（电机与电器专业论文）偏心注水井分层流量自动测调仪的研制.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 t h e d e v e l o p m e n to f a na u t o m a t i cm e a s u r i n ga n d a d ju s t i n ga p p a r a t u sf o rs t r a t i f i e df l o wi n e c c e n t r i c i n j e c t i o nw e l l a b s t r a c t w a t e rl n je c t i o ni st h em a i nm e t h o dt oe n h a n c eo i l r e c o v e r yi n l a t e rp e r i o d e x p l o i t a t i o n o fo i l f i e l d n o w a d a y s o i lf i e l d u s u a l l y u s e st h e e c c e n t r i c d i s t r i b u t i o n p i p et e c h n o l o g yt o e n h a n c et h eo i l r e c o v e r yf a c t o r n o w , t h e a v a i l a b l ee c c e n t r i cd i s t r i b u t i o nt e c h n o l o g yi st h a t y o us h o u l dc h o o s eaw a t e r n o z z l ef i r s ta c c o r d i n gt oi t sl o s sc u r v ea n dt h ew a t e rd i s t r i b u t i o no fe a c hr e s e r v o i r t h e o r e t i c a l l ya n da c t u a l l y , t h e np u ti ti n t oab l a n k i n gp l u ga n dt a k et h e mi n t oa f i x e dp i p e t e s t i n gt h ea c t u a lw a t e rv o l u m ei n j e c t e di n t oe a c hl a y e r , i fi tc a n t r e a c ht h ep l a n n e dv o l u m e ，y o us h o u l dt a k ei to u tf r o mt h ep i p ea n dc h a n g et h e w a t e rn o z z l e ，t h e np u ti tb a c ka n dt e s ta g a i n t h e s ej o b ss h o u l db ed o n eo v e ra n d o v e ru n t i lt h ea c t u a li n j e c t i o nv o l u m er e a c h e st h ep l a n n e do n e a l o n gw i t hm o r e a n dm o r er i g o r o u si n je c t o rr e s e r v o i rt e s t ，t h i st e c h n o l o g yi sl o we f f i c i e n c ya n d n e e d sl o t so fw o r k t os o l v et h i sd i f f i c u l t p r o b l e m ，t h ea u t o m a t i ct e s t i n ga n d a l l o c a t i n ga p p a r a t u sf o re c c e n t r i cs e p a r a t i n gi n je c t i o nw e l lh a sb e e ni n v e n t e d s u c c e s s f u l l y i n t h i sp a p e r , im a i n l y a c c o m p l i s h e dt h er e s e a r c ha n d m a n u f a c t u r eo f a u t o m a t i ct e s t i n ga n da l l o c a t i n ga p p a r a t u sf o re c c e n t r i cs e p a r a t i n gi n j e c t i o nw e l l ， a n da l s os t u d i e dt h ei m p r o v e m e n tf o re l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r