摘要：固定式節(jié)流閥作為節(jié)流控制的關鍵裝置，更換其油嘴需要對由壬進行拆卸，屬于高勞動強度且具有危險性的作業(yè)，且傳統(tǒng)拆卸方式易對由壬造成損傷。本文設計了一種新型自動化更換油嘴裝置，該裝置包括自動化拆裝由壬機構、自動化抬升油嘴機構、液壓控制回路三部分。采用液壓驅動，通過蝸輪蝸桿減速器、絲杠傳動和自動取油嘴支架，完成由壬的自動化拆卸和油嘴的自動化提升；設計定位銷確保自動化安裝時的對中度，保證安裝完好。加工樣機經試驗表明，相對于人工拆裝，此設備更換油嘴的時間更短，安裝油嘴時更加平穩(wěn)緊固，作業(yè)時對由壬無損傷，提高了自動化程度，并保障了操作人員的安全。
 

　　關鍵詞： 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)流閥是高壓氣井測試生產過程中至關重要的設備，通過更換不同直徑的油嘴控制產量。然而，油嘴在長期使用過程中，易出現(xiàn)磨損、堵塞甚至脫落等問題，嚴重影響油井的正常生產。因此，需要對油嘴進行必要的檢查和更換來保證油井的正常安全生產。由壬是一種快速拆裝接頭，廣泛應用于油氣管道上。目前，固定式節(jié)流閥中油嘴的更換往往是通過人工進行操作，整個過程不僅費時費力、效率較低、易對由壬造成不可修復的損傷，還會使操作工人面臨一定的安全威脅。顧軍清等設計了一種便于更換的油嘴，提高了油嘴更換的便捷性；陳亞洲等設計了一種油嘴可快速帶壓更換的井口固定節(jié)流閥，并提出對應的節(jié)流方法。但上述設備和方法的自動化程度較低，仍高度依賴人工。
 

　　因此，為了解決該問題，本文設計了一種自動化更換油嘴裝置，通過液壓系統(tǒng)進行精確控制定位?？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，利用絲杠傳動和自動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行更換，而后反行程安裝，設計定位銷確保對中性，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)流閥適用于對流量調節(jié)精度要求較低但工況嚴苛的場合。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，再使用工具將其卸下；安裝時先使用工具擰緊由壬，再通過大錘錘擊由壬外耳使其緊固。關于由壬扳手仍然較少，現(xiàn)有產品主要是某些鉆探公司為解決現(xiàn)場問題而制造的一些簡易工具。周軼青等提出一種錘擊由壬動力拆卸和安裝工具，國外也有部分學者設計了扳手，但均未見有產品投入現(xiàn)場應用。
 

　　3   新型自動化更換油嘴裝置關鍵技術
 

　　3.1   新型自動化更換油嘴裝置
 

　　3.1.1   總體設計方案
 

　　新型自動化更換油嘴裝置包括旋轉機構、提升機構、導正機構、支架、液壓系統(tǒng)等，其中旋轉機構用于拆卸固定式節(jié)流閥中的由壬，提升機構用于將油嘴、由壬、旋轉機構等構成的箱體提升至指定高度，導正機構用于在安裝油嘴過程中保證對中性，支架用于固定和保護裝置，液壓系統(tǒng)用于精準的自動化控制。
 

　　新型自動化更換油嘴裝置的工作原理為：利用液壓馬達和蝸輪蝸桿減速器拆卸由壬并減少對由壬的損傷；再利用液壓馬達、絲杠傳動機構、自動取送油嘴機構將固定式節(jié)流閥中的油嘴提升至一定高度，從而進行更換；最后通過導正銷、導向軸、導向插座確保安裝油嘴過程中由壬螺紋的完好配合。整個裝置結構緊湊，自動化程度高，其結構如圖1所示。
 

圖1   自動化更換油嘴裝置
 

　　3.1.2   旋轉機構
 

　　更換油嘴的第一步，即對承載高壓的由壬進行自動化拆卸，需要解決采用錘擊拆裝由壬過程中易導致由壬拆裝效率低和存在安全隱患的問題。考慮到固定式節(jié)流閥在生產現(xiàn)場運行時，其應用空間有一定的局限性，進而對整體裝置的體積有一定的要求。因此，采用液壓馬達提供動力，由壬和固定圈通過螺栓連接，通過軸肩將軸與由壬固定連接，在軸上對稱位置開兩個鍵槽，以傳遞經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，通過軸肩和軸環(huán)進行定位。設計0301機架頂板和底板，內部嵌套軸承，下方軸承2通過軸肩固定，上方軸承1通過軸環(huán)和壓蓋固定，具體軸上零件結構如圖2所示。
 

　　1.壓蓋   2.0301機架頂板   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機架底板   11.由壬
 

　　圖2   軸上零件結構圖
 

　　3.1.3   提升機構
 

　　為了使油嘴自動提起，減少人工操作，本文設計了自動油嘴送取組件。利用L型槽與油嘴接觸，利用螺栓與堵頭固定連接，當堵頭和由壬被提起時，油嘴隨之提起，具體結構如圖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.自動油嘴
 

