BK－ZPJ－Ⅱ型開(kāi)口式井下工具裝配機(jī)的研制與應(yīng)用

張建華，趙 敏，盧亞平

（北京礦冶研究總院，北京100160）①

井下工具的裝配質(zhì)量影響到油氣井的安全生產(chǎn)［1］。目前，井下工具的裝配依然以人工裝配為主，雖然有擰扣機(jī)幫助擰扣，但是鉗口為閉口結(jié)構(gòu)［2－3］以及簡(jiǎn)單的擰扣功能制約著井下工具的裝配效率和質(zhì)量。因此，設(shè)計(jì)一套機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，操作靈活方便且安全可靠的開(kāi)口式裝配機(jī)械，成為提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、保證工件裝配質(zhì)量的主要措施。研制的BK－ZPJ－Ⅱ型開(kāi)口式井下工具裝配機(jī)是以液壓為動(dòng)力，具有自動(dòng)對(duì)中功能，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、位移、轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。本文介紹了該機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和液壓控制系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

BK－ZPJ－Ⅱ型開(kāi)口式井下工具裝配機(jī)主要由裝配機(jī)鉗體機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、助力機(jī)械手等系統(tǒng)組成。鉗體機(jī)構(gòu)由主鉗、背鉗、對(duì)中機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、底座等組成，如圖1。裝配機(jī)鉗體采用臥式上開(kāi)口結(jié)構(gòu)，工件可以直接由鉗口放入，進(jìn)行裝配、拆卸和取出。助力機(jī)械手（未畫(huà)出）可以幫助夾持工件。對(duì)中機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工件的自動(dòng)對(duì)中。

圖1 BK－ZPJ－Ⅱ型開(kāi)口式井下工具裝配機(jī)鉗體機(jī)構(gòu)

1） 主鉗 為開(kāi)口顎板式結(jié)構(gòu)，由液壓馬達(dá)、變速箱和鉗體組成。裝配機(jī)鉗體機(jī)構(gòu)的主鉗由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)變速箱將速度分為高速和低速兩擋，通過(guò)換向開(kāi)關(guān)選擇在夾緊和松開(kāi)過(guò)程中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)或者順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的上扣和卸扣功能。該主鉗安裝在導(dǎo)軌上，通過(guò)油缸來(lái)控制其移動(dòng)的速度和位移。

2） 背鉗 為開(kāi)口顎板式結(jié)構(gòu)，由齒條油缸和鉗體組成。能實(shí)現(xiàn)夾緊、左右移動(dòng)和擰扣過(guò)程中位移補(bǔ)償功能，背鉗通過(guò)油缸控制其移動(dòng)的速度和位移，達(dá)到推送工件功能。

3） 對(duì)中機(jī)構(gòu) 考慮到工件在上扣前，如果公扣和母扣不同軸，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)扣的現(xiàn)象，裝配機(jī)設(shè)計(jì)了對(duì)中機(jī)構(gòu)，如圖2。通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪、絲桿帶著移動(dòng)支撐板相向移動(dòng)，兩V型塊夾緊對(duì)中，對(duì)中機(jī)構(gòu)保證工件在擰扣前兩工件的軸線對(duì)中，其中心線與主鉗、背鉗夾持中心重合。由于安裝有自鎖機(jī)構(gòu)，在將工件夾持對(duì)中后，能起到自動(dòng)自鎖的功能。

圖2 對(duì)中機(jī)構(gòu)

4） 自動(dòng)控制系統(tǒng) 包含有PLC柜，信號(hào)傳感器，儀表，計(jì)算機(jī)等設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)裝配機(jī)的轉(zhuǎn)矩、壓力、位移、故障等信息的收集、反饋與控制。

5） 液壓系統(tǒng) 由液壓泵站、閥臺(tái)、儀表等組成，為裝配機(jī)提供液壓動(dòng)力。圖3為液壓系統(tǒng)原理。

圖3 液壓系統(tǒng)原理

裝配工件時(shí)，背鉗夾持組合工件的一端，主鉗夾持另一端，主鉗相對(duì)于背鉗順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，擰扣過(guò)程中利用背鉗的位移補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)擰扣功能，同時(shí)對(duì)中機(jī)構(gòu)起輔助支撐作用。

拆卸工件時(shí)，背鉗夾持組合工件的一端，主鉗夾持另一端，對(duì)中機(jī)構(gòu)夾持起輔助支撐作用，主鉗相對(duì)于背鉗逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)卸扣功能。