t h i sa p p a r a t u s i san e ws y s t e mw h i c hc o n t a i n st e s t i n ga n da d j u s t i n gf u n c t i o n t h ee s s e n t i a l f e a t u r eo ft h en e w s y s t e mi st h a t i tc a na c c o m p l i s ht e s t i n ga n d a l l o c a t i n g o p e r a t i o ns i m u l t a n e o u s l y t h i ss y s t e md o e s n ti n f l u e n c er e g u l a ri n je c t i o no fo t h e r l a y e r sw h e nw o r k i n gw i t he c c e n t r i ci n j e c t i o nm a n d r e l t h es y s t e mo n l ym e a s u r e s t h ev o l u m eo fa ni n d i v i d u a l l a y e r sw a t e r , w h i c hm a k e sa d ju s t i n gp r o c e d u r e a c c u r a t ea n dp r o m p t t h e r e f o r e ，t h i s s y s t e m r e s o l v e s m a n yp r o b l e m s i n c o n v e n t i o n a lo p e r a t i o ns u c ha st h ef r e q u e n tr u n n i n ga n dp u l l i n gl o we f f i c i e n c y ， 哈尔滨理丁人学t 学硕l 。学位论义 l o n go p e r a t i o np r o c e d u r ea n dh i g ho p e r a t i o ns t r e n g t h k e y w o r d si n j e c t o r ，e c c e n t r i cw a t e rd i s t r i b u t i o n ，a u t o m a t i ct e s t i n ga n da l l o c a t i n g i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文偏心注水井分层流量自动 测调仪的研制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 i b j 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期：年月 同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 偏心注水井分层流量自动测调仪的研制系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 斟森 _ 日期：砂叶年产月扩日 导师签名： 差大牛同期：c ) 1 年? c 月，同 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 我国是一个石油消费大国，所需石油数量巨大，石油产出不足已经成为制 约我国社会经济发展的重要因素。由于前几次石油危机爆发时我国经济对外丌 放程度还不高，因而影响不大。但随着我国经济与世界市场联系的同益紧密， 我国对石油的敏感度越来越高，急需提高石油探测和丌采方面的技术。 石油的开采可分为三个阶段。第一阶段是原油靠地层的压力喷发出来，其 采收率约为3 0 左右；在自喷的后期，可以将水由水井注入地层来维持地层的 压力，称之为二次采油，其采收率大约为2 0 3 0 0 0 ；水驱后地层中的残余油仍 然占4 0 5 0 ，但由于吸附在岩石空隙间难以开采，需要用物理和化学方法来驱 出，称之为三次采油1 。 二次采油中的注水技术是2 0 世纪发展起来的，现在已经得到了非常广泛的 应用，并在此基础上发展起了各种具体的注水技术。到目前为止，国内油田大 都进入了高含水开发期，为提高原油采收率，注水工作越来越受到重视卜1 。 分层注水是在进行非均质多油层开采中，为加强中、低渗透层，并控制高 渗透层注水，按配注要求在注水井中实现分层控制注入的注水方式，现已成为 解决油田开发过程中层间矛盾，保持地层能量，维持油田长期稳产、高产，提 高采收率的重要手段p 1 。注水流量的精确控制是提高注水质量的重要一环，但 常规的配注方式不能很好地达到这一要求，主要原因在于： 1 在调配时需要反复进行测试和投捞操作，耗时长且工作量大，为缓解这 种矛盾，一般将注水量允许误差范围定的比较宽( 3 0 ) ； 2 注水流量受井网压力及地层压力影响，不易保证稳定的注水量。 