摘要：固定式節(jié)流閥作為節(jié)流控制的關(guān)鍵裝置，更換其油嘴需要對(duì)由壬進(jìn)行拆卸，屬于高勞動(dòng)強(qiáng)度且具有危險(xiǎn)性的作業(yè)，且傳統(tǒng)拆卸方式易對(duì)由壬造成損傷。本文設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)化更換油嘴裝置，該裝置包括自動(dòng)化拆裝由壬機(jī)構(gòu)、自動(dòng)化抬升油嘴機(jī)構(gòu)、液壓控制回路三部分。采用液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿減速器、絲杠傳動(dòng)和自動(dòng)取油嘴支架，完成由壬的自動(dòng)化拆卸和油嘴的自動(dòng)化提升；設(shè)計(jì)定位銷確保自動(dòng)化安裝時(shí)的對(duì)中度，保證安裝完好。加工樣機(jī)經(jīng)試驗(yàn)表明，相對(duì)于人工拆裝，此設(shè)備更換油嘴的時(shí)間更短，安裝油嘴時(shí)更加平穩(wěn)緊固，作業(yè)時(shí)對(duì)由壬無(wú)損傷，提高了自動(dòng)化程度，并保障了操作人員的安全。
 

　　關(guān)鍵詞： 油嘴更換；由壬拆卸；節(jié)流閥；液壓控制；蝸輪蝸桿
 

　　1   概述
 

　　固定式節(jié)流閥是高壓氣井測(cè)試生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要的設(shè)備，通過(guò)更換不同直徑的油嘴控制產(chǎn)量。然而，油嘴在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，易出現(xiàn)磨損、堵塞甚至脫落等問(wèn)題，嚴(yán)重影響油井的正常生產(chǎn)。因此，需要對(duì)油嘴進(jìn)行必要的檢查和更換來(lái)保證油井的正常安全生產(chǎn)。由壬是一種快速拆裝接頭，廣泛應(yīng)用于油氣管道上。目前，固定式節(jié)流閥中油嘴的更換往往是通過(guò)人工進(jìn)行操作，整個(gè)過(guò)程不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率較低、易對(duì)由壬造成不可修復(fù)的損傷，還會(huì)使操作工人面臨一定的安全威脅。顧軍清等設(shè)計(jì)了一種便于更換的油嘴，提高了油嘴更換的便捷性；陳亞洲等設(shè)計(jì)了一種油嘴可快速帶壓更換的井口固定節(jié)流閥，并提出對(duì)應(yīng)的節(jié)流方法。但上述設(shè)備和方法的自動(dòng)化程度較低，仍高度依賴人工。
 

　　因此，為了解決該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化更換油嘴裝置，通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行精確控制定位?？紤]到工作空間的局限性，選擇蝸輪蝸桿減速器放大扭矩旋松節(jié)流閥中的由壬，利用絲杠傳動(dòng)和自動(dòng)油嘴送取組件將拆卸后的由壬以及油嘴組件抬升至一定高度進(jìn)行更換，而后反行程安裝，設(shè)計(jì)定位銷確保對(duì)中性，有效避免了由壬螺紋的損傷，大大減少了人工操作，提高了工作效率。
 

　　2   常用的更換油嘴方法
 

　　固定式節(jié)流閥適用于對(duì)流量調(diào)節(jié)精度要求較低但工況嚴(yán)苛的場(chǎng)合。目前常見的傳統(tǒng)拆裝方式是使用大錘錘擊由壬外耳，讓其松動(dòng)，再使用工具將其卸下；安裝時(shí)先使用工具擰緊由壬，再通過(guò)大錘錘擊由壬外耳使其緊固。關(guān)于由壬扳手仍然較少，現(xiàn)有產(chǎn)品主要是某些鉆探公司為解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題而制造的一些簡(jiǎn)易工具。周軼青等提出一種錘擊由壬動(dòng)力拆卸和安裝工具，國(guó)外也有部分學(xué)者設(shè)計(jì)了扳手，但均未見有產(chǎn)品投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
 

　　3   新型自動(dòng)化更換油嘴裝置關(guān)鍵技術(shù)
 

　　3.1   新型自動(dòng)化更換油嘴裝置
 

　　3.1.1   總體設(shè)計(jì)方案
 

　　新型自動(dòng)化更換油嘴裝置包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、導(dǎo)正機(jī)構(gòu)、支架、液壓系統(tǒng)等，其中旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于拆卸固定式節(jié)流閥中的由壬，提升機(jī)構(gòu)用于將油嘴、由壬、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成的箱體提升至指定高度，導(dǎo)正機(jī)構(gòu)用于在安裝油嘴過(guò)程中保證對(duì)中性，支架用于固定和保護(hù)裝置，液壓系統(tǒng)用于精準(zhǔn)的自動(dòng)化控制。
 

