膠皮自動(dòng)壓裝機(jī)的研制

(蘭州長(zhǎng)青石油機(jī)械廠 甘肅 蘭州 730050)

引言

壓裂泵是國(guó)內(nèi)石油增產(chǎn)作業(yè)中非常重要的設(shè)備之一，其作用是：通過柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，順序開啟和關(guān)閉液力端內(nèi)部的上下兩個(gè)閥體總成(閥體又稱凡爾體或凡爾)，將混砂車輸送的低壓液體加壓后，泵入井下地層，使地層產(chǎn)生裂縫或擴(kuò)大原有裂縫，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)或降低開采難度的目的[1]。閥體總成是壓裂泵內(nèi)非常重要的流體元件。

壓裂時(shí)，閥體總成會(huì)以每分鐘120次左右的頻率對(duì)閥座產(chǎn)生沖擊，沖擊瞬間，閥體總成要承受0～1000KN的壓力變化，此外，還要承受壓裂支撐劑對(duì)結(jié)合面的磨損和壓裂液的腐蝕，工況極其惡劣，損耗較快，屬于易損、消耗品，需求量很大。

目前常見的閥體總成是由閥體和膠皮裝配組成的，裝配時(shí)需要使用工裝，包括一個(gè)滑錐和一個(gè)外套。首先把滑錐套在閥體上，其次把膠皮套在滑錐上，然后把外套壓在滑錐上，再依靠外力P將膠皮沿滑錐撐開，并壓至閥體對(duì)應(yīng)位置，之后取下外套和滑錐，完成裝配。常見裝配方式見圖1。

圖1 常見裝配示意圖

1— 閥體；2—滑錐；3—膠皮；4—外套；5—裝配好的閥體總成

因閥體與膠皮之間過盈量很大，需要較大的力量才能將膠皮撐開并裝配在一起。目前常用的裝配方法有兩種，一是人力裝配，用重物敲擊外套，缺點(diǎn)是效率很低，人工成本高，一個(gè)人一小時(shí)可裝配120套左右，只適合小批量的裝配。另一種是使用普通壓力機(jī)[2]，雖然省力，但還是全靠人力來完成放閥體、套滑錐、套膠皮、下壓裝配、取滑錐及取閥體等全部工作，裝配時(shí)間沒有明顯縮短，而且還有被壓力機(jī)壓傷肢體的風(fēng)險(xiǎn)。

客戶采購(gòu)閥體總成時(shí)，數(shù)量動(dòng)輒數(shù)以千計(jì)，如依靠常規(guī)方式裝配，工作量將是非常巨大的，成本很高。

在此背景下，我廠探索研制出一種可以自動(dòng)連續(xù)裝配閥體總成的設(shè)備——膠皮自動(dòng)壓裝機(jī)。

一、技術(shù)分析

膠皮自動(dòng)壓裝機(jī)要求一人操作，能實(shí)現(xiàn)閥體與膠皮的自動(dòng)連續(xù)裝配，且要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，每小時(shí)裝配速度要大于260套。

設(shè)計(jì)人員經(jīng)過分析、論證，決定仍然以人工裝配時(shí)的工裝作為基礎(chǔ)，加以改造；選用壓縮氣體作為動(dòng)力源，220V交流電作為電源，使用51單片機(jī)系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，控制其它機(jī)、電、氣等機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配之要求。

壓裝機(jī)研制過程中遇到的最大的難點(diǎn)是：如何將滑錐、膠皮及閥體有序地套在一起？經(jīng)過多次探索后發(fā)現(xiàn)，如果在外套內(nèi)設(shè)置一個(gè)電磁鐵，將套有膠皮的滑錐頂起并吸附在外套內(nèi)，讓開空間，以便閥體移動(dòng)至滑錐下方，后將滑錐套在閥體上，即可巧妙地解決此問題。

二、主要結(jié)構(gòu)