因此在传统注水工艺中，超、欠注现象经常发生，从而引起井问或层间注 水干扰，严重时可导致油藏区块漂移，造成巨大的经济损失。分层流量自动测 调系统就是为解决井下流量控制问题而提出的。 1 2 国内外发展状况 1 2 1 国外发展状况 注水技术是石油丌采中的一项关键技术，如何更加有效地注水一直是人们 - l - 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 所关心的问题。注水工艺按照注入通道可分为：油管注水( j 下注) ；油套环空注 水( 反注) ；油套管同时注水( 合注) 。按照是否分层又可分为：笼统注水和分层注 水【4 】o 近年来一些新的注水技术得到发展，例如在2 0 0 3 年的亚太地区石油开采国 际会议上g r o e n e n b o o m ，j e r o e n 等人提出了油田脉冲注水技术，这一技术可用于 高含油区的油层。在注水井下，通过提供持续的脉冲压力，流量产生脉冲变 化，这样的好处是压力短时间内固定不变，流量在脉冲时间内是确定的，也就 是将连续的流量用数字化的流量代替，从而避免为了保持流量恒定而不断调整 注水压力。实验显示这一方法可以明显提高注水效率。在加拿大的油f 目中，这 一技术得到了很好的实现。这一技术的缺点是在压力阶跃变化时，流量不能马 上跟随压力变化，而且会产生超调，这取决于采用什么样的注水器，不同的注 水器，压力和流量的关系是不同的。关于这一技术在低注水量时的情况以及对 油层的影响，还有待于理论上的分析和大量的实验p 1 。 国外在流量控制方面倾向于对电机的控制，通过对电机位置的控制来实现 阀开口度的控制，以前主要采用开关控制，这是因为在负载压力的作用下，想 要实现位置的控制是困难的，而且由于空问上的因素，电机不可能太大。近年 来随着传感技术和控制技术的发展，使得对阀口开度的连续控制成为可能。例 如m i n g c h ic h a n g 等人利用电流逆变器控制的感应电机成功实现了对冷却水系 统的变流量控制，完全改观了系统的性能，能耗也大幅度下降一1 。 国外般将电控的堵塞器作为智能井技术的一部分，所谓智能井就是在井 中安装了可获得井下油气生产信息的传感器、数据传输系统和控制设备，并可 在地面进行数据收集和决策分析的井。通过智能井可以进行远程控制，达到优 化产能的目的1 。 智能井系统主要包括： 1 流体控制装置，通常是控制流体流入流出油藏的水力控制阀； 2 层间封隔器，使水力控制管线和地下控制阀连通； 3 井下传感器，向地面提供压力、温度和流量数据； 4 控制系统，包括水力和电力地面系统，用以监测和控制。 在过去的5 年中智能井系统的安装以每年2 7 的速度增长。2 0 0 6 年全球安 装智能井6 0 多1 3 。目前，全球总共安装智能井2 2 0 口左右。s f g ( s u s q u e h a n n a f i n a n c i a lg r o u p s ) 预测，到2 0 1 0 年智能井市场将增加到6 亿美元卜。 目前市场上w e l ld y n a m i c s 公司的智能井系统占市场份额的5 0 ，贝克休 斯和斯伦贝谢各占市场份额的2 0 和2 5 ，必捷和威德福公司分享剩下的市 哈尔滨理- t 人学t 学硕十学位论文 场，而后者主要关注井下传感器，尤其是光纤传感利9 1 。 1 2 2 国内发展状况 注水丌发油田，在不同的开发阶段，由于丌采目的层的数量和性质不同、 开发调整的对象和要求不同，对分层注水的要求和细分程度也不一样。为了保 证各丌发阶段注水井都能注够水、注好水，分层注水管柱的发展经历了以下过 程：封隔器由水力扩张式发展到水力压缩式；配水工作筒由同心发展到偏心， 再发展到与封隔器一体化；配注水嘴由固定式发展到活动式；水嘴投捞方式由 起管柱投捞发展到钢丝投捞，再发展到注水站来水井口液力投捞。 目自仃我国油f f l 注水技术又以大庆油田为代表形成了一定的技术系列，根据 配水器结构特点，可分为以下4 种： 1 固定式配水器管柱，这种配水器由于水嘴固定在配水器上，分层测试、 调整水嘴不方便，在下分层配注管柱之前，必须单独下一趟分层测试管柱确定 分层吸水量以选择相应的水嘴，调整水嘴时也必须起下管柱，井下作业工作量 大。当调整注水量频繁时，影响油田注水量。 2 活动式空心配水器管柱，它主要由水力压差式封隔器、空心配水器、洗 井阀等组成。水嘴装于配水器芯子上，配水器芯子坐于配水器工作筒上，更 换、调整水嘴时，用钢丝投捞配水器芯子即可。由于配水器芯子占据中心通 道，因此，进行下一级水嘴调整时，必须捞出其上面的各级配水器芯子，投捞 工作量仍然很大。 3 偏心配水器管柱，它由偏心配水器、水力压差式或水力压缩式封隔器、 洗井f f i j 和防腐油管等组成。在分层注水工作中，目前各油田使用的大多是偏心 配水器，尽管这些偏心配水器种类很多，但原理大致相同：注入水经偏心配水 器内的堵塞器和工作筒偏孔进入油套管环形空间后注入地层。水嘴装在一个坐 于偏心配水器工作筒侧孔内的堵塞器上，利用钢丝可以投捞任意一级堵塞器进 行水嘴调整，测试调整比较方便。 4 液力投捞配水器管柱，其特点是利用注水站来水实现液力投捞，简便高 效，测调一口井可在半天内完成，比偏心配水管柱减少测试时间8 5 以上。 