防喷器自动翻转装置研制

防喷器自动翻转装置研制

杨利强

中石化胜利石油工程有限公司管具技术服务中心，山东 东营 257000

摘要：针对现有防喷器维修、运输吊装过程中效率低、劳动强度大安全风险高的问题，研制了一种防喷器维修用自动翻转装置。研制的自动翻转装置机械系统部分主要包括框架、翻转机构、行走小车、小车移动机构、锁定机构等。防喷器安装在行走小车上方，小车移动机构可根据防喷器的规格调整防喷器的初始位置，锁定机构对回转平台进行锁定与解锁。开发的液压控制系统可保证液压缸伸缩缸匀速伸出及缩回，实现防喷器的翻转。研制了翻转装置样机，并进行了现场试验。结果表明：翻转装置能实现最大吨位25吨防喷器的翻转，自动化程度高，安全可靠，提高了防喷器翻转效率，减轻了工人劳动强度，满足预期目标与要求。

关键词：防喷器维修;自动翻转;模拟仿真;液控系统

防喷器作为井控装置的核心组件与防止井喷失控的重要工具，是保障油气开采过程中人员和设备安全，实施井控技术的重要技术装备，其工作性能对钻井的安全生产具有重要影响。本文针对防喷器在实际维修过程中存在的问题，提出了防喷器自动翻转装置的设计方案，完成了防喷器自动翻转装置的研制，进行了多次室内测试，验证了装置的各项工作性能。研制的自动翻转装置可完全代替现有的人工翻转方式，实现各种规格与序列的防喷器维修过程中的自动翻转，显著提高了防喷器闸板与密封件的更换与维修效率，降低了工人劳动强度，确保了防喷器的维修质量，对提升我国防喷器维修自动化水平具有重要意义。

1 总设计方案

1.1 功能及设计要求

研制防喷器自动翻转装置（后续简称翻转装置）的目的在于提高翻转的效率、自动化程度与安全性，能代替现有人工操作实现防喷器维修过程中的自动翻转。据此提出的翻转装置设计功能如下：

（1）不同型号防喷器体积与占地面积相差较大，不同型号防喷器的初始安装位置不同，翻转装置应具备根据防喷器型号调整初始安装位置的功能。

（2）防喷器重量较大，为避免防喷器翻转过程中出现由于速度变化导致的冲击问题，防止冲击过大影响零部件的使用寿命及设备安全性，翻转装置应具备翻转过程平稳的功能。

（3）防喷器型号规格众多，不同型号防喷器重量相差悬殊，常用的35型、70型防喷器重量范围为6~25吨，翻转装置应具备最大重量25吨举升与翻转的功能。

1.2 整体结构组成

翻转装置整体结构组成如图1所示，其主要包括框架、翻转机构、小车移动机构、行走小车、锁定机构等。翻转机构主要由回转平台与三级液压缸组成，两个回转平台与液压缸分列于框架两侧，回转平台与框架上部横梁相连，液压缸伸缩杆与平台底部相连，液压缸缸筒与框架下部支撑横梁相连，上述三处连接方式均为销轴连接。两个回转平台靠近销轴旋转部位安装锁定机构，右侧回转平台上方固定安装小车移动机构与行走小车。框架为防喷器翻转提供支撑，行走小车用以安装固定不同型号防喷器，小车移动机构主要由滚珠丝杠组成，可驱动小车往复运动。调整不同型号防喷器至合适的翻转位置，锁定机构用以将左、右回转平台相对位置锁定，实现两侧回转平台在防喷器翻转过程中同步运动。

1.4 工作过程

翻转过程如图2所示，分为以下6步：①将防喷器固定在小车中心位置；②启动左侧液压缸，推动左侧回转平台旋转至竖直位置，然后锁定机构将两个回转平台的相对位置锁定；③启动小车移动机构推动小车向左移动，直至防喷器与右侧回转平台贴紧；④左右两侧的液压缸通过液控系统协同工作，使两个回转平台同步旋转；⑤两个回转平台同步旋转直至防喷器水平，锁定机构解锁；⑥右侧回转平台回转至初始位置，完成整个防喷器翻转工序。

2 结构设计及分析计算

2.1 结构设计

2.1.1 框架

框架结构如图3所示，主要由缸筒销轴座、支撑横梁、回转平台销轴座以及弹簧等组成。框架整体为对称结构，采用焊接的方法进行加工制造，下部两侧各焊接一个支撑横梁，支撑横梁上部各安装一个缸筒销轴座，用以液压缸缸筒的安装固定。框架上部前后方向各焊接一个回转平台销轴座，用以回转平台的安装固定，回转平台绕销轴旋转。框架左右两端装有缓冲作用的弹簧，可减小防喷器安装拆卸时对框架的冲击。

