CN104196470A - 一种连续旋扣拆装架及扭矩转速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续旋扣拆装架及扭矩转速控制方法，通过扭矩控制，满足不同阶段旋扣对扭矩的需要，而卸扣则通过离合进行配置，从而连续旋扣和往复冲扣时，均不需要反复夹紧工件，一次夹紧即可完成上卸扣，对于大多数的驱动装置，由于输出功率一定，在速度较快时，输出扭矩就相对减小，利用这一特点，可根据旋扣扭矩自动切换旋扣速度，扭矩越小转速越高，有效提高工作效率；达到设定扭矩值可自动卸荷，实现扭矩相对精确控制。

Description

一种连续旋扣拆装架及扭矩转速控制方法

技术领域

本发明属于石油机械技术领域，涉及一种用于石油管具的连续旋扣拆装架，以及应用该连续旋扣拆装架的扭矩转速控制方法。

背景技术

目前市场上主要使用两种旋扣设备进行石油管具螺纹连接的拆装，一种是液压拆装架，它的工作方式是先进行小扭矩快速旋扣，再进行往复冲扣，需要进行多次反复夹紧和冲扣，存在着工作效率低且对管具表面咬伤较严重的缺点，目前这种拆装架正逐渐退出市场。

另一种是连续旋转大扭矩拧扣机，如中国专利文献CN2898265Y、CN201934039U、CN203515391U、CN203515394U，该类旋扣设备的工作方式是由大扭矩减速马达驱动液压夹钳连续旋转，拧扣机需要兼顾上扣和卸扣的功能，而一般的卸扣扭矩约为额定上扣扭矩的2～3倍，这种大扭矩拧扣机的设计扭矩一般要达到额定上扣扭矩的3倍以上，存在着设备整体结构庞大、造价高、能耗高的缺点。

尽管目前这两种旋扣设备有些配置了扭矩显示模块，可以实时显示扭矩数值，然而管具最终上扣扭矩的控制依然是靠人为控制的，存在人为因素造成扭矩超标的安全隐患。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够控制旋扣扭矩的连续旋扣拆装架，应用该连续旋扣拆装架，还提供了一种扭矩转速控制方法。