壓裝機(jī)由平臺(tái)、電氣控制系統(tǒng)、閥體上料滑槽、推閥體氣缸、下料斜盤、推膠皮氣缸、下氣缸、底座、裝配組件(包括內(nèi)錐和外套)、壓氣缸及膠皮筒等組成。

平臺(tái)上的一端固定有底座，底座是實(shí)現(xiàn)閥體總成裝配的核心載體，幾乎所有部件都圍繞在底座周圍。

底座左側(cè)是傾斜放置的閥體上料滑槽，上料滑槽呈Y形，上端是兩條平行的滑槽，用以存放待裝配的閥體，滑槽中段有兩個(gè)氣缸控制的撥叉，存放的閥體被撥叉上端頂住；撥叉氣缸每縮回、伸出一次，就釋放出一個(gè)閥體；兩條滑槽在末端匯合成一條滑槽，并與底座相聯(lián)。

上料滑槽末端下方有推閥體氣缸，氣缸上設(shè)置有兩個(gè)磁性開關(guān)，其功能是控制氣缸將閥體推至底座裝配工作位，以及將裝配好的閥體總成推至下料斜盤。

底座是一個(gè)四方體，中間有大孔，大孔下方固定有下氣缸，下氣缸活塞桿可從大孔穿出；大孔上端有淺坑，滑錐裝配前就放置在淺坑內(nèi)，滑錐上方是固定在壓氣缸活塞桿上的外套，外套內(nèi)放置有一個(gè)電磁鐵，用以吸附滑錐。壓氣缸是膠皮壓裝時(shí)的主施力元件，缸徑100mm。

在底座后面，并且與滑錐上平面平齊的一平板上有膠皮筒，平板與膠皮筒下口的距離略比膠皮厚度大一點(diǎn)，膠皮按統(tǒng)一的方向整齊地存放在膠皮筒內(nèi)，最下面的膠皮落在平板上；膠皮筒下方后側(cè)有推膠皮氣缸，推膠皮氣缸伸出時(shí)，把最下面的一個(gè)膠皮推出，返回時(shí)，上面的膠皮下落在平板上，補(bǔ)充之前膠皮的位置，依次循環(huán)。

底座右側(cè)是下料斜盤，用以承接裝配好的閥體總成。

主要結(jié)構(gòu)詳見圖2、圖3。

圖2 壓裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 閥體上料滑槽與底座示意圖

1—平臺(tái)；2—電氣控制箱；3—閥體上料滑槽；4—撥叉；5—推閥體氣缸；6—下料斜盤；7—推膠皮氣缸；8—下氣缸；9—底座；10—裝配組件；11—壓氣缸；12—膠皮筒；

A—上料滑槽上待裝配的閥體；B—已裝配好的閥體總成；C—膠皮筒內(nèi)待裝配的膠皮

另外還設(shè)置有閥體缺料檢測(cè)、膠皮缺料檢測(cè)及裝配位高低檢測(cè)等多個(gè)傳感器，種類有電感式傳感器、紅外對(duì)射傳感器和磁性開關(guān)傳感器等，用來檢測(cè)物料是否有缺失以及裝配是否到位等，如有異常，電氣系統(tǒng)會(huì)停止動(dòng)作，并報(bào)警。

三、裝配過程

裝配前，閥體上料滑槽放置待裝的閥體，膠皮筒內(nèi)按順序裝好膠皮，滑錐放置在底座淺坑內(nèi)(工作位)。

啟動(dòng)時(shí)按啟動(dòng)按鈕，電氣系統(tǒng)先檢查閥體、膠皮是否有缺料，以及滑錐是否在工作位，否則系統(tǒng)報(bào)警，如正常，推膠皮氣缸先將膠皮筒內(nèi)最下面的一個(gè)膠皮推出，套在滑錐上，并返回原位，之后下氣缸將滑錐及上面的膠皮頂起，膠皮率先接觸外套下沿，隨著下氣缸繼續(xù)頂起，膠皮撐大并移動(dòng)到滑錐下邊，此時(shí)外套里面的電磁鐵得電，吸住滑錐，下氣缸返回原位。