近年来，我国也在流量控制阀方面有了一些突破，例如胜利油f 日采油工艺 研究院借鉴国外技术研制了可长期自动恒流调节的新型注水调节阀1 。电控部 分采用单片机控制脉宽调制技术，闭环稳流控制，压力流量精度高，可以实现 自动计量，公称压力：1 0 m p a 4 2 m p a ，流量：o 5m 3 h 3 0 m 3 h 。 我国油f f l 注水井下的堵塞器目前仍以机械式为主，例如大庆石油学院王尊 哈尔滨理t 火学t 学硕i j 学位论文 策等人研制的定量注水器，是纯机械式的结构，基本部件是滑阀和弹簧，利用 反馈原理使流量随压力变化自动调节，从而保持流量不变，流量误差在1 0 以 内“。胜利油田的张健等人研制的恒流偏心配水器也是基于同样的原理，不同 之处是堵塞器的内腔做成了异型腔，当弹簧推动阀芯移动时可以改变节流口的 形状从而改变流量，以这样的方式实现压力反馈“。 由于国外技术领先而且基础好，油田大部分都采用了先进的设备。相对我 国来说，这样的技术和设备可以开发但成本非常高，而且由于传统的丌采技术 不易大规模改造，在实际应用中先进设备推广缓慢，我国主要以现有油田为基 础，丌发相应的配套设备和技术，以兼顾成本和效益。 1 3 研究的目的和意义 在石油丌采的各种工艺措施中，注水工作一直起着决定性的作用，注水效 果的好坏直接影响到石油开采的效果，也直接关系到稳产周期的长短和采收率 的高低，因此，在整个石油丌采过程中，注水都是非常重要的。 随着油田不断加密调整和稳油控水等重大措施的实施，开采对象由以主力 油层为主，逐渐转变为主力油层、差油层和表外储层同时丌采，所测的全井压 力无法反映不同性质油层的压力水平及其开采动态变化特点。因此迫切需要研 究、完善一套新型的测试工艺，使其既能满足高含水后期的注水需求又具备完 善的分层测压功能。 国内各大油田较普遍采用偏心分层工艺管柱，一直采用更换水嘴与测试工 作分别进行的方式，它只能通过反复起下投捞测试，才能配准分层注水量，形 成工作量大、费时、费力等缺点。针对这一特点，为适应高含水后期注水结 构调整，本课题进行注水井集成式多功能自动测调技术的研究设计，实现在一 次下井过程中同时完成井下多层流量测试和目标流量配注的任务。 1 4 本文主要研究内容 本文主要进行偏心分层流量自动测调系统机械部分的设计，在此基础上完 成了整个测调系统的研制。并且对流量测试单元进行了研究设计。 哈尔演理t 人学t 学硕l ：学位论文 第2 章分层流量自动测调系统的设计 2 1 分层流量自动测调系统的工作原理及组成 2 1 1 分层流量自动测调系统的工作原理 注水井分层自动测调系统的主要功能是通过闭环控制系统实现井下分层流 量自动适时地控制和调节m 1 ，满足地质方案对各偏心注水层的流量配注要求。 主要由流量测量单元、井下测调仪单元、可调式堵塞器单元、地面数据回放处 理系统四部分组成。其工作流程如图2 1 所示。 流l l l 期 图2 1 ：i ：作流程图 f i g 2 1w o r k i n gf l o wc h a r t 测调系统工作时，首先由流量测量单元测试出经过偏心配水器水嘴的实际 流量值并将其反馈给比较单元，比较单元将该层的实际流量值与预先设定的流 量期望值进行比较，同时将偏差反馈给运算通讯单元；运算通讯单元经过运算 后，按照严格约定的软、硬件通讯协议向井下测调仪发送脉冲控制信号；井下 测调仪根据控制信号驱动和控制电机及传动机构运动；最后由传动机构带动可 调式堵塞器早的阀芯运动，改变可调式堵塞器中水嘴孔径的大小，达到自动调 节和控制各分层流量大小的目的。 使用时，用常规的投捞器将可调式堵塞器投入配水器的偏心孔内。根据地 质注水要求，通过地面回放仪设定流量调节期望值( q 。) 后，将流量计与井下测 调仪对接在一起下井进行调节。调节过程中，仪器根据配水层下方测试流量基 准值( 绋) 和目的层测试的实际总注水量( q ) ，按递减法自动进行运算，得出该 层的实际注水量a q ( a q = q q o ) 。同时根据目的层的实际注水量与流量调节期 望值的对比万( 万= l a q q 0 1 ) 情况，控制电机正转或反转。电机扭矩通过万向联 轴器传递给水嘴调节机构内部的螺杆副，实现阀芯轴向移动。进而改变阀体与 阀芯的相对位置，控制出水口的大小，实现流量自动调节的目的。当实际注水 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 量满足期望值要求，占不大于仪器测试误差8 0 ( 8 0 2 ) 、闭环控制步长 品( s 。= 2 m 3 d ) 以及井下流场波动度。带来的综合影响即d 茎，( 如，岛，o ) 时，调节自动停止。 21 2 分层流量自动测调系统的组成 注水井分层自动测调系统井上部分与现行常规投捞、测试设各完全相同 不同部分主要是井下测调系统，如图2 2 所示。 h 节臂 驱砷 可调堵军器 图2 - 2 测调系统结构示意图 f i g2 - 2t e s ts y s t e ms t r u c t u r es c h e m e 井下测调部分为实现测调功能的关键部件，是该测调技术的核心部分，主 要由微型直流伺服电机和电池，控制与存储电路，调节臂，流量传感器等组 成。