白國(guó)興，韓 旭，姚賀杰，楊勇平

（1.中國(guó)石油渤海石油裝備制造有限公司第一機(jī)械廠，河北滄州 062658；2.中國(guó)石油渤海裝備制造有限公司渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

中國(guó)石油渤海裝備渤海能克鉆桿有限公司主要生產(chǎn)銷售API 標(biāo)準(zhǔn)各種鋼級(jí)的全系列鉆桿。公司的鉆桿制造采用的是自動(dòng)化生產(chǎn)線。鉆桿自動(dòng)化生產(chǎn)線包括鉆具接頭加工線和鉆桿摩擦壓接線。鉆具接頭加工線負(fù)責(zé)鉆具接頭加工，鉆桿摩擦壓接線任務(wù)是把鉆具接頭的成品與管體進(jìn)行焊接，最終得到鉆桿產(chǎn)品。壓接機(jī)工作示意如圖1 所示，壓接過程中，鉆桿連續(xù)驅(qū)動(dòng)式摩擦焊是由摩擦焊機(jī)的主電機(jī)帶動(dòng)由卡盤握持的鉆具接頭旋轉(zhuǎn)同時(shí)沿壓接機(jī)的直線導(dǎo)軌移動(dòng)，壓向由壓接機(jī)的管體卡瓦夾緊的管體，使鉆具接頭與管體的接觸面相互摩擦產(chǎn)生熱量和一定塑性變形，然后停止旋轉(zhuǎn)，同時(shí)施加頂鍛壓力完成焊接，焊接質(zhì)量與轉(zhuǎn)速、摩擦?xí)r間、摩擦壓力、頂鍛壓力和工件頂鍛變形量有關(guān)。

圖1 壓接機(jī)工作示意

隨著石油天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，鉆桿口徑也隨著勘探開發(fā)的需要逐漸加大。在鉆具接頭與管體壓接過程中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的鉆具接頭與固定不動(dòng)的管體接觸后，由于摩擦壓力突然增大，使移動(dòng)中的壓接機(jī)受到劇烈的沖擊力而產(chǎn)生振動(dòng)，尤其是大口徑的管體壓接，壓接機(jī)受力后產(chǎn)生較大振動(dòng)，將直接影響焊接質(zhì)量，加速壓接機(jī)的磨損。

1 總體思路

研制一種用于鉆桿摩擦壓接工藝中的壓力緩沖裝置，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，以解決大口徑的管體在摩擦發(fā)熱階段的壓接過程中，壓接機(jī)受劇烈的沖擊力而產(chǎn)生振動(dòng)，影響焊接質(zhì)量，加速壓接機(jī)磨損的問題。

2 主要技術(shù)內(nèi)容

2.1 裝置構(gòu)成

壓力緩沖裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示：緩沖裝置包括軸向兩端開口且扣合在一起形成有容置腔的緩沖油缸體和緩沖油缸蓋、從緩沖油缸體的外端開口中滑動(dòng)插入容置腔中且為軸向中空的活塞桿以及貫穿插設(shè)在活塞桿的內(nèi)腔中的開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸；活塞桿上固設(shè)有活塞，并且緩沖油缸體的內(nèi)腔中設(shè)置有供活塞在其中活動(dòng)的活塞腔；位于活塞腔一端的緩沖油缸體上開設(shè)有控制摩擦壓力緩沖進(jìn)油口P，位于活塞腔另一端的緩沖油缸蓋上還設(shè)有油缸活塞處回油口T2；緩沖油缸蓋外端開口中固定插設(shè)有先導(dǎo)閥座，并且先導(dǎo)閥座的中心沿軸向開設(shè)有遙控摩擦壓力進(jìn)油口A，緩沖油缸蓋的外端且靠近先導(dǎo)閥座端的位置開設(shè)有錐形先導(dǎo)閥芯處回油口T1；開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸的內(nèi)端中心沿軸向開設(shè)有閥芯插槽，并且閥芯插槽中滑動(dòng)插設(shè)有錐形先導(dǎo)閥芯；錐形先導(dǎo)閥芯上套設(shè)有3 個(gè)彈簧座，第一彈簧座滑動(dòng)套設(shè)在錐形先導(dǎo)閥芯上且靠近閥芯插槽的一端，第一彈簧座與固定套設(shè)在錐形先導(dǎo)閥芯另一端，第二彈簧座之間設(shè)置有第三彈簧，第一彈簧座與滑動(dòng)套設(shè)在錐形先導(dǎo)閥芯中間的第三彈簧座之間設(shè)置有第一彈簧，第二彈簧座與第三彈簧座之間設(shè)置有第二彈簧。

圖2 壓力緩沖裝置結(jié)構(gòu)

錐形先導(dǎo)閥芯包括：圓柱形的閥桿和錐形的閥頭；閥桿滑動(dòng)插設(shè)于閥芯插槽中，閥頭正對(duì)著遙控摩擦壓力進(jìn)油口A；3 個(gè)彈簧座套設(shè)在閥桿上。

