固定式节流阀的自动化更换油嘴装置及其控制方法

　　摘要：固定式节流阀作为节流控制的关键装置，更换其油嘴需要对由壬进行拆卸，属于高劳动强度且具有危险性的作业，且传统拆卸方式易对由壬造成损伤。本文设计了一种新型自动化更换油嘴装置，该装置包括自动化拆装由壬机构、自动化抬升油嘴机构、液压控制回路三部分。采用液压驱动，通过蜗轮蜗杆减速器、丝杠传动和自动取油嘴支架，完成由壬的自动化拆卸和油嘴的自动化提升；设计定位销确保自动化安装时的对中度，保证安装完好。加工样机经试验表明，相对于人工拆装，此设备更换油嘴的时间更短，安装油嘴时更加平稳紧固，作业时对由壬无损伤，提高了自动化程度，并保障了操作人员的安全。
 

　　关键词： 油嘴更换；由壬拆卸；节流阀；液压控制；蜗轮蜗杆
 

　　1   概述
 

　　固定式节流阀是高压气井测试生产过程中至关重要的设备，通过更换不同直径的油嘴控制产量。然而，油嘴在长期使用过程中，易出现磨损、堵塞甚至脱落等问题，严重影响油井的正常生产。因此，需要对油嘴进行必要的检查和更换来保证油井的正常安全生产。由壬是一种快速拆装接头，广泛应用于油气管道上。目前，固定式节流阀中油嘴的更换往往是通过人工进行操作，整个过程不仅费时费力、效率较低、易对由壬造成不可修复的损伤，还会使操作工人面临一定的安全威胁。顾军清等设计了一种便于更换的油嘴，提高了油嘴更换的便捷性；陈亚洲等设计了一种油嘴可快速带压更换的井口固定节流阀，并提出对应的节流方法。但上述设备和方法的自动化程度较低，仍高度依赖人工。
 

　　因此，为了解决该问题，本文设计了一种自动化更换油嘴装置，通过液压系统进行精确控制定位。考虑到工作空间的局限性，选择蜗轮蜗杆减速器放大扭矩旋松节流阀中的由壬，利用丝杠传动和自动油嘴送取组件将拆卸后的由壬以及油嘴组件抬升至一定高度进行更换，而后反行程安装，设计定位销确保对中性，有效避免了由壬螺纹的损伤，大大减少了人工操作，提高了工作效率。
 

　　2   常用的更换油嘴方法
 

　　固定式节流阀适用于对流量调节精度要求较低但工况严苛的场合。目前常见的传统拆装方式是使用大锤锤击由壬外耳，让其松动，再使用工具将其卸下；安装时先使用工具拧紧由壬，再通过大锤锤击由壬外耳使其紧固。关于由壬扳手仍然较少，现有产品主要是某些钻探公司为解决现场问题而制造的一些简易工具。周轶青等提出一种锤击由壬动力拆卸和安装工具，国外也有部分学者设计了扳手，但均未见有产品投入现场应用。
 

　　3   新型自动化更换油嘴装置关键技术
 

　　3.1   新型自动化更换油嘴装置
 

　　3.1.1   总体设计方案
 

　　新型自动化更换油嘴装置包括旋转机构、提升机构、导正机构、支架、液压系统等，其中旋转机构用于拆卸固定式节流阀中的由壬，提升机构用于将油嘴、由壬、旋转机构等构成的箱体提升至指定高度，导正机构用于在安装油嘴过程中保证对中性，支架用于固定和保护装置，液压系统用于精准的自动化控制。
 

　　新型自动化更换油嘴装置的工作原理为：利用液压马达和蜗轮蜗杆减速器拆卸由壬并减少对由壬的损伤；再利用液压马达、丝杠传动机构、自动取送油嘴机构将固定式节流阀中的油嘴提升至一定高度，从而进行更换；最后通过导正销、导向轴、导向插座确保安装油嘴过程中由壬螺纹的完好配合。整个装置结构紧凑，自动化程度高，其结构如图1所示。
 

图1   自动化更换油嘴装置
 

　　3.1.2   旋转机构
 

　　更换油嘴的第一步，即对承载高压的由壬进行自动化拆卸，需要解决采用锤击拆装由壬过程中易导致由壬拆装效率低和存在安全隐患的问题。考虑到固定式节流阀在生产现场运行时，其应用空间有一定的局限性，进而对整体装置的体积有一定的要求。因此，采用液压马达提供动力，由壬和固定圈通过螺栓连接，通过轴肩将轴与由壬固定连接，在轴上对称位置开两个键槽，以传递经蜗轮蜗杆减速器放大的扭矩，从而旋松由壬。蜗轮放置在轴上，通过轴肩和轴环进行定位。设计0301机架顶板和底板，内部嵌套轴承，下方轴承2通过轴肩固定，上方轴承1通过轴环和压盖固定，具体轴上零件结构如图2所示。
 

　　1.压盖   2.0301机架顶板   3.轴承1   4.轴环   5.轴   6.蜗轮 7.键   8.固定圈   9.轴承2   10.0301机架底板   11.由壬
 

　　图2   轴上零件结构图
 

　　3.1.3   提升机构
 

　　为了使油嘴自动提起，减少人工操作，本文设计了自动油嘴送取组件。利用L型槽与油嘴接触，利用螺栓与堵头固定连接，当堵头和由壬被提起时，油嘴随之提起，具体结构如图3所示。
 