其中：微型直流伺服电机为整个井下测调部分的动力输出装置。电池为整 个井下测调部分的动力源。控制与存储电路为整个井下测调部分的测调动作发 出脉冲信号，并负责接收，存储控制与调节后的测调结果。调节臂为井下测调 部分的对接和调节装置，在与位于偏孔中的可调式堵塞器成功对接后即可在微 型伺服电机的驱动下对其进行调节。流量传感器为井下测调部分的测量模块， 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 采用电磁式流量计，其主要功能是测量各单层压力，流量，并将流量信息进行 存储，同时可将流量信息通过脉冲信号的形式及时反馈给位于控制与存储电路 中的比较与运算通讯模块。再由比较与运算通讯模块根据比较与运算结果向微 型直流伺服电机发送正转或反转驱动信号，驱动调节臂进行流量调节。 可调式堵塞器是水量调节装置的最终执行机构，接受电机输出的旋转力 矩，并将该力矩转换成轴向位移，达到改变注水孔径的目的。其实物如图2 3 所示。 图2 - 3 可调式堵塞器 f i g2 - 3a d j u s t a b l eb l a n k i n gp l u g 堵塞器是注水系统中的重要部件，用来调节注水的流量，其实质就是一种 流量调节装置”。堵塞器基本上可以分为固定式堵塞器和可调式堵塞器两大 类，其中固定式堵塞器只是相当于节流装置，流量不可调整，前后的压力变化 时，流量也随之变化，这种堵塞器j 下逐渐被淘汰。可调式堵塞器可以根据压力 的大小柬调节流量，使流量满足人们的设定。 可调式堵塞器主要特征在于采用螺旋机构改变水嘴的阀口尺寸，并实现自 锁功能。调节时，水嘴本体依靠密封圈的摩擦力防止转动，阀芯组件依靠纵向 排列的筋防止与水嘴本体发生相对转动。依靠多棱柱结构与万向联轴器实现对 接，并传递运动和动力。水嘴上有3 个斜槽，与阀芯组件配合使用时，形成3 个过水孔，共同组成阀口。使用时，先将水嘴调节机构插入偏心配水器的偏心 孔内。插入时，限位块在外力作用下上翻，通过台阶孔后在弹簧的作用下向下 翻转，突出产品外圆，卡在台阶孔内，使可调式堵塞器在水流冲击下可以停留 在原来位置。需要改变流量时，依靠接头上的多棱柱结构与万向联轴器实现对 接，并传递运动和动力。由于密封圈与偏心孔的台阶孔配合，摩擦力使水嘴本 体不能转动，阀芯组件与水嘴本体也不能相对转动。当电机转动带动万向联轴 器转动时，万向联轴器通过与接头的配合带动传动轴和传动螺杆转动，传动螺 杆转动导致阀芯组件轴向移动，改变阀口大小，实现改变流量的目的。需要捞 取可调式堵塞器时，用投捞器抓住接头向上拉”“，传动轴上的锥面挤压限位块 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 使其上翻，低于产品外圆，再用力可以克服摩擦力将水嘴调节机构捞出。 该可调式堵塞器具有以下特点： 1 在不改变堵塞器外形尺寸和现用的偏心配水管柱的前提下正常投捞； 2 堵塞器定位采用凸轮锁定装置； 3 堵塞器工作时通过调节杆带动阀片转动改变动阀片和静阀片相对通径面 积来调节流量，调节时有效通径连续可调，无死点安全可靠； 4 阀片和阻尼套都采用特种工业陶瓷使得可调式堵塞器中可调水嘴具有 长寿命、耐刺等特点； 5 堵塞器选用进口不锈钢材质，抗腐蚀性强，延长了使用寿命。 2 2 调节臂的设计 2 2 1 传动轴的设计计算 1 材料的选择为了降低注水成本，油f 日注水系统中使用的水通常是将开 采出的石油进行油水分离、过滤后剩下的液体。因此井下测调仪的工作介质成 分复杂，属于腐蚀性较强的多相流，加上油田注水量一般较大，管道内流速很 高，因此不可避免地要发生流体腐蚀现象。另外油田注水井下恶劣的工作环境 也在很大程度上加剧了这种腐蚀。因此传动轴应选用耐腐蚀、耐磨损的材料。 对于受力较大的重要轴，当尺寸受到限制，并要求重量轻，耐磨性高，用于高 温或低温和要求耐腐蚀时，应采用合金结构钢。在此选择最常用的 4 0 c r 1 8 1 9 2 0 】o 2 最小轴径的计算调节臂中设计有三段传动轴，都是以承受转矩为主。 所以只需校核传动轴中直径最小的一段即可。对只受转矩或以承受转矩为主的 传动轴，应按扭转强度条件计算轴的直径。若有弯矩作用，可用降低许用应力 的方法来考虑其影响。扭转强度约束条件为 r9 5 5 1 0 6 p 一= 一 0 2 d 3 玎 式中：r ，为轴危险截面的最大扭剪应力( m p a ) ； 丁为轴所传递的转矩( n m m ) ； 为轴危险截面的抗扭截面系数( m m 3 ) ； p 为轴所传递的功率( 可k w ) ； ，z 为轴的转速( r m i n ) ； l f ri 为轴的许用扭剪应力( m p a ) 。 p r 】 ( 2 - 1 ) 哈尔演理t 人学t 学硕l ：学位论文 对实心圆截面轴， 孵= 等。2 d 3 ，以此代入式( 2 1 ) ，可得扭转强度条件 的设计式 吲9 5 眈5x 1 0 6 p 以l c 污 ( 2 - 2 ) 式中：c 为轴的材料和受载情况决定的系数，其值可查表2 1 。 当弯矩相对转矩很小时，c 值取较小值，p ，】取较大值；反之，c 取较大 值，p ，f 】取较小值。 