本发明采用以下技术方案：

依据本发明的一个方面，一种连续旋扣拆装架，包括：

底座，具有在预定方向上设置的导轨；

移动背钳，装置在所述导轨上，而具有在预定方向上移动的自由度，该移动背钳的钳头具有轴线平行于所述预定方向的回转轴；

主动钳，设置在底座在预定方向与移动背钳相对的一端，该主动钳的钳头与移动背钳的钳头相对，且主动钳的主轴为驱动轴而连接有扭矩可调的驱动装置；

扭矩传感器，测量主轴的输出扭矩；

控制单元，输入连接所述扭矩传感器，并输出控制所述驱动装置的输出扭矩；以及

冲扣装置，通过离合装置与所述主轴连接。

上述连续旋扣拆装架，所述驱动装置包括：

从动齿轮，作为轴上零件装配于所述主轴，构成主轴的驱动齿轮；

主动齿轮，有多个，而均匀分布在从动齿轮的周向；以及

原动机，为每个主动齿轮配置有一个，相应地，控制单元控制输出扭矩的方式是控制原动机接入的个数。

上述连续旋扣拆装架，所述原动机为偶数个，两两构成一组，且组内的两原动机关于主轴轴线对称，且组内的两原动机同步。

上述连续旋扣拆装架，所述原动机为液压马达，且所有液压马达公用一个主油路，通过配有电磁阀的分支回路控制液压马达；

从而，控制装置与驱动装置之间的连接为与电磁阀的开关控制连接。

上述连续旋扣拆装架，所述离合装置为一驱动盘与从动齿轮之间的销接。

上述连续旋扣拆装架，所述销为弹簧销，配有一对，该对弹簧销关于主轴轴线对称。

上述连续旋扣拆装架，所述驱动盘切向延伸出一摇臂，相应地，所述冲扣装置进一步包括一冲扣油缸，该冲扣油缸的推杆与摇臂延伸的端部铰接，而缸体则铰接在所述底座上。

依据本发明的另一个方面，一种连续旋扣拆装架扭矩转速控制方法，为连续旋扣拆装架配置输出扭矩可调的驱动装置，用以驱动主动钳转动，旋扣中，实时采集主动钳的输出扭矩；

比较采集到的主动钳的输出扭矩与预设的输出扭矩，依据预置的输出扭矩控制算法动态调整主动钳的输出扭矩；

冲扣时，离合装置处于合的状态，从而冲扣装置驱动主轴进行冲扣，冲扣完毕后，离合装置处于离的状态，从而冲口装置与主轴脱开。

上述连续旋扣拆装架扭矩转速控制方法，所述驱动装置采用定功率输出的配置，从而在速度增加时，输出扭矩降低，而在速度降低时，输出扭矩提高。

上述连续旋扣拆装架扭矩转速控制方法，所述驱动装置采用单一液压泵供油的液压系统，而驱动装置采用多组的液压马达，构成分支回路而连接于液压系统的主回路上，每个分支回路匹配油电磁阀，用于控制液压马达接入的数量。

依据本发明，通过扭矩控制，满足不同阶段旋扣对扭矩的需要，而卸扣则通过离合进行配置，从而连续旋扣和往复冲扣时，均不需要反复夹紧工件，一次夹紧即可完成上卸扣，对于大多数的驱动装置，由于输出功率一定，在速度较快时，输出扭矩就相对减小，利用这一特点，可根据旋扣扭矩自动切换旋扣速度，扭矩越小转速越高，有效提高工作效率；达到设定扭矩值可自动卸荷，实现扭矩相对精确控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

图1是依据本发明一种石油管具拆装架结构示意图。

图2是图1中一种主动钳的右视图。

图3是图1中一种主动钳的主视剖面图。

图4是一种换向销主视图。

图5是一种换向销俯视剖面图。

图6是一种换向销右视图。

图7是一种控制系统的液压原理图。

图中：1.主动钳、2.移动背钳、3.底座、4.控制系统、5.支撑座、6.旋转体、7.液压夹钳、8.马达、9.主动齿轮、10.从动齿轮、11.摇臂、12.冲扣油缸、13.换向销、14.外壳、15.导向套、16.导向杆、17.弹簧、18.挡销、19.拨杆、20.第一卡槽、21.第二卡槽、22.液压泵站、23.主进油管道、24.主回油管道、25.电磁换向阀一、26.电磁换向阀二、27.电磁换向阀三、28.马达组一、29.马达组二、30.马达组三、31.一体机。

具体实施方式

下面以一个具体实施例为例对本发明展开说明：

参照说明书附图1，对于当前的具有连续旋扣功能的拆装架，其基本结构通常包括一下基本构成：

首先是一个底座3，该底座3作为其他部分安装的基础，通常在某个方向上，如图1中所示的左右方向上设有一段轨道，这是构成钳形结构的基础，用于钳住管体，从而进行连续的旋扣。

配置成钳口，需要两个部分，一个部分是移动背钳2，移动体现在在轨道上的移动，从而，移动背钳2的移动是可控的，移动到位后进行锁紧，当然，锁紧还可以表示为持续施力的部件，用于提供持续的夹持力。

从而，移动背钳2装置在所述导轨上，而具有在预定方向上移动的自由度，该移动背钳2的钳头具有轴线平行于所述预定方向的回转轴，或者说钳头通过回转轴安装在嵌体上，这样钳头能够绕其轴的轴线旋转。

再就是主动钳1，设置在底座1在预定方向与移动背钳2相对的一端，该主动钳1的钳头与移动背钳2的钳头相对，且主动钳1的主轴为驱动轴而连接有扭矩可调的驱动装置，从而，当夹紧工件，且在主轴转动时，移动背钳2的钳头会跟着扭转。

在图1所示的结构中，还进一步配有控制系统4，在已知的具有连续旋扣功能的拆装架上一般也配有控制系统4。

具体来看，所述的主动钳1和所述移动背钳2分别设置在底座3的两端，藉由所述导轨，可以实现夹紧和松脱。

图2可以认为是图1的左视图，也可以理解为主动钳1的左视图，图3则是主动钳1的横剖结构的视图，可以理解为主视结构剖视图。

在图2和图3例示的结构中，所述的主动钳1为左右结构，左右两边分配有不同的功能结构，其中，在图3所示的左部装有主动齿轮9、从动齿轮10、摇臂11、冲扣油缸12、换向销13和多个个圆周均布的马达8，右部装有液压夹钳7，中部设有支撑座5和旋转体6。