2 主要技術(shù)參數(shù)

適用井下工具直徑 50～160mm

主背鉗夾持（中心）距離 400（270）～1550mm

高速擋額定轉(zhuǎn)矩 2.9kN·m

低速擋額定轉(zhuǎn)矩 8.7kN·m

高速擋最高轉(zhuǎn)速 50r／min

低速擋最高轉(zhuǎn)速 17r／min

背鉗推移油缸行程 500mm

背鉗軸向最大拉、壓力 10kN

液壓系統(tǒng)額定壓力 12MPa

液壓系統(tǒng)最大供油量 67L／min

鉗體機(jī)構(gòu)外形尺寸5 545mm×800mm×1 200mm

3 主要特點(diǎn)

1） 本裝配機(jī)采用臥式裝配工藝。鉗口采用了上開(kāi)口結(jié)構(gòu)，方便井下工具裝配前的安放和裝配后的取出，輕松、簡(jiǎn)便、實(shí)用、高效。

2） 鉗體轉(zhuǎn)矩、鉗體位移可控制，并且可以調(diào)節(jié)和顯示。

3） 鉗口夾持牙塊采用了微牙痕設(shè)計(jì)，對(duì)工件表面的損傷小。圖4為管鉗裝配的牙痕，對(duì)工件表面的破壞比較嚴(yán)重。圖5為BK－ZPJ－Ⅱ裝配機(jī)產(chǎn)生的微牙痕。

圖4 人工裝配時(shí)管鉗產(chǎn)生的痕跡

4） 鉗體和對(duì)中機(jī)構(gòu)的移動(dòng)可以由絲杠和液壓缸實(shí)現(xiàn)，主鉗可實(shí)現(xiàn)正反旋轉(zhuǎn)、夾持和移動(dòng)，背鉗可以實(shí)現(xiàn)夾持和移動(dòng)。主鉗的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與位移、背鉗的位移和推力都可以實(shí)時(shí)反饋和調(diào)控，并且這些參數(shù)都可以預(yù)先設(shè)定，保證擰扣的轉(zhuǎn)矩值和螺紋擰扣的行程，既能按照標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩上扣，又能不損壞螺紋扣，大幅提高了裝配效率。對(duì)中機(jī)構(gòu)也可以替代鉗體的夾持和對(duì)中功能，解決了鉗口松開(kāi)和移動(dòng)過(guò)程中工件中心傾斜的問(wèn)題。

圖5 BK－ZPJ－Ⅱ型井下工具裝配機(jī)產(chǎn)生的微牙痕

4 應(yīng)用效果

以Y341－144型裸眼封隔器裝配為例，裝配前，將鉗體機(jī)構(gòu)調(diào)至低速擋，在控制柜顯示屏上將液壓系統(tǒng)工作壓力設(shè)置為4.4MPa，轉(zhuǎn)矩顯示為3 000 N·m。如果采用傳統(tǒng)方式，一套工具需2人組裝40 min以上。采用BK－ZPJ－Ⅱ型開(kāi)口式井下工具裝配機(jī)，2人操作10～15min就能完成一套封隔器的裝配，裝配一次性成功率99%以上。還進(jìn)行了其他井下工具的裝配，經(jīng)檢驗(yàn)，所裝配工具均達(dá)到相應(yīng)規(guī)范的要求。

5 結(jié)論

1） BK－ZPJ－Ⅱ型井下工具裝配機(jī)的結(jié)構(gòu)合理，操作方便，自動(dòng)化程度高，安全可靠。大幅降低了工人操作強(qiáng)度，提高了井下工具的裝配效率，裝配出來(lái)的產(chǎn)品符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。

2） 臥式上開(kāi)口結(jié)構(gòu)使得井下工具在裝配過(guò)程中安放和取出方便。

3） 轉(zhuǎn)矩、位移、推拉力可調(diào)控。微牙痕對(duì)井下工具表面的損傷小。

4） 現(xiàn)場(chǎng)使用表明，研制的BK－ZPJ－Ⅱ型井下工具裝配機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

［1］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］蒲玲霞，馬自江，王海巖，等.連續(xù)旋轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)矩旋扣機(jī)及在檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械.2009，38（7）：80－83.

［3］陳金儀，蘭福全，王 軍，等.TN7－30型接箍擰接機(jī)研制與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械.2008，37（10）：86－89.