表2 1 儿种轴的材料的 ，厂】和c 值 t a b l e2 1 p 7 】a n d cv a l u e so fa x e sm a t e r i a l 轴的材料 q 2 3 5 ，2 0 3 54 5 4 0 c r , 3 5 s i m n - ，】 1 2 2 02 0 3 03 0 - 4 04 0 5 2 c1 6 0 - 1 3 51 3 5 1 1 81 1 8 1 0 71 0 7 9 8 应用式( 2 2 ) 求出的d 值 d i 业；型：6 9 m m v0 2 5 2v4 9 3 花键联接强度计算本文设计的调节臂( 如图2 4 所示) ，它采用一种新型 万向联轴器，与目前在各种设备上普遍使用的万向联轴器相比，其特征在于只 有一端处于固定状态，而另一端处于悬空状态。其主要作用是在两个平行轴之 i 日j 传递运动和动力。实际使用时，先将力向联轴器收拢，用限位机构锁紧，保 证万向联轴器不突出测调系统外圆。当需要调节水量时，限位机构释放，万向 联轴器在弹簧的作用下突出测调系统外圆，与水嘴调节机构进行对接，并完成 传递运动和动力的工作。在不同工作状态下输入轴与输出轴的轴线距离是变 量，结构中带有多处缓冲机构，轴向距离在一定范围内可以调节。从而尽力避 免了对接过程中对电机输出轴的冲击，也降低了可调式堵塞器的驱动头被砸弯 的几率。 鉴兰篓呈三銮：三：兰圭耋墨兰兰 1 槽体：2 凸轮轴；3 凸轮支架：4 传动轴；5 横销；6 模具弹簧；7 弹簧支座8 万向联轴 器；9 稀臂支撑；l o 传动轴；1 i 花键套弹簧；1 2 传动轴；1 3 万向联轴器；1 4 、1 5 传动 轴：1 6 压缩弹簧；1 7 弹性对接头；1 8 锥形螺套； 图2 4 调节臂 f i g 2 - 4 r e g u l a t i n g a r m 轴和轮毂孔周向均布的多个键齿构成的联接称为花键联接。齿的侧面是工 作面。由于是多齿传递载荷，所以花键联接比平键联接具有承载能力高，对轴 削弱程度小( 齿浅、应力集中小) ，定心好和导向性能好等优点。它适用于定心 精度要求高、载荷大或经常滑移的联接。花键联接按其齿形不同，可分为一般 常用的矩形花键和强度高的渐开线花键。本调节臂中两个平行轴之间的联接采 用的是矩形花键联接。花键联接可以做成静联接，也可以做成动联接。对于静 联接主要失效形式为齿面压溃：对于动联接主要失效形式为工作面磨损。静联 接时，强度条件为 旷羔b ，】( 2 - 3 ) 2 面酉5 h j 动联接时，强度条件为 p 2 面2 1 m ( 2 - 4 ) 式中：r 工作转矩( n m m ) ： 渺各齿间载荷分配不均匀系数，一般取掣= 0 7 0 8 ： z 花键齿数； 花键齿侧面工作高度( m m ) 。对矩形花键： = 旦兰2 c ，其中 d 和d 分别为花键轴的外径和内径，c 为倒角尺寸；对渐开线花键 哈尔演理t 人学丁学硕i ：学位论文 h = m ，聊为模数； ，齿的工作长度( m m ) ； d m 花键平均直径( m m ) ，对矩形花键d m ：_ d + d ；对渐开线花键， z d 。= d ，d ，为分度圆直径； 仃。 许用挤压应力( m p a ) ，见表2 2 ； p 许用压强( m p a ) ，见表2 2 。 花键联接的零件多用抗拉强度极限不低于6 0 0 m p a 的钢制造，多数需热处 理，特别是在载荷下频繁移动的花键齿，应通过热处理获得足够的硬度以抗磨 损。花键联接的许用挤压应力和许用压强可由表2 2 查取。 表2 - 2 花键联接的许用挤压应力 盯| 口 和许用压强 p ( m p a ) t a b l e2 2a l l o w a b l es q u e e z es t r e s s c r 口 a n dp r e s s u r e p o fs p l i n e dc o n n e c t i o n 联接t 作 仃p 或 p 丁作条件 方式 齿面未经热处理 诣血经过热处理 不良 3 5 5 04 0 - 7 0 静联接b ，j 中等6 0 l o ol o o 1 4 0 良好 8 0 1 2 0 l2 0 - - 2 0 0 动联接瞄】 1 i 良 1 5 2 02 0 3 5 ( 窄载下 中等2 0 3 0 3 0 6 0 移动) 良好 2 5 4 0 4 0 - - 7 0 动联接p 】 不良 3 - 1 0 载衙作用下 中等5 1 5 移动) 良好 l o 2 0 由于本调节臂工作中轴的转速很低，联接可以看作是静联接。一般只验算 挤压强度和耐磨性即可。 j i l ：d - d 一2 c ：7 - 5 2 一0 l ：o 8 m m，l = 一= 一u = u 芍m m 22 d 所= 丁d + d = t 7 + 5 = 6 m m 将式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 代入式( 2 3 ) 中 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 哈尔演理t 大学t 学顺f ：学位论文 仃。：上l ：垒旦生一：4 0 7 m p a b 。1 q 。面瓦2 面忑面丽丽2 坯p ，j 满足设计需要。 