2.1.2 翻转机构

翻转机构左、右回转平台结构基本相同，回转平台主要由平台、锁定轴座、铰链铰件、移动导轨、液压缸连接板以及耳座等组成。整体采用焊接加工而成，平台上部焊接有锁定机构的锁定轴座，下部焊接有铰链铰件与液压缸连接板，连接板上安装有耳座，与液压缸伸缩杆通过销轴连接，在伸缩杆推动作用下带动回转平台转动。当两个平台成90°时，右侧回转平台上的锁定轴由液压缸推动伸入左侧回转平台上的锁定轴座内，此时两个平台的相对位置被锁定。

2.1.3 小车移动机构

小车移动机构主要由电机、电机座、联轴器、滚珠丝杠等组成。电机通过电机座固定在小车面板上，设计时考虑到不同零部件安装的同轴度要求，在电机与丝杠之间设计有联轴器，降低了零部件同轴度的安装要求。电机旋转时，带动滚珠丝杠的丝母沿丝杠移动，丝母带动小车以及其上安装的防喷器移动，实现了翻转装置根据防喷器型号调整初始安装位置的功能。

2.1.4 行走小车

行走小车主要由面板、滚轮总成、缓冲总成、缓冲垫板以及缓冲垫等组成。行走小车机构四角安装有滚轮，滚轮内部安装有轴承，通过销轴安装在面板上；面板下部中间位置安装有缓冲总成，小车移动机构上的丝母与缓冲总成的连接板相连，丝母在滚珠丝杠的驱动作用下，通过缓冲总成带动行走小车往复移动。缓冲总成由支座、弹簧和连接板组成，缓冲总成的弹簧使小车移动机构与行走小车之间的连接为柔性连接，可减小小车移动过程中对丝杠的冲击。面板前端的缓冲垫板上设计有两个缓冲垫，缓冲垫可减小小车与平台接触时撞击对零件的影响，缓冲垫板设计有T型开口，与小车的T型轨道配合，对小车起到限位作用。

2.1.5 锁定机构

锁定机构由锁定轴座、锁定液压缸以及锁定轴组成，防喷器翻转过程中，当左侧回转平台旋转至竖直位置时，左右两个回转平台间的夹角成90°，左、右回转平台上的两个锁定轴座的锁定孔同轴，液压缸启动带动锁定轴伸入锁定轴座的锁定孔内实现两个回转平台的锁定；当防喷器由右侧回转平台转移至左侧回转平台后，液压缸带动锁定轴缩回，锁定机构解除锁定，两侧平台复位展平。

2.2 受力分析及计算

防喷器重量巨大，翻转过程中液压缸输出的推力克服防喷器的重力做功，三处销轴均属于承载较大的零部件，其强度对翻转装置的可靠性与安全性具有重要影响。原则上仅需对销轴进行静力强度校核，但防喷器重心绕旋转中心做圆周运动，翻转过程中存在由速度变化引起的动力冲击。本节分别对销轴进行了静力与动力分析计算，若两者相差较小，则以静力分析结果为强度校核依据；反之，以动力学分析结果为强度校核依据。

3现场应用情况

开展了样机试制与室内试验。试验内容及结果见表2，室内试验如图12所示。试验内容包括左、右两侧回转平台的翻转、锁定机构的锁定及液压缸举升功能的测试，两平台联动测试、负载测试以及测试后装置检查。试验结果表明，实现了翻转装置最大重量25吨举升与翻转的功能。

4结论及建议

(1)针对现有防喷器维修过程中效率低、劳动强度大、安全风险高等问题，提出了防喷器维修自动翻转技术，研制了防喷器维修用自动翻转装置。该装置采用液压控制方式，实现了翻转过程中两回转平台的同步运动，具备25吨以下防喷器自动翻转的功能。

(2)获得了翻转过程中装置三处销轴受力随时间与防喷器位置的变化规律，回转平台与框架上部横梁相连处的销轴与液压缸伸缩杆与平台底部相连处的销轴动力仿真分析所得受力最大值分别为294145 N 与419647N，可为后续强度校核提供数据。

(3)开展了室内试验，对装置的翻转、锁定及举升功能进行了动作与功能试验，并开展了两平台联动与负载测试。试验结果表明，自动翻转装置翻转效率高，操作方法方便快捷，满足现场应用要求。

参考文献：

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[2]陈浩，何航宇，敬佳佳，等.剪切闸板防喷器剪切性能评价[J].科学技术与工程，2022，22(07):2682-2688.