)力計算： (2.12)螺母螺牙彎曲應(yīng)力計算： 許用彎曲應(yīng)力： (2.13)許用切應(yīng)力： 因為螺桿螺母的螺牙切應(yīng)力小于許用切應(yīng)力，且螺桿螺母的彎曲應(yīng)力均小于許用彎曲應(yīng)力，所以絲杠螺母的螺牙強度符合。穩(wěn)定性校核螺桿細(xì)長比： (

24、2.14)式中，u長度系數(shù)，因為螺桿支承方式為一端固定，一端自由故取u=2.0 -螺桿受壓長度，=80mm所以： 17.70;i-) DQ = 0; / 給脈沖信號 dat=1; DQ = 1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat|=0 x80; delay(4); return(dat); /寫一個字節(jié)函數(shù) WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0 x01; delay(5); DQ = 1; dat=1; 2讀取溫度并計算函數(shù) ReadTemperature(void) unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned int t=0; float tt=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0 xCC); / 跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0 x44); / 啟動溫度轉(zhuǎn)換 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0 xCC); /跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0 xBE); /讀取溫度存放器等共可讀9個存