BK－ZPJ－Ⅱ型開口式井下工具裝配機的研制與應用

張建華，趙 敏，盧亞平

（北京礦冶研究總院，北京100160）①

井下工具的裝配質量影響到油氣井的安全生產［1］。目前，井下工具的裝配依然以人工裝配為主，雖然有擰扣機幫助擰扣，但是鉗口為閉口結構［2－3］以及簡單的擰扣功能制約著井下工具的裝配效率和質量。因此，設計一套機械化、自動化程度高，操作靈活方便且安全可靠的開口式裝配機械，成為提高生產效率、降低工人勞動強度、保證工件裝配質量的主要措施。研制的BK－ZPJ－Ⅱ型開口式井下工具裝配機是以液壓為動力，具有自動對中功能，實現了轉矩、位移、轉速的自動控制。本文介紹了該機的結構、工作原理和液壓控制系統。

1 結構及工作原理

BK－ZPJ－Ⅱ型開口式井下工具裝配機主要由裝配機鉗體機構、液壓系統、自動控制系統、助力機械手等系統組成。鉗體機構由主鉗、背鉗、對中機構、導軌、底座等組成，如圖1。裝配機鉗體采用臥式上開口結構，工件可以直接由鉗口放入，進行裝配、拆卸和取出。助力機械手（未畫出）可以幫助夾持工件。對中機構實現了工件的自動對中。

圖1 BK－ZPJ－Ⅱ型開口式井下工具裝配機鉗體機構

1） 主鉗 為開口顎板式結構，由液壓馬達、變速箱和鉗體組成。裝配機鉗體機構的主鉗由液壓馬達驅動，通過變速箱將速度分為高速和低速兩擋，通過換向開關選擇在夾緊和松開過程中逆時針旋轉或者順時針旋轉，實現對工件的上扣和卸扣功能。該主鉗安裝在導軌上，通過油缸來控制其移動的速度和位移。

2） 背鉗 為開口顎板式結構，由齒條油缸和鉗體組成。能實現夾緊、左右移動和擰扣過程中位移補償功能，背鉗通過油缸控制其移動的速度和位移，達到推送工件功能。

3） 對中機構 考慮到工件在上扣前，如果公扣和母扣不同軸，會出現錯扣的現象，裝配機設計了對中機構，如圖2。通過旋轉手輪、絲桿帶著移動支撐板相向移動，兩V型塊夾緊對中，對中機構保證工件在擰扣前兩工件的軸線對中，其中心線與主鉗、背鉗夾持中心重合。由于安裝有自鎖機構，在將工件夾持對中后，能起到自動自鎖的功能。

圖2 對中機構

4） 自動控制系統 包含有PLC柜，信號傳感器，儀表，計算機等設備，能實現裝配機的轉矩、壓力、位移、故障等信息的收集、反饋與控制。

5） 液壓系統 由液壓泵站、閥臺、儀表等組成，為裝配機提供液壓動力。圖3為液壓系統原理。

圖3 液壓系統原理

裝配工件時，背鉗夾持組合工件的一端，主鉗夾持另一端，主鉗相對于背鉗順時針旋轉，擰扣過程中利用背鉗的位移補償功能，實現擰扣功能，同時對中機構起輔助支撐作用。

拆卸工件時，背鉗夾持組合工件的一端，主鉗夾持另一端，對中機構夾持起輔助支撐作用，主鉗相對于背鉗逆時針旋轉，實現卸扣功能。

2 主要技術參數

適用井下工具直徑 50～160mm

主背鉗夾持（中心）距離 400（270）～1550mm

高速擋額定轉矩 2.9kN·m

低速擋額定轉矩 8.7kN·m

高速擋最高轉速 50r／min

低速擋最高轉速 17r／min

背鉗推移油缸行程 500mm

背鉗軸向最大拉、壓力 10kN

液壓系統額定壓力 12MPa

液壓系統最大供油量 67L／min

鉗體機構外形尺寸5 545mm×800mm×1 200mm

3 主要特點

1） 本裝配機采用臥式裝配工藝。鉗口采用了上開口結構，方便井下工具裝配前的安放和裝配后的取出，輕松、簡便、實用、高效。

2） 鉗體轉矩、鉗體位移可控制，并且可以調節和顯示。

3） 鉗口夾持牙塊采用了微牙痕設計，對工件表面的損傷小。圖4為管鉗裝配的牙痕，對工件表面的破壞比較嚴重。圖5為BK－ZPJ－Ⅱ裝配機產生的微牙痕。

圖4 人工裝配時管鉗產生的痕跡

4） 鉗體和對中機構的移動可以由絲杠和液壓缸實現，主鉗可實現正反旋轉、夾持和移動，背鉗可以實現夾持和移動。主鉗的旋轉轉矩與位移、背鉗的位移和推力都可以實時反饋和調控，并且這些參數都可以預先設定，保證擰扣的轉矩值和螺紋擰扣的行程，既能按照標準轉矩上扣，又能不損壞螺紋扣，大幅提高了裝配效率。對中機構也可以替代鉗體的夾持和對中功能，解決了鉗口松開和移動過程中工件中心傾斜的問題。

圖5 BK－ZPJ－Ⅱ型井下工具裝配機產生的微牙痕

4 應用效果

以Y341－144型裸眼封隔器裝配為例，裝配前，將鉗體機構調至低速擋，在控制柜顯示屏上將液壓系統工作壓力設置為4.4MPa，轉矩顯示為3 000 N·m。如果采用傳統方式，一套工具需2人組裝40 min以上。采用BK－ZPJ－Ⅱ型開口式井下工具裝配機，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。還進行了其他井下工具的裝配，經檢驗，所裝配工具均達到相應規范的要求。

5 結論

1） BK－ZPJ－Ⅱ型井下工具裝配機的結構合理，操作方便，自動化程度高，安全可靠。大幅降低了工人操作強度，提高了井下工具的裝配效率，裝配出來的產品符合相關標準和規范要求。

2） 臥式上開口結構使得井下工具在裝配過程中安放和取出方便。

3） 轉矩、位移、推拉力可調控。微牙痕對井下工具表面的損傷小。

4） 現場使用表明，研制的BK－ZPJ－Ⅱ型井下工具裝配機達到了設計要求。

［1］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［K］.北京：化學工業出版社，2004.

［2］蒲玲霞，馬自江，王海巖，等.連續旋轉大轉矩旋扣機及在檢測中的應用［J］.石油礦場機械.2009，38（7）：80－83.

［3］陳金儀，蘭福全，王 軍，等.TN7－30型接箍擰接機研制與應用［J］.石油礦場機械.2008，37（10）：86－89.