胶皮自动压装机的研制

(兰州长青石油机械厂 甘肃 兰州 730050)

引言

压裂泵是国内石油增产作业中非常重要的设备之一，其作用是：通过柱塞往复运动，顺序开启和关闭液力端内部的上下两个阀体总成(阀体又称凡尔体或凡尔)，将混砂车输送的低压液体加压后，泵入井下地层，使地层产生裂缝或扩大原有裂缝，实现增产或降低开采难度的目的[1]。阀体总成是压裂泵内非常重要的流体元件。

压裂时，阀体总成会以每分钟120次左右的频率对阀座产生冲击，冲击瞬间，阀体总成要承受0～1000KN的压力变化，此外，还要承受压裂支撑剂对结合面的磨损和压裂液的腐蚀，工况极其恶劣，损耗较快，属于易损、消耗品，需求量很大。

目前常见的阀体总成是由阀体和胶皮装配组成的，装配时需要使用工装，包括一个滑锥和一个外套。首先把滑锥套在阀体上，其次把胶皮套在滑锥上，然后把外套压在滑锥上，再依靠外力P将胶皮沿滑锥撑开，并压至阀体对应位置，之后取下外套和滑锥，完成装配。常见装配方式见图1。

图1 常见装配示意图

1— 阀体；2—滑锥；3—胶皮；4—外套；5—装配好的阀体总成

因阀体与胶皮之间过盈量很大，需要较大的力量才能将胶皮撑开并装配在一起。目前常用的装配方法有两种，一是人力装配，用重物敲击外套，缺点是效率很低，人工成本高，一个人一小时可装配120套左右，只适合小批量的装配。另一种是使用普通压力机[2]，虽然省力，但还是全靠人力来完成放阀体、套滑锥、套胶皮、下压装配、取滑锥及取阀体等全部工作，装配时间没有明显缩短，而且还有被压力机压伤肢体的风险。

客户采购阀体总成时，数量动辄数以千计，如依靠常规方式装配，工作量将是非常巨大的，成本很高。

在此背景下，我厂探索研制出一种可以自动连续装配阀体总成的设备——胶皮自动压装机。

一、技术分析

胶皮自动压装机要求一人操作，能实现阀体与胶皮的自动连续装配，且要求结构简单、运行稳定、安全可靠，每小时装配速度要大于260套。

设计人员经过分析、论证，决定仍然以人工装配时的工装作为基础，加以改造；选用压缩气体作为动力源，220V交流电作为电源，使用51单片机系统作为控制系统，控制其它机、电、气等机构，以实现自动装配之要求。

压装机研制过程中遇到的最大的难点是：如何将滑锥、胶皮及阀体有序地套在一起？经过多次探索后发现，如果在外套内设置一个电磁铁，将套有胶皮的滑锥顶起并吸附在外套内，让开空间，以便阀体移动至滑锥下方，后将滑锥套在阀体上，即可巧妙地解决此问题。

二、主要结构

压装机由平台、电气控制系统、阀体上料滑槽、推阀体气缸、下料斜盘、推胶皮气缸、下气缸、底座、装配组件(包括内锥和外套)、压气缸及胶皮筒等组成。

平台上的一端固定有底座，底座是实现阀体总成装配的核心载体，几乎所有部件都围绕在底座周围。

底座左侧是倾斜放置的阀体上料滑槽，上料滑槽呈Y形，上端是两条平行的滑槽，用以存放待装配的阀体，滑槽中段有两个气缸控制的拨叉，存放的阀体被拨叉上端顶住；拨叉气缸每缩回、伸出一次，就释放出一个阀体；两条滑槽在末端汇合成一条滑槽，并与底座相联。

上料滑槽末端下方有推阀体气缸，气缸上设置有两个磁性开关，其功能是控制气缸将阀体推至底座装配工作位，以及将装配好的阀体总成推至下料斜盘。

底座是一个四方体，中间有大孔，大孔下方固定有下气缸，下气缸活塞杆可从大孔穿出；大孔上端有浅坑，滑锥装配前就放置在浅坑内，滑锥上方是固定在压气缸活塞杆上的外套，外套内放置有一个电磁铁，用以吸附滑锥。压气缸是胶皮压装时的主施力元件，缸径100mm。

在底座后面，并且与滑锥上平面平齐的一平板上有胶皮筒，平板与胶皮筒下口的距离略比胶皮厚度大一点，胶皮按统一的方向整齐地存放在胶皮筒内，最下面的胶皮落在平板上；胶皮筒下方后侧有推胶皮气缸，推胶皮气缸伸出时，把最下面的一个胶皮推出，返回时，上面的胶皮下落在平板上，补充之前胶皮的位置，依次循环。

