新型潜油电泵轴承支持架拆装装置的研究与应用

刘洪静 强俊丽 宫艳红 白花梅 李雷 赵帅

（中国石油大港油田公司第三采油厂）

1 概述

我国大部分油田目前均处于开发的中后期，潜油电泵作为重要的开采设备，在油田机械采油方面应用非常广泛，由于潜油电泵内部结构相对复杂，在井下运转中长期处于高速、高压、高温环境，且介质中含有硫化物等腐蚀性物质，故潜油电泵运行时易发生叶轮堵塞、磨损、腐蚀、泵卡等故障，造成电泵机组运行不稳定，影响油田开采效率和经济效益[1-2]。因此需要检电作业对潜油电泵进行维修，查找造成故障的原因，有针对性地提出解决办法。

潜油电泵维修时需要先将轴承支持架从泵壳的两端拆卸下来。轴承支持架包括同轴的外环和内环，且外环和内环之间通过位于外环和内环之间的连接筋连接，外环通过外壁上的外螺纹与泵壳内壁上的内螺纹啮合进行螺纹连接[3]。传统方法是员工用自制拆卸工具包括手持杆和轴向间隔布置于手持杆的端部的多个插接板，使用时，将多个插接板分别插入轴承支持架的外环和内环中，使插接板和连接筋交替间隔，这样技术人员拧动手持杆时，插接板的侧壁会抵住连接筋，带动轴承支持架在泵壳内转动，以拆卸轴承支持架。但由于潜油电泵长时间在井下工作，结垢、腐蚀、磨损现象严重，拆卸时旋扭力增大，给拆装检修工作带来了很大的困难，经常要借助加力工具配合使用，而且潜油电泵本身较重，拆卸时需要较多人员配合[4]，且由于拆装数量较多，工作量巨大，人工拆装工作效率低下的同时，也增加劳动强度、风险隐患。蔡健文[5]提出了一种整体结构合理稳定、轴距可变的多螺母拆装装置，提高了螺母的装配时间，减轻了从业人员的劳动强度。方俊俊[6]研制的锈蚀螺母快速拆卸工具，能迅速解决螺丝锈蚀无法拆除，狭小空间操作困难等问题，减少劳动强度，降低操作风险。董柱祥[7]发明的工作辊轴承座快速拆卸装置，包括换辊台架、两个液压小车、四个平行设置的轨道和储辊台架，结构简单，维修方便，有效提高了生产效率。潘彪等[8]人发明的工作辊轴承座拆装装置，通过将大车行走电动机的制动方式优化为变频器与抱闸共同工作，解决了大车定位精度不准的问题，使定位精度得到改善。顾家友等[9]研发基于PLC 和组态的智能电动拧紧系统，PLC 控制马达电动机转动，自动低速拧紧，PLC 数据传输到上位机中显示处理，同时用户也可以在上位机界面设置各种控制参数，能够控制扭矩使得拧紧更精准，安全性能高，操作简便易行。付春婵等[10]研发的矫直机辊套拆装方法的改进是在矫直机固定底座上设计双液压缸翻转装置，辊套装配安装采用液压预紧，碟簧回松的方法拆装辊套。由于上述技术不能综合应用于油气开发领域，借鉴了智能电动拧紧系统及狭小空间操作的成功经验，研发了轴承支持架的拆装装置，主要由移动平台、固定平台、移动小车、启动柜、电动机、减速机等组成，经现场规模应用，单泵轴承支持架拆卸时间由60 min 降至20 min 以内，累计创效42.6 万元，实现了提高效率与安全操作的目的。

2 潜油电泵轴承支持架拆装装置设计

2.1 设计依据

PLC 控制是目前生产生活中逐渐普及的方式，这一技术具有便于开发、抗干扰能力强等优点。启动柜控制电动机，它是利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止；电动机再将电能转化为机械能，减速机设备用来控制机械手正转、反转，带动机械手正反运转，实现工作的完成。

2.2 结构设计

潜油电泵轴承支持架拆装装置主要由移动平台、固定平台、移动小车、启动柜、电动机、减速机、安全护罩、机械手组成。移动平台由移动小车、启动柜、电动机、减速机、安全护罩和机械插手组成；移动小车设有工作台，在工作台的一端设有扶手，四个支脚装有轮子，可以自由移动。可移动快速轴承支持架拆卸装置示意图见图1。

图1 可移动快速轴承支持架拆卸装置示意图Fig.1 Schematic diagram of dismantling device of removable quick bearing support frame

启动柜包括配电箱、电源开关、设备仪表控制保险、转速表较准、反馈量调节、正转按钮、停止按钮、反转按钮、转速旋钮、转速显示仪。启动柜为常用电路配电箱，采用变频控制，正转按钮、反转按钮和停止按钮位于电源开关的下方，用于控制机械手转动方向和停止作用，设备仪表控制保险、转速表较准、反馈量调节位于电源开关的上方，转速按钮和转速显示仪位于电源开关的左边，用来显示和控制机械手速度。