　　新型自動(dòng)化更換油嘴裝置的工作原理為：利用液壓馬達(dá)和蝸輪蝸桿減速器拆卸由壬并減少對(duì)由壬的損傷；再利用液壓馬達(dá)、絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)取送油嘴機(jī)構(gòu)將固定式節(jié)流閥中的油嘴提升至一定高度，從而進(jìn)行更換；最后通過(guò)導(dǎo)正銷、導(dǎo)向軸、導(dǎo)向插座確保安裝油嘴過(guò)程中由壬螺紋的完好配合。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，自動(dòng)化程度高，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 

圖1   自動(dòng)化更換油嘴裝置
 

　　3.1.2   旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
 

　　更換油嘴的第一步，即對(duì)承載高壓的由壬進(jìn)行自動(dòng)化拆卸，需要解決采用錘擊拆裝由壬過(guò)程中易導(dǎo)致由壬拆裝效率低和存在安全隱患的問(wèn)題?？紤]到固定式節(jié)流閥在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，其應(yīng)用空間有一定的局限性，進(jìn)而對(duì)整體裝置的體積有一定的要求。因此，采用液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，由壬和固定圈通過(guò)螺栓連接，通過(guò)軸肩將軸與由壬固定連接，在軸上對(duì)稱位置開兩個(gè)鍵槽，以傳遞經(jīng)蝸輪蝸桿減速器放大的扭矩，從而旋松由壬。蝸輪放置在軸上，通過(guò)軸肩和軸環(huán)進(jìn)行定位。設(shè)計(jì)0301機(jī)架頂板和底板，內(nèi)部嵌套軸承，下方軸承2通過(guò)軸肩固定，上方軸承1通過(guò)軸環(huán)和壓蓋固定，具體軸上零件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 

　　1.壓蓋   2.0301機(jī)架頂板   3.軸承1   4.軸環(huán)   5.軸   6.蝸輪 7.鍵   8.固定圈   9.軸承2   10.0301機(jī)架底板   11.由壬
 

　　圖2   軸上零件結(jié)構(gòu)圖
 

　　3.1.3   提升機(jī)構(gòu)
 

　　為了使油嘴自動(dòng)提起，減少人工操作，本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)油嘴送取組件。利用L型槽與油嘴接觸，利用螺栓與堵頭固定連接，當(dāng)堵頭和由壬被提起時(shí)，油嘴隨之提起，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
 

　　1.由壬   2.堵頭   3.閥體   4.填料   5.油嘴支架   6.T型油嘴襯套 7.自動(dòng)油嘴
 

　　圖3 自動(dòng)油嘴送取組件結(jié)構(gòu)圖
 

　　將上述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)利用0301機(jī)架封裝成一個(gè)箱體，考慮到空間局限性，采用絲杠和滑塊結(jié)構(gòu)提升箱體和固定連接的油嘴組件。絲杠采取兩端固定滑塊浮動(dòng)的方式，因絲杠運(yùn)行速度要求不高且本身運(yùn)行較平穩(wěn)，其上端通過(guò)聯(lián)軸器直接將絲杠與液壓馬達(dá)連接，下端通過(guò)內(nèi)含軸承的絲杠固定座與0101機(jī)架底板固定。滑塊一側(cè)串在絲杠上，另一側(cè)通過(guò)導(dǎo)桿與0301機(jī)架頂板固定連接，導(dǎo)桿上方通過(guò)螺栓固定并對(duì)滑塊進(jìn)行限位，結(jié)構(gòu)如圖4所示。
 

(a)
 

(b)
 

　　1.液壓馬達(dá)2   2.聯(lián)軸器   3.聯(lián)軸器固定座   4.0101機(jī)架頂板   5.絲杠   6.導(dǎo)向軸   7.導(dǎo)桿   8.絲杠螺母   9.0101機(jī)架底板
 

　　(a)提升機(jī)構(gòu)上端   (b)提升機(jī)構(gòu)下端
 

　　圖4   提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
 

　　3.1.4   導(dǎo)正機(jī)構(gòu)
 

　　在安裝由壬的過(guò)程中，對(duì)由壬螺紋和閥體螺紋配合的要求以免對(duì)螺紋造成損壞甚至無(wú)法正常安裝，因此需設(shè)計(jì)導(dǎo)正機(jī)構(gòu)以減少對(duì)螺紋的損壞。在由壬中心對(duì)稱位置設(shè)計(jì)了雙導(dǎo)向軸貫穿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的箱體，通過(guò)導(dǎo)向軸固定座與0101機(jī)架的底板和頂板由螺栓進(jìn)行固定連接。同時(shí)，在絲杠的中心對(duì)稱位置設(shè)計(jì)了導(dǎo)正銷，該導(dǎo)正銷固定于0101機(jī)架的底板上，通過(guò)導(dǎo)向插座與導(dǎo)正銷的配合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)正功能，且導(dǎo)向插座固定在0301機(jī)架的底板上。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
 

　　1.導(dǎo)正銷   2.導(dǎo)向插座   3.0301箱體   4.導(dǎo)向軸   5.導(dǎo)向軸固定座   6.0301機(jī)架底板
 