底座右侧是下料斜盘，用以承接装配好的阀体总成。

主要结构详见图2、图3。

图2 压装机结构示意图

图3 阀体上料滑槽与底座示意图

1—平台；2—电气控制箱；3—阀体上料滑槽；4—拨叉；5—推阀体气缸；6—下料斜盘；7—推胶皮气缸；8—下气缸；9—底座；10—装配组件；11—压气缸；12—胶皮筒；

A—上料滑槽上待装配的阀体；B—已装配好的阀体总成；C—胶皮筒内待装配的胶皮

另外还设置有阀体缺料检测、胶皮缺料检测及装配位高低检测等多个传感器，种类有电感式传感器、红外对射传感器和磁性开关传感器等，用来检测物料是否有缺失以及装配是否到位等，如有异常，电气系统会停止动作，并报警。

三、装配过程

装配前，阀体上料滑槽放置待装的阀体，胶皮筒内按顺序装好胶皮，滑锥放置在底座浅坑内(工作位)。

启动时按启动按钮，电气系统先检查阀体、胶皮是否有缺料，以及滑锥是否在工作位，否则系统报警，如正常，推胶皮气缸先将胶皮筒内最下面的一个胶皮推出，套在滑锥上，并返回原位，之后下气缸将滑锥及上面的胶皮顶起，胶皮率先接触外套下沿，随着下气缸继续顶起，胶皮撑大并移动到滑锥下边，此时外套里面的电磁铁得电，吸住滑锥，下气缸返回原位。

之后阀体上料滑槽上的一个拨叉气缸动作，释放出一个阀体，阀体沿滑槽下滑到接近工作位的地方，触发检测装配低位的红外对射传感器，推阀体气缸伸出，将阀体推至工作位，之后压气缸带着吸有滑锥及胶皮的外套向下伸出，滑锥下沿先顶到阀体，外套继续推着胶皮沿滑锥下移，将胶皮装配在阀体上。

然后外套带着滑锥返回，触发检测装配高位的红外对射传感器，此时推阀体气缸伸出，将装配好的阀体总成推出工作位至下料斜盘，并返回，之后下气缸伸出，外套内的电磁铁断电，滑锥落在下气缸的活塞杆头部，下气缸返回，滑锥回落在工作位，完成一次装配，等待下一个循环。

平均一个装配周期约7秒左右，如果气源压力和气量充足，装配周期最短可到6秒。

四、设备特点

1、阀体上料滑槽和下料斜盘采用斜面结构，利用阀体的重量，使其自然下滑至相应位置，无需额外动力。

2、阀体上料滑槽采用双滑槽结构，可放置更多数量的阀体。

3、外套内放置的电磁铁，使滑锥可以精确地上下移位，解决了胶皮、滑锥及阀体之间位置相互转换的问题。

4、控制单元采用51单片机，使用C语言编程，可灵活调整各执行元件动作顺序及间隔时间，优化装配过程。51单片机价格低廉，输入输出口较多，方便接入更多的外接元件。

5、系统中设置有多个传感器，对物料及装配过程进行全程检测，如有异常，电气系统会停止动作，并报警，确保正确装配。另外在电气箱顶部设置有急停按钮，可随时手动停止装配。

6、使用压力为0.8MPa的压缩气体作为动力源，动力干净无污染、易得，易于各处布置。

7、此设备每小时可装配500-600套阀体总成，且可以长时间连续作业，效率是单个人工的4-6倍。

五、遇到的问题

压装机的单片机控制系统在调试初期遇到较多信号干扰，装配过程中常常出现程序错乱的情况，经分析后，依次采取以下措施：在程序中增加互锁程序段、用固态继电器代替电磁继电器、增加了滤波元件、变更普通信号电缆为屏蔽电缆等，现在再无程序故障出现。在后期的改进中，可以考虑将单片机系统换成PLC系统，使其运行更稳定、电路更简单。

结论

此设备实现了阀体总成的自动化装配，设计巧妙、结构简单、操作方便、装配效率高，节约工时，有效降低成本，特别适合阀体总成生产量较多的厂家。

此设备已于2018年2月18日获得实用新型专利授权,专利号：ZL 2018 2 0232818.X，专利名称：一种自动连续压装阀胶皮的装置。