旋转体6可以理解为轴形件，也就是主动钳1的主轴，是连续旋扣的动力轴。

从动齿轮10以主轴为齿轮轴进行装配，或者说构成主轴的轴上零件，两者同轴线，键连接。

从动齿轮10啮合有多个主动齿轮9，可以为一个主动齿轮9所驱动，也可以由一个以上的主动齿轮9所驱动，接入的主动齿轮9多，则整体的驱动能力就强，表现在驱动扭矩。

如果驱动装置的整体功率一定，当速度较高时，则输出扭矩就会越低，反之，输出扭矩相对较高，对于开过车的人对此也都有所了解。

有鉴于以上说明，在机械领域，对于原动机的选择，可以进行速度和输出扭矩的匹配，因此，本领域的技术人员据此非常容易选择相关的配置，例如本实施例中所特别指明的液压回路。

关于原动机，将在机械领域，泛指利用能源产生原动力的一切机械。按利用的能源分，有热力发动机、水力发动机、风力发动机和电动机等。是现代生产、生活领域中所需动力的主要来源。

基于同样的考虑，如热机，当速度比较高时，其输出扭矩就相对比较低，因此，在需要输出比较大的扭矩时，只能保持相对较低的速度，如柴油机的拖拉机，在爬坡时需要降低速度，以输出比较大的轴距。

因此，在一定程度上可以基于此进行输出扭矩的闭环控制，还可以利用速度与扭矩的这种关系，进行速度的采样，从而控制输出扭矩。

在实际应用中，上扣时，螺纹相对较短，摩擦相对较小，需要较快的速度以满足效率方面的需要，而在螺纹相对较长时，摩擦加剧，且越往后摩擦越剧烈，需要的扭矩变大，速度相对要求较低。有鉴于此，对上扣来说完全可以利用这一特点进行操作，以满足效率和扭矩上的双重需要。

在前文中是利用扭矩进行闭环控制，在实际应用中，由于速度与扭矩的特定关系，利用速度作为采样进行输出扭矩的控制也是本方案的简单变换，本领域的技术人员对此应有清楚的理解。

如果驱动装置采用单纯的电动机，可以采用调速电机进行速度与扭矩的匹配，电动机直接通过调速系统与主轴相连。

如果单纯就扭矩来说，可以在主轴上装配扭矩传感器，然后通过预定的算法由控制单元控制驱动装置，例如电动机、油缸等。

关于控制单元，由于所需要的输出输出点数比较少，可以采用单片机或者更简单的工业控制器，也可以采用价格相对比较贵的可编程逻辑控制器(PLC)。例如传感器送过来的模拟量，可以通过模数转换模块接入如单片机的数字接口。数字模式不是万能的，在数字化后，人们发现，在某些应用中其实更多的用到模拟量，因此，现在的很多控制单元都保留了几个模拟量接口，速度传感器、扭矩传感器等可以直接输入模拟量，由控制单元据此进行驱动装置的输出扭矩控制，例如同一主油路的多油缸系统。

关于冲扣装置，本实施例采用离合控制，所谓冲扣，无非是引入了扭矩更大的驱动装置，例如输出扭矩更大的电动机或者液压马达等，由于电动机不能频繁启动，否则会烧坏电动机，因此，最好采用如液压马达等；还可以是短时的，爆发性的驱动装置，例如油缸，如图中的冲扣油缸12。

所述的冲扣油缸12一端，也就是油缸座或者说缸体安装在底座3上，连接方式采用铰接，这样冲扣油缸12有一个摆动的自由度；另一端，也就是推杆端(也叫活塞杆)与摇臂11相连，油缸功率密度比较大，可以产生比较大的冲击力，摇臂11形成一个旋臂结构，藉此力臂比较大，能够产生比较大的扭矩。

图中，摇臂11与主轴滑套配合，没有周向连接结构，不会跟着主轴转动，通过换向销13形成连接，来传递扭矩。

其中换向销13是一种弹簧销，如图2所示，通过换向销13的拔插两个状态实现离合。

还可以采用其他的离合结构，例如基于摩擦盘的离合结构，摇臂11的盘体部分与主轴之间采用摩擦盘进行离合操作，自然摇臂11整体表现为一个摩擦盘，摩擦盘也滑套在主轴上，利用轴向力进行摩擦盘的离合，轴向力大小决定了摩擦盘间的摩擦力大小，因而更容易控制冲扣力，太大了可以产生滑动摩擦，而避免把螺纹冲坏。