　　圖5   導(dǎo)正機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
 

　　3.2   液壓控制方法
 

　　液壓控制具備傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，因現(xiàn)場(chǎng)的空間局限，對(duì)液壓管路的設(shè)計(jì)在滿足自動(dòng)化更換油嘴裝置基本功能的前提下，必須要考慮空間和布局合理性。利用壓力的傳遞性，通過(guò)液體介質(zhì)的靜壓力傳遞能量，使各個(gè)液壓元件產(chǎn)生力和運(yùn)動(dòng)，將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，遠(yuǎn)程控制裝置的啟停和反行程安裝，其具體的液壓控制原理如圖6所示。
 

　　使用電動(dòng)泵(60 L/min、17.5 MPa)作為主動(dòng)力源，提供持續(xù)油液供應(yīng)，將電磁溢流閥設(shè)置為19 MPa形成壓力保護(hù)，當(dāng)超過(guò)該壓力值時(shí)開始泄壓。當(dāng)電磁換向閥1左側(cè)得電時(shí)，馬達(dá)1開始運(yùn)行，此時(shí)對(duì)固定式節(jié)流閥中的由壬進(jìn)行拆卸。當(dāng)觸碰到行程開關(guān)時(shí)，由壬拆卸完畢，電磁換向閥1被切斷，電磁換向閥2左側(cè)得電，馬達(dá)2開始運(yùn)行。將拆卸的由壬以及堵頭油嘴等組件向上提起至指定位置后，電磁換向閥2斷電，系統(tǒng)停止運(yùn)行，待舊油嘴更換完后進(jìn)行反行程安裝。雙向節(jié)流閥控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)速度降低，反之速度增加。系統(tǒng)運(yùn)行期間，需確保壓力表數(shù)值在安全范圍內(nèi)。
 

圖6   液壓系統(tǒng)控制原理圖
 

　　4   試驗(yàn)驗(yàn)證
 

　　根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)，加工出樣機(jī)，并在廠內(nèi)進(jìn)行整機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)。
 

　　啟動(dòng)裝置如圖7(a)所示，馬達(dá)1開始運(yùn)行，對(duì)由壬進(jìn)行拆卸，0301箱體因由壬螺紋而向上提升。當(dāng)由壬拆卸完畢，觸發(fā)行程開關(guān)后，馬達(dá)2開始運(yùn)行。將0301箱體和蝸桿組件向上提升至指定高度，觸發(fā)行程開關(guān)后系統(tǒng)暫停運(yùn)行，此時(shí)油嘴已被提升至適當(dāng)高度，如圖7(b)所示。在更換后反行程安裝。利用導(dǎo)正銷和導(dǎo)向插座配合，保證對(duì)中性，確保由壬螺紋配合完好，油嘴正常安裝。
 

　　試驗(yàn)證實(shí)，該裝置能夠嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)程序完成由壬拆卸與油嘴更換的全過(guò)程。試驗(yàn)過(guò)程中，裝置啟停及運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)卡滯或沖擊現(xiàn)象。液壓系統(tǒng)控制精確，確保了0301箱體及蝸桿組件在提升過(guò)程中速度均勻、定位準(zhǔn)確。整個(gè)流程自動(dòng)化程度高，將依賴人工經(jīng)驗(yàn)與體力的復(fù)雜操作轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定、可重復(fù)的自動(dòng)化作業(yè)。
 

(a)
 

(b)
 

　　(a)初始階段   (b)提升階段
 

　　圖7   樣機(jī)試驗(yàn)圖
 

　　5   結(jié)語(yǔ)
 

　　本論文通過(guò)分析固定式節(jié)流閥油嘴更換原理，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化油嘴更換裝置。在有限空間內(nèi)，利用蝸輪蝸桿減速器與液壓系統(tǒng)拆卸由壬；利用自動(dòng)油嘴送取組件，通過(guò)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，利用絲杠滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提升油嘴等組件至指定高度，實(shí)現(xiàn)油嘴的更換，并采取導(dǎo)正銷來(lái)確保安裝時(shí)螺紋的對(duì)中性。得出的主要結(jié)論如下：
 

　　(1)本研究實(shí)現(xiàn)了由壬的自動(dòng)拆卸和油嘴的自動(dòng)更換，顯著提高了作業(yè)效率，減少了對(duì)人工操作的依賴，并降低了生產(chǎn)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。
 

　　(2)本文設(shè)計(jì)的裝置有效替代了傳統(tǒng)的人工錘擊拆卸由壬方式，避免了對(duì)由壬造成不可逆的物理?yè)p傷，延長(zhǎng)了由壬的使用壽命。
 

　　(3)整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，零部件簡(jiǎn)單易加工，且設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案可適應(yīng)多種不同壓力載荷的固定式節(jié)流閥，具有一定的通用性和可靠性。
 

　　(4)油田現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置性能穩(wěn)定，啟停及運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)，液壓控制精確，裝置裝配質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)合理，能夠滿足預(yù)定的功能需求。