　　圖3 自動油嘴送取組件結構圖
 

　　將上述旋轉機構利用0301機架封裝成一個箱體，考慮到空間局限性，采用絲杠和滑塊結構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的方式，因絲杠運行速度要求不高且本身運行較平穩(wěn)，其上端通過聯(lián)軸器直接將絲杠與液壓馬達連接，下端通過內含軸承的絲杠固定座與0101機架底板固定?；瑝K一側串在絲杠上，另一側通過導桿與0301機架頂板固定連接，導桿上方通過螺栓固定并對滑塊進行限位，結構如圖4所示。
 

(a)
 

(b)
 

　　1.液壓馬達2   2.聯(lián)軸器   3.聯(lián)軸器固定座   4.0101機架頂板   5.絲杠   6.導向軸   7.導桿   8.絲杠螺母   9.0101機架底板
 

　　(a)提升機構上端   (b)提升機構下端
 

　　圖4   提升機構結構圖
 

　　3.1.4   導正機構
 

　　在安裝由壬的過程中，對由壬螺紋和閥體螺紋配合的要求以免對螺紋造成損壞甚至無法正常安裝，因此需設計導正機構以減少對螺紋的損壞。在由壬中心對稱位置設計了雙導向軸貫穿旋轉機構的箱體，通過導向軸固定座與0101機架的底板和頂板由螺栓進行固定連接。同時，在絲杠的中心對稱位置設計了導正銷，該導正銷固定于0101機架的底板上，通過導向插座與導正銷的配合實現(xiàn)導正功能，且導向插座固定在0301機架的底板上。具體結構如圖5所示。
 

　　1.導正銷   2.導向插座   3.0301箱體   4.導向軸   5.導向軸固定座   6.0301機架底板
 

　　圖5   導正機構結構圖
 

　　3.2   液壓控制方法
 

　　液壓控制具備傳動效率高、結構緊湊、運行平穩(wěn)等優(yōu)勢，因現(xiàn)場的空間局限，對液壓管路的設計在滿足自動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，通過液體介質的靜壓力傳遞能量，使各個液壓元件產生力和運動，將液壓能轉化為機械能，遠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。
 

　　使用電動泵(60 L/min、17.5 MPa)作為主動力源，提供持續(xù)油液供應，將電磁溢流閥設置為19 MPa形成壓力保護，當超過該壓力值時開始泄壓。當電磁換向閥1左側得電時，馬達1開始運行，此時對固定式節(jié)流閥中的由壬進行拆卸。當觸碰到行程開關時，由壬拆卸完畢，電磁換向閥1被切斷，電磁換向閥2左側得電，馬達2開始運行。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)停止運行，待舊油嘴更換完后進行反行程安裝。雙向節(jié)流閥控制系統(tǒng)的運行速度，順時針旋轉速度降低，反之速度增加。系統(tǒng)運行期間，需確保壓力表數(shù)值在安全范圍內。
 

圖6   液壓系統(tǒng)控制原理圖
 

　　4   試驗驗證
 

　　根據(jù)本文所設計的結構和液壓控制系統(tǒng)，加工出樣機，并在廠內進行整機運行試驗。
 

　　啟動裝置如圖7(a)所示，馬達1開始運行，對由壬進行拆卸，0301箱體因由壬螺紋而向上提升。當由壬拆卸完畢，觸發(fā)行程開關后，馬達2開始運行。將0301箱體和蝸桿組件向上提升至指定高度，觸發(fā)行程開關后系統(tǒng)暫停運行，此時油嘴已被提升至適當高度，如圖7(b)所示。在更換后反行程安裝。利用導正銷和導向插座配合，保證對中性，確保由壬螺紋配合完好，油嘴正常安裝。
 

　　試驗證實，該裝置能夠嚴格按照預設程序完成由壬拆卸與油嘴更換的全過程。試驗過程中，裝置啟停及運行平穩(wěn)，無卡滯或沖擊現(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程中速度均勻、定位準確。整個流程自動化程度高，將依賴人工經驗與體力的復雜操作轉變?yōu)榉€(wěn)定、可重復的自動化作業(yè)。
 

(a)
 

(b)
 

　　(a)初始階段   (b)提升階段
 

　　圖7   樣機試驗圖
 

　　5   結語
 

　　本論文通過分析固定式節(jié)流閥油嘴更換原理，設計了一種自動化油嘴更換裝置。在有限空間內，利用蝸輪蝸桿減速器與液壓系統(tǒng)拆卸由壬；利用自動油嘴送取組件，通過液壓系統(tǒng)提供動力，利用絲杠滑塊傳動機構提升油嘴等組件至指定高度，實現(xiàn)油嘴的更換，并采取導正銷來確保安裝時螺紋的對中性。得出的主要結論如下：
 

　　(1)本研究實現(xiàn)了由壬的自動拆卸和油嘴的自動更換，顯著提高了作業(yè)效率，減少了對人工操作的依賴，并降低了生產過程中的安全風險。
 

　　(2)本文設計的裝置有效替代了傳統(tǒng)的人工錘擊拆卸由壬方式，避免了對由壬造成不可逆的物理損傷，延長了由壬的使用壽命。
 

　　(3)整體結構采用模塊化設計，零部件簡單易加工，且設計的結構方案可適應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)場的試驗結果表明，該裝置性能穩(wěn)定，啟停及運行過程平穩(wěn)，液壓控制精確，裝置裝配質量符合標準，設計合理，能夠滿足預定的功能需求。