机械手包括固定筒、活动爪、连接杆、连接筒、连接嘴、弹簧、卡销、卡杆、插手组成固定筒由连接杆、连接筒、连接嘴和弹簧组成，三者均为圆柱形管状体且轴线重合，连接嘴的端面向连接筒方向，沿轴线在连接嘴和连接筒内壁上由车床加工出长方形深槽。弹簧采用压缩弹簧，置于连接筒内；活动爪由卡销、卡杆和插手组成。卡杆位于活动爪的最下部，卡杆为圆柱形管状体，杆体上有一通孔，卡销穿过通孔，二者间隙配合且轴线垂直。卡销和卡杆插入连接嘴、连接筒内部的卡槽内，通过压缩连接筒内的弹簧，卡在卡槽内。插手与卡杆相连，在插手端面，沿轴线由车床加工出‘+’字形的长方形槽，插手前臂被切割成圆弧形四部分。卡杆与插手二者轴线重合。机械手示意图见图2。

图2 机械手示意图Fig.2 Schematic diagram of manipulator

2.3 使用条件

可移动快速拆卸轴承支持架装置用于潜油电泵轴承支持架的拆装，启动柜电源为常用220 V 电压，转速可将根据轴承支持架拆卸的难易程度进行调节；固定平台只提供固定潜油电泵作用，不提供力，使用时将移动平台的机械手与固定平台的轴承支持架轴线对中，插手插入轴承支持架4 个孔内，将移动平台上的安全罩扣牢，反转按钮卸松，正转按钮为上紧，OFF 为停止，采用PLC 变频控制设备实现了快速拆装轴承支持架操作。

3 现场应用

3.1 现场实施步骤

潜油电泵轴承支持架拆装装置可拆卸各种泵径的轴承支持架，使用时移动平台与固定平台轴线对中。

具体实施步骤如下：

步骤1：将安装有轴承支持架的潜油电泵至于固定支架上；

步骤2：将移动平台推至固定平台的正前方；步骤3：打开安全护罩，将机械手对准潜油电泵，将插手插入轴承支持架的四个插孔内；

步骤4：盖好安全护罩，将启动柜接通电源；

步骤5：将启动柜的电源开关按至ON 开的状态，按下反转按钮，电动机启动，带动减速机、机械手一起转动，将轴承支持架卸松；

步骤6：按下停止按钮，电动机停止转动，将电源开关按至OFF 关的状态，电源切断；

步骤7：安装轴承支持架时，将机械手对准潜油电泵，将插手插入到轴承支持架的四个插孔内；

步骤8：将启动柜的电源开关按至开的状态，按下正转按钮，电动机启动，带动减速机、机械手一起转动，轴承支持架安装完成；

步骤9：按下停止按钮，电动机停止转动，将电源开关按至关的状态，电源切断；

步骤10：转速显示仪显示电动机每分钟旋转速度，通过旋转转速旋钮，可对电动机旋转速度进行控制调节。

3.2 现场试验效果

1）潜油电泵轴承支持架拆装装置，应用了自动控制装置，能够准确的拆卸、安装轴承支持架，自动拆卸轴承支持架效果良好，操作人员较原来减少4 人，工作效率提高66.7%。

2）移动平台采用了“动态+静态”相结合的方式，利用移动小车解决了人工对中难的问题，机械手和轴承支持架能够准确定位，有效降低员工在搬运潜油电泵时存在的安全隐患。

3）借鉴应用PLC 控制机理，通过转速显示屏显示速度，转速调节器控制电动机转速，调节频率来实现转速的调节，实现不同规格轴承支持架的拆装，拆卸平均时间降低40 min，优质率达到100%。现场试验效果统计见表1。

表1 现场试验效果统计Tab.1 Statistics of field test effect

3.3 效益分析

1）经济效益。潜油电泵轴承支持架拆装装置应用后，拆卸的时间由60 min 缩短到了20 min，降低了劳动强度，达到提质增效的目的。操作人员减少4 人，人工成本有效降低，减少因人工暴力拆装造成的潜油电泵配件损坏，累计创效42.6 万元。

2）社会效益。“安全是最大的经济效益”，通过使用潜油电泵轴承支持架拆装装置，有效提升了轴承支持架拆装过程中的安全操作系数，可迅速完成对轴承支持架的拆装操作，解决了因轴承支持架腐蚀拆卸难的隐性安全问题，降低了劳动强度，减少不规范操作，提高了现场操作安全系数，在相同领域具有一定的推广性。

4 结论

1）潜油电泵轴承支持架拆装装置采用PLC 控制电动机，经皮带传动连接减速机实现降速，获得合适的旋转速度来带动机械手的转动，从而实现轴承支持架的拆装。

2）该装置具有安装方便、移动快捷、组装灵活、易于操作的特点，移动平台与固定平台配合使用，有效提高一线潜油电泵维修人员工作效率。

3）该装置安全性能强，固定平台稳定牢靠，锁紧固定后，消除物体打击、砸伤等操作风险，劳动强度明显降低，操作人员由6 人降至2 人，有效提高设备维修效率。