之后閥體上料滑槽上的一個(gè)撥叉氣缸動(dòng)作，釋放出一個(gè)閥體，閥體沿滑槽下滑到接近工作位的地方，觸發(fā)檢測(cè)裝配低位的紅外對(duì)射傳感器，推閥體氣缸伸出，將閥體推至工作位，之后壓氣缸帶著吸有滑錐及膠皮的外套向下伸出，滑錐下沿先頂?shù)介y體，外套繼續(xù)推著膠皮沿滑錐下移，將膠皮裝配在閥體上。

然后外套帶著滑錐返回，觸發(fā)檢測(cè)裝配高位的紅外對(duì)射傳感器，此時(shí)推閥體氣缸伸出，將裝配好的閥體總成推出工作位至下料斜盤，并返回，之后下氣缸伸出，外套內(nèi)的電磁鐵斷電，滑錐落在下氣缸的活塞桿頭部，下氣缸返回，滑錐回落在工作位，完成一次裝配，等待下一個(gè)循環(huán)。

平均一個(gè)裝配周期約7秒左右，如果氣源壓力和氣量充足，裝配周期最短可到6秒。

四、設(shè)備特點(diǎn)

1、閥體上料滑槽和下料斜盤采用斜面結(jié)構(gòu)，利用閥體的重量，使其自然下滑至相應(yīng)位置，無需額外動(dòng)力。

2、閥體上料滑槽采用雙滑槽結(jié)構(gòu)，可放置更多數(shù)量的閥體。

3、外套內(nèi)放置的電磁鐵，使滑錐可以精確地上下移位，解決了膠皮、滑錐及閥體之間位置相互轉(zhuǎn)換的問題。

4、控制單元采用51單片機(jī)，使用C語言編程，可靈活調(diào)整各執(zhí)行元件動(dòng)作順序及間隔時(shí)間，優(yōu)化裝配過程。51單片機(jī)價(jià)格低廉，輸入輸出口較多，方便接入更多的外接元件。

5、系統(tǒng)中設(shè)置有多個(gè)傳感器，對(duì)物料及裝配過程進(jìn)行全程檢測(cè)，如有異常，電氣系統(tǒng)會(huì)停止動(dòng)作，并報(bào)警，確保正確裝配。另外在電氣箱頂部設(shè)置有急停按鈕，可隨時(shí)手動(dòng)停止裝配。

6、使用壓力為0.8MPa的壓縮氣體作為動(dòng)力源，動(dòng)力干凈無污染、易得，易于各處布置。

7、此設(shè)備每小時(shí)可裝配500-600套閥體總成，且可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)，效率是單個(gè)人工的4-6倍。

五、遇到的問題

壓裝機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)在調(diào)試初期遇到較多信號(hào)干擾，裝配過程中常常出現(xiàn)程序錯(cuò)亂的情況，經(jīng)分析后，依次采取以下措施：在程序中增加互鎖程序段、用固態(tài)繼電器代替電磁繼電器、增加了濾波元件、變更普通信號(hào)電纜為屏蔽電纜等，現(xiàn)在再無程序故障出現(xiàn)。在后期的改進(jìn)中，可以考慮將單片機(jī)系統(tǒng)換成PLC系統(tǒng)，使其運(yùn)行更穩(wěn)定、電路更簡(jiǎn)單。

結(jié)論

此設(shè)備實(shí)現(xiàn)了閥體總成的自動(dòng)化裝配，設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、裝配效率高，節(jié)約工時(shí)，有效降低成本，特別適合閥體總成生產(chǎn)量較多的廠家。

此設(shè)備已于2018年2月18日獲得實(shí)用新型專利授權(quán),專利號(hào)：ZL 2018 2 0232818.X，專利名稱：一種自動(dòng)連續(xù)壓裝閥膠皮的裝置。