2 2 2 密封的设计计算 用o 形密封圈( 以下简称密封圈) 密封是最常用的一种密封方式，然而至关 重要的是如何正确地选择密封圈和设计密封圈槽尺寸。常规的方法是将密封圈 套在宝塔上用游标卡尺测量外径，再确定其相应尺寸。这种方法的弊端是： 1 密封圈是弹性体，外径测量不准确； 2 在设计新工具时，往往没有现成的密封圈，难以确定尺寸，其过盈量往 往掌握不准。过盈量太大时密封圈易被剪切损坏，太小时又容易失封。 针对这种状况，在此进行选配密封圈的理论计算： 2 2 2 1 密封圈的密封机理密封圈密封属于挤压弹性体密封，是靠密封环预先 被挤压由弹性变形产生预紧力，同时工作介质压力也挤压密封环，使之产生自 紧力。也就是说，挤压弹性体密封属于自紧式密封卜”。 密封圈在介质压力p 作用下，受力状况如图2 5 所示，产生的接触压力为 p 。= p 。o + 卸。 ( 2 7 ) 文弘、 p 1 r 图2 5 密封圈接触压力分布 f i g 2 - 5c o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f s e a lr i n g 式中：p ，介质压力下的总接触压力( m p a ) ； p ，。密封圈初始压力，称之为预接触压力( m p a ) ； 卸，介质压力经密封圈传递给接触面的接触压力，称为介质作用接 触压力，a p = 印，其中k 为侧压系数，k = ，对于橡胶密封件k o 9 i d 0 9 8 5 ；d 为密封圈材料的泊松比，对于橡胶密封件，o = 0 4 8 一0 4 9 6 。 要保持密封，必须保证p 。大于p 。，而p 。永远小于p 。，故应保持足够的预 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 接触压力p 加，即密封圈要有足够的预压缩率，才能保证密封。但如果预压缩率 太大，又会影响密封圈的工作寿命，因此密封圈和密封圈槽尺寸的合理匹配是 延长密封圈无泄漏密封寿命的必要保证。 2 2 2 2 密封圈及密封圈槽的选配方法假定孔、轴直径分别为d 、d ，所选密 封圈为d o d 。，问题是如何确定密封圈槽的底径d l ，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 密封圈及密封圈槽尺寸 f i g 2 - 6s i z eo fs e a lr i n ga n di t sg r o o v e 密封圈被套在密封圈槽上之后，一般都有一定的拉伸量，其断面直径d 。变 小了，假定变为d ，根据体积不变原理，则密封圈安装前后的体积相等，即 3 ( 0 0 一d o ) d ；= 寻( d + 万一d 1 ) 矸 ( 2 - 8 ) 叶斗 式中：d 。密封圈外径( m m ) ； d 。密封圈断面直径( m m ) ； d 孔直径( m m ) ； 万密封圈过盈量( m m ) ； d 。拉伸后的密封圈断面直径( m m ) 。 式( 2 8 ) 中，万值可根据d 值从表2 3 中选取，d 。、d 。为已知值，则可计算 出d 。为了简化计算，用d + 万一d o 代替d + 万一d l 计算，则式( 2 8 ) 可简化为 d l = ( 2 - 9 ) 简化后计算出的d 。值有一定的误差，将d 。再回归到式( 2 9 ) 中计算，求出 d 2 ，即 d 2 = 式中：d ：拉伸后的密封圈断面直径( m m ) 。 ( 2 1 0 ) 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论义 如此类推，可计算出d ，、d 。，一般来说，d ：值在工程上就能达到要 求，则密封圈槽底径d 为： d i = d + 万一2 d 2 ( 2 - 1 1 ) 表2 3基本尺寸与过盈量关系推荐值( m m ) t a b l e2 3b a s i cs i z ea n ds h r i n kr a n g er e l a t i o nr e c o m m e n d e dv a l u e 过盈耸万 孔直径d 尺寸范围 动密封静密封 1 2 01 0 0 - 1 4 01 2 1 6 2 2 2 3 相关参数的确定与应用 1 压缩率s 或过盈量万密封圈是典型的挤压型密封。如图2 7 所示，其压 缩率e 通常由下式表示： s ：立当1 0 0 ( 2 - 1 2 ) d o 式中：密封圈槽底至被密封面的距离( r a m ) 。 图2 7 密封网乐缩率 f i g 2 7c o m p r e s s i o nr a t i oo f s e a lr i n g 对于圆柱面静密封和往复动密封，g = 1 0 15 ；对于平面静密封， 占= 15 - - - - 3 0 ；旋转动密封g = 3 8 ；低摩擦密封g = 5 8 。 选取密封圈压缩率时主要应考虑的因素，一是要有足够的密封面接触压 力；二是摩擦力应尽量小；三是应尽量避免永久性变形。 与压缩率s 相对应的是过盈量艿，过盈量万表示密封圈的预压缩情况，其 推荐值见表2 3 。( 注：井下工具用密封圈多为静密封，6 值应从静密封栏中选 哈尔滨理下人学t 学硕l j 学位论义 取。) 2 拉伸量密封圈装入密封圈槽后，一般都会有一定的拉伸量。