　　1.由壬   2.堵头   3.阀体   4.填料   5.油嘴支架   6.T型油嘴衬套 7.自动油嘴
 

　　图3 自动油嘴送取组件结构图
 

　　将上述旋转机构利用0301机架封装成一个箱体，考虑到空间局限性，采用丝杠和滑块结构提升箱体和固定连接的油嘴组件。丝杠采取两端固定滑块浮动的方式，因丝杠运行速度要求不高且本身运行较平稳，其上端通过联轴器直接将丝杠与液压马达连接，下端通过内含轴承的丝杠固定座与0101机架底板固定。滑块一侧串在丝杠上，另一侧通过导杆与0301机架顶板固定连接，导杆上方通过螺栓固定并对滑块进行限位，结构如图4所示。
 

(a)
 

(b)
 

　　1.液压马达2   2.联轴器   3.联轴器固定座   4.0101机架顶板   5.丝杠   6.导向轴   7.导杆   8.丝杠螺母   9.0101机架底板
 

　　(a)提升机构上端   (b)提升机构下端
 

　　图4   提升机构结构图
 

　　3.1.4   导正机构
 

　　在安装由壬的过程中，对由壬螺纹和阀体螺纹配合的要求以免对螺纹造成损坏甚至无法正常安装，因此需设计导正机构以减少对螺纹的损坏。在由壬中心对称位置设计了双导向轴贯穿旋转机构的箱体，通过导向轴固定座与0101机架的底板和顶板由螺栓进行固定连接。同时，在丝杠的中心对称位置设计了导正销，该导正销固定于0101机架的底板上，通过导向插座与导正销的配合实现导正功能，且导向插座固定在0301机架的底板上。具体结构如图5所示。
 

　　1.导正销   2.导向插座   3.0301箱体   4.导向轴   5.导向轴固定座   6.0301机架底板
 

　　图5   导正机构结构图
 

　　3.2   液压控制方法
 

　　液压控制具备传动效率高、结构紧凑、运行平稳等优势，因现场的空间局限，对液压管路的设计在满足自动化更换油嘴装置基本功能的前提下，必须要考虑空间和布局合理性。利用压力的传递性，通过液体介质的静压力传递能量，使各个液压元件产生力和运动，将液压能转化为机械能，远程控制装置的启停和反行程安装，其具体的液压控制原理如图6所示。
 

　　使用电动泵(60 L/min、17.5 MPa)作为主动力源，提供持续油液供应，将电磁溢流阀设置为19 MPa形成压力保护，当超过该压力值时开始泄压。当电磁换向阀1左侧得电时，马达1开始运行，此时对固定式节流阀中的由壬进行拆卸。当触碰到行程开关时，由壬拆卸完毕，电磁换向阀1被切断，电磁换向阀2左侧得电，马达2开始运行。将拆卸的由壬以及堵头油嘴等组件向上提起至指定位置后，电磁换向阀2断电，系统停止运行，待旧油嘴更换完后进行反行程安装。双向节流阀控制系统的运行速度，顺时针旋转速度降低，反之速度增加。系统运行期间，需确保压力表数值在安全范围内。
 

图6   液压系统控制原理图
 

　　4   试验验证
 

　　根据本文所设计的结构和液压控制系统，加工出样机，并在厂内进行整机运行试验。
 

　　启动装置如图7(a)所示，马达1开始运行，对由壬进行拆卸，0301箱体因由壬螺纹而向上提升。当由壬拆卸完毕，触发行程开关后，马达2开始运行。将0301箱体和蜗杆组件向上提升至指定高度，触发行程开关后系统暂停运行，此时油嘴已被提升至适当高度，如图7(b)所示。在更换后反行程安装。利用导正销和导向插座配合，保证对中性，确保由壬螺纹配合完好，油嘴正常安装。
 

　　试验证实，该装置能够严格按照预设程序完成由壬拆卸与油嘴更换的全过程。试验过程中，装置启停及运行平稳，无卡滞或冲击现象。液压系统控制精确，确保了0301箱体及蜗杆组件在提升过程中速度均匀、定位准确。整个流程自动化程度高，将依赖人工经验与体力的复杂操作转变为稳定、可重复的自动化作业。
 

(a)
 

(b)
 

　　(a)初始阶段   (b)提升阶段
 

　　图7   样机试验图
 

　　5   结语
 

　　本论文通过分析固定式节流阀油嘴更换原理，设计了一种自动化油嘴更换装置。在有限空间内，利用蜗轮蜗杆减速器与液压系统拆卸由壬；利用自动油嘴送取组件，通过液压系统提供动力，利用丝杠滑块传动机构提升油嘴等组件至指定高度，实现油嘴的更换，并采取导正销来确保安装时螺纹的对中性。得出的主要结论如下：
 

　　(1)本研究实现了由壬的自动拆卸和油嘴的自动更换，显著提高了作业效率，减少了对人工操作的依赖，并降低了生产过程中的安全风险。
 

　　(2)本文设计的装置有效替代了传统的人工锤击拆卸由壬方式，避免了对由壬造成不可逆的物理损伤，延长了由壬的使用寿命。
 

　　(3)整体结构采用模块化设计，零部件简单易加工，且设计的结构方案可适应多种不同压力载荷的固定式节流阀，具有一定的通用性和可靠性。
 

　　(4)油田现场的试验结果表明，该装置性能稳定，启停及运行过程平稳，液压控制精确，装置装配质量符合标准，设计合理，能够满足预定的功能需求。