还可以采用其他的离合结构，例如汽车上常用的离合结构，利用两个盘面的型面配合实现离合。

所述的马达8安装在支撑座5上，并通过齿轮传动机构与从动齿轮10啮合，齿轮传动机构在图中比较简单，马达8的输出齿轮为小齿轮，也就是主动齿轮9，而从动齿轮10为大齿轮，构成中心齿轮，与若干个小齿轮，也就是主动齿轮9啮合。

马达8采用偶数个配置，分布在大齿轮，也就是从动齿盘的周向，均匀配置，根据需要接入不同数量的马达8，从而进行扭矩的匹配。

图3中，所述的从动齿轮10左端面设有圆周均布的销孔，冲扣时与换向销13配合，用于传递扭矩。

所述的换向销13安装在摇臂11上，参见说明书附图3-6例示的结构，包括外壳14、导向套15、导向杆16、弹簧17、挡销18和拨杆19；其中挡销18为工作部分，或者说工作头，与销孔配合。

所述的外壳14与摇臂11相连，外圆上设有两个对称的第一卡槽20和两个对称的第二卡槽21；所述的导向套15安装在外壳14内，导向套15内孔设有方形导向孔，见图6；所述的导向杆16在图5所示的左端设有方形导向体，安装在导向套15的方形导向孔内，右端与挡销18相连。

所述的弹簧17安装导向套15和挡销18之间并套在导向杆16上，用于提供复位力；所述的挡销18安装在外壳14内，与弹簧17相连，其前端设有斜面或者导引面，利于插入销孔；所述的拨杆19安装在导向套15外圆上并伸出外壳14，图5的右端。

在较佳的实施例中，所述的控制系统4进一步包括液压泵站22、主进油管道23、主回油管道24、电磁换向阀一25、电磁换向阀二26、电磁换向阀三27、马达组一28、马达组二29、马达组三30、一体机31。

上述结构适用于三套或者说三组马达8的情形，从而具有一组工作、两组工作和三组工作的三个状态，能够满足使用要求。

另外，每组马达8具有两个马达，关于主轴轴线对称设置，形成力偶，保证驱动的平稳性。

依据上述结构，提供的用于连续旋扣拆装架的扭矩转速控制方法，包括如下步骤：

所述控制系统中，主进油管道23，为一台油泵供油，整体功率确定，主进油管道23连接有电磁换向阀一25，电磁换向阀一25有两个工作位，分别为工作位一和工作位二，图中有两个位的油路，在此不详细说明。

图7中，电磁换向阀一25的阀芯位于工作位一，液压油路断开；通电后，阀芯位于工作位二，液压油路连通；电磁换向阀一25的出口与主回油管道24相连。

旋扣之前，在一体机31中输入被旋扣管具的目标扭矩，记为扭矩值一；旋扣时，控制系统4将采集的扭矩数值与扭矩值一相比较，控制电磁阀一25的动作；当扭矩数值小于扭矩值一时，电磁换向阀一25的阀芯位于工作位一，液压油路断开；当扭矩数值等于扭矩值一时，控制系统4给电磁换向阀一25通电，电磁换向阀一25的阀芯位于工作位二，液压油路连通，主进油管道23的液压油直接通过电磁换向阀一25到达主回油管道24，回到油箱，实现系统自动卸荷。

所述主动钳1的6个马达8被分为3组，3组马达8分别为马达组一28、马达组二29、马达组三30，马达组二29和马达组三30分别由电磁换向阀二26和电磁换向阀三27控制，它们都有工作位一和工作位二两个工作位；断电时，阀芯位于工作位一，将液压油路断开；通电时，阀芯位于工作位二，液压油路连通；在控制系统4内设定两个扭矩值，分别记为扭矩值二、扭矩值三，扭矩值三大于扭矩值二；控制系统将采集的扭矩数值与扭矩值二和扭矩值三比较，控制各组马达的工作状态；

当扭矩数值小于扭矩值二时，电磁换向阀二26和电磁换向阀三27均在工作位一，它们的液压油路是断开的；马达组一28的马达工作，马达组二29和马达组三30的马达不工作，此时旋扣扭矩最小，旋扣转速最高，为高速档；

当扭矩数值大于扭矩值二小于扭矩值三时，一体机31给电磁换向阀二26通电，驱动其阀芯至工作位二，电磁换向阀三27的阀芯在工作位一；马达组一28和马达组二29的马达同时工作，马达组三30的马达不工作，此时旋扣转速为中速，为中速档；