拉伸量应 是拉伸后的密封圈中径与自然状态时的中径之比，即 a ：终型 ( 2 - 13 ) = o 2 l z l j ) ( d o d 。) 、7 式中：口密封圈的拉伸量( m m ) 。 a 的通常推荐值为1 0 1 1 0 5 。一般取值为1 0 5 ，特殊情况下，甚至取为 1 1 。为了保证密封圈装入密封圈槽后不至太松，a 值取得稍大。 3 密封圈槽的宽度与形状一般推荐的密封圈槽尺寸见表2 4 ，其形状如图 2 8 所示。槽宽大致为密封圈断面直径的1 3 倍，而平时设计中往往是密封圈槽 宽度与密封圈断面直径相等，或者不论密封圈断面直径多大，密封圈比槽宽 0 5 m m 。采用这种尺寸设计的弊端是： 表2 4 密封圈槽的尺寸( m m ) t a b l e2 - 4s i z eo fs e a lr i n gg r o o v e 密封阁断面直径d o槽宽b 尺， 1 9 2 5o 20 。1 2 43 20 2o 1 3 14 00 3o 1 3 5 4 5o 30 1 4 66 1 o 40 2 5 77 50 4o 2 8 61 1 00 5o 2 用起子或铁钎撬密封圈时，容易损坏密封圈槽，尤其是内密封圈槽，这将 降低其耐压差能力；孔、轴相套时，由于密封圈有预过盈量，槽太窄易剪切密 封圈。因此，在设计密封圈槽宽时应规范尺寸。在加工，为0 1 o 2 和尺为 0 2 - - - 0 5 的圆弧时，要特别注意，处，如果太尖，在承受高压时易损坏密封圈， 需用砂布将其稍稍打钝。 了 ，一 ， r q b 图2 - 8 密封圈槽的标准形状 f i g 2 - 8s t a n d a r ds h a p eo f s e a lr i n gg r o o v e 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 2 2 2 4 橡胶硬度的选择在工作压力8 1 6 m p a 范围内，橡胶推荐硬度为7 0 8 0 h s ；1 6 - - - 3 2 m p a 范围内，推荐硬度为8 0 9 0 h s 。应加强密封圈进货质量检 验。 井下工具所用孔、轴配合常常采用h 9 d 9 、h 10 d 1 0 、h 1 0 c 1 0 ，甚至 h 1 1 c 1 1 ，一方面精度等级较低，另一方面轴、孑l 间隙大。这就要求密封圈的过 盈量也要大。在承受大于1 6 m p a 以上压差时，孔、轴配合一般推荐为h 8 f 8 或 h 8 f 7 ，在承受高压情况下，还要安装密封挡环。相同精度等级轴、孔的配合间 隙不同，其受力状况是有区别的，如h 1 0 c 1 0 的轴、孑l i b j 隙比h 1 0 d 1 0 大，密 封圈在相同压力p 作用下，其受剪切力的面积大，则总作用力就大，密封圈损 坏的可能性加大，但如果轴、孔间隙过小，则轴、孔的同轴度要求更高，加工 难度增大。如果片面追求高精度，势必增加加工难度和成本。考虑到加工水平 及井下工具的实际工作状况( 主要是静密封) ，般情况下密封圈密封面的轴、 孔配合应优先选用h 8 e 8 ，在使用要求不高的情况下，也可选用h 9 e 9 。 孔、轴尺寸为矽2 6 h 8 e 8 ( 孔为2 6 3 3m m ) ，所选密封圈为 , 2 5 m m 3 5 5 m m ，过盈量万选为0 3m m ，代入( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) ，则变形后的密封 圈断面直径为 d l = = 3 4 4 7 m m d ，= = 3 4 3 9m m 取d 2 = 3 4 4i n l l l ，贝0d 1 = d + 万一2 d 2 = 2 6 + 0 3 - 2 x3 4 4 = 1 9 4 2 m m 结合孔径，配上公差后，则槽底径d l 为l o + 0 4 。2 ：3 m m 。 由以上计算可知，根据不同的密封圈，可以计算出不同的密封圈槽尺寸， 可见这种方法比较简单、灵活。但是为保证密封长期有效地工作，还必须合理 选择其压缩率、拉伸量和孔轴配合精度等相关参数。此方法具有一定的通用 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 性。 2 3 直流伺服电机的选用 2 3 1 电机减速器的选择 为节省能源和材料，现代社会对齿轮传动装置提出了高效率和小型化的要 求。由于行星齿轮减速装置采用数个行星齿轮同时传递负载，使功率分流，并 且合理使用了内啮合齿轮，因此具有一系列的特点，如结构紧凑、体积小、重 量轻、承载能力大、工作平稳、传动比范围大、传动效率高、输入输出轴同心 等。行星齿轮减速器与普通圆柱齿轮减速器比较，体积和重量可减少5 0 左 右，效率明显提高，但是制造精度高、结构复杂。 根据实际设计中对驱动电机的功率及尺寸要求，电机的减速器必须得采用 行星传动结构，输入轴与输出轴在同一轴心线上，使得机型尽可能获得最小尺 寸的同时可以传递更大的扭矩。 2 3 2 电机的选择 电机减速器的效率：减速电机与减速器的传动比越大，其传动级数越多， 传动效率就越低。要求传动比6 8 0 ，需四级传动。一般经过一级传动其效率为 9 0 ，两级