当扭矩数值大于扭矩值三时，一体机31给电磁换向阀二26和电磁换向阀三27通电，驱动它们的阀芯至工作位二，它们的液压油路是连通的，此时所有的马达8同时工作，扭矩最大，旋扣转速最低，为低速档；

依据上述实施例，本发明的有益效果可简单归结为：

该发明创新性的运用连续旋扣技术和往复冲扣技术相结合的方式，在提高工作效率的同时，使得系统的能耗和造价降低至少一半以上；

该发明能实现一次夹紧即可完成石油管具上卸扣，大大减少石油管具表面牙痕，有利于保障石油管具的强度和使用寿命；

该发明专利运用传感技术与电液技术相结合，实现旋扣扭矩和转速的控制，旋扣扭矩达到设定的扭矩时，系统自动卸荷，避免因人为因素造成扭矩过大或过小而影响石油管具的安全性能；实现高速、中速、低速三种旋扣转速的自动切换，有效提高旋扣的工作效率。

Claims (10)

1.一种连续旋扣拆装架，其特征在于，包括：

底座，具有在预定方向上设置的导轨；

移动背钳，装置在所述导轨上，而具有在预定方向上移动的自由度，该移动背钳的钳头具有轴线平行于所述预定方向的回转轴；

主动钳，设置在底座在预定方向与移动背钳相对的一端，该主动钳的钳头与移动背钳的钳头相对，且主动钳的主轴为驱动轴而连接有扭矩可调的驱动装置；

扭矩传感器，测量主轴的输出扭矩；

控制单元，输入连接所述扭矩传感器，并输出控制所述驱动装置的输出扭矩；以及

冲扣装置，通过离合装置与所述主轴连接。

2.根据权利要求1所述的连续旋扣拆装架，其特征在于，所述驱动装置包括：

从动齿轮，作为轴上零件装配于所述主轴，构成主轴的驱动齿轮；

主动齿轮，有多个，而均匀分布在从动齿轮的周向；以及

原动机，为每个主动齿轮配置有一个，相应地，控制单元控制输出扭矩的方式是控制原动机接入的个数。

3.根据权利要求2所述的连续旋扣拆装架，其特征在于，所述原动机为偶数个，两两构成一组，且组内的两原动机关于主轴轴线对称，且组内的两原动机同步。

4.根据权利要求2或3所述的连续旋扣拆装架，其特征在于，所述原动机为液压马达，且所有液压马达公用一个主油路，通过配有电磁阀的分支回路控制液压马达；

从而，控制装置与驱动装置之间的连接为与电磁阀的开关控制连接。

5.根据权利要求2或3所述的连续旋扣拆装架，其特征在于，所述离合装置为一驱动盘与从动齿轮之间的销接。

6.根据权利要求5所述的连续旋扣拆装架，其特征在于，所述销为弹簧销，配有一对，该对弹簧销关于主轴轴线对称。

7.根据权利要求5所述的连续旋扣拆装架，其特征在于，所述驱动盘切向延伸出一摇臂，相应地，所述冲扣装置进一步包括一冲扣油缸，该冲扣油缸的推杆与摇臂延伸的端部铰接，而缸体则铰接在所述底座上。

8.一种连续旋扣拆装架扭矩转速控制方法，其特征在于，为连续旋扣拆装架配置输出扭矩可调的驱动装置，用以驱动主动钳转动，旋扣中，实时采集主动钳的输出扭矩；

比较采集到的主动钳的输出扭矩与预设的输出扭矩，依据预置的输出扭矩控制算法动态调整主动钳的输出扭矩；

冲扣时，离合装置处于合的状态，从而冲扣装置驱动主轴进行冲扣，冲扣完毕后，离合装置处于离的状态，从而冲口装置与主轴脱开。

9.根据权利要求8所述的连续旋扣拆装架扭矩转速控制方法，其特征在于，所述驱动装置采用定功率输出的配置，从而在速度增加时，输出扭矩降低，而在速度降低时，输出扭矩提高。

10.根据权利要求8或9所述的连续旋扣拆装架扭矩转速控制方法，其特征在于，所述驱动装置采用单一液压泵供油的液压系统，而驱动装置采用多组的液压马达，构成分支回路而连接于液压系统的主回路上，每个分支回路匹配油电磁阀，用于控制液压马达接入的数量。