緩沖油缸體的外端開口上設(shè)置有緩沖油缸防護(hù)罩。開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸的外端從緩沖油缸體的外端開口中伸出，緩沖油缸防護(hù)罩通過螺紋連接在緩沖油缸體的的外端開口上，用于保護(hù)開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸、鎖緊螺母和活塞桿。

活塞的外周上設(shè)置有YX 形密封圈；緩沖油缸體的外端內(nèi)壁上設(shè)置有與活塞桿的外端滑動(dòng)接觸的第一O 形密封圈，緩沖油缸蓋的內(nèi)端內(nèi)壁上設(shè)置有與活塞桿的內(nèi)端滑動(dòng)接觸的第二O形密封圈，緩沖油缸蓋的內(nèi)端外壁扣合處設(shè)置有第四O 形密封圈；第二彈簧座的外周上設(shè)置有第三O 形密封圈。

第一彈簧座和第三彈簧座的軸向兩端均為階梯形，第二彈簧座面向第一彈簧座的一端為階梯形。第一彈簧座與開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸的內(nèi)端固定連接。

活塞桿的外端部上設(shè)置有用于鎖緊開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸的鎖緊螺母；開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸的外端設(shè)置有與活塞桿的外端以及鎖緊螺母配合連接的外螺紋。

緩沖油缸體和緩沖油缸蓋是壓力緩沖裝置的主體，用于對(duì)各部件的位置提供支撐；緩沖油缸體上開設(shè)有控制摩擦壓力緩沖進(jìn)油口P，緩沖油缸蓋上開設(shè)有錐形先導(dǎo)閥芯處回油口T1 和油缸活塞處回油口T2，先導(dǎo)閥座上開設(shè)有遙控摩擦壓力進(jìn)油口A，開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸用于調(diào)節(jié)壓力緩沖裝置的初始開啟壓力，活塞桿用于控制摩擦壓力緩沖程度；錐形先導(dǎo)閥芯用于控制遙控摩擦壓力進(jìn)油口A 的開度，相當(dāng)于開關(guān)，先導(dǎo)閥座用于與錐形先導(dǎo)閥芯共同配合控制遙控摩擦壓力進(jìn)油口A 的開度，相當(dāng)于開關(guān)座；第一彈簧座、第二彈簧座和第三彈簧座均用于固定彈簧位置；第一彈簧、第二彈簧和第三彈簧用于緩沖遙控摩擦壓力進(jìn)油口A 進(jìn)油壓力；第一O 形密封圈用于防止液壓油從活塞桿與緩沖油缸體的配合間隙處泄漏，第二O 形密封圈用于防止液壓油從活塞桿與緩沖油缸蓋的配合間隙處泄漏，YX 形密封圈用于防止活塞前后腔竄油，第三O 形密封圈用于防止從遙控摩擦壓力進(jìn)油口A 進(jìn)入的液壓油從緩沖油缸蓋與第二彈簧座的配合間隙處泄漏，第四O 形密封圈用于防止液壓油從緩沖油缸蓋與緩沖油缸體的配合間隙處泄漏。

2.2 工作原理

壓力緩沖裝置的工作原理如圖3 所示，壓力緩沖裝置加入液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。鉆具接頭與管體摩擦壓接前，操作人員可以根據(jù)壓接管體口徑的大小，松開壓力緩沖裝置的鎖緊螺母，事先調(diào)節(jié)開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸，調(diào)整其最佳開啟壓力。依據(jù)材料接觸后達(dá)到產(chǎn)生摩擦發(fā)熱壓力的時(shí)間，調(diào)節(jié)壓力緩沖裝置的流量閥，調(diào)整壓力緩沖裝置的最佳摩擦發(fā)熱壓力斜率。壓接過程中推缸帶動(dòng)壓接機(jī)本體的前進(jìn)壓力與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4 所示。

圖3 壓力緩沖裝置工作原理

圖4 前進(jìn)壓力與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

鉆具接頭與管體壓接過程中，壓接機(jī)本體移動(dòng)由快進(jìn)變?yōu)楣みM(jìn)，當(dāng)鉆具接頭與管體接觸后，電磁閥1 得電，液壓油按照電磁閥1 的左位箭頭方向供油，高壓油進(jìn)入減壓閥的同時(shí)從減壓閥的遙控口進(jìn)入壓力緩沖裝置的遙控摩擦壓力進(jìn)油口A，推開錐形先導(dǎo)閥芯，經(jīng)錐形先導(dǎo)閥芯處回油口T1 泄壓，使得進(jìn)入減壓閥的高壓油壓力下降，從而使得經(jīng)過減壓閥進(jìn)入到推缸的液壓油壓力非常低，此時(shí)，電磁閥2 得電，液壓油按照電磁閥2 的左位箭頭方向供油，高壓油從控制摩擦壓力緩沖進(jìn)油口P 進(jìn)入，推動(dòng)活塞桿、開啟壓力調(diào)節(jié)傳動(dòng)軸和第一彈簧座向遙控摩擦壓力進(jìn)油口A 方向移動(dòng)，進(jìn)而壓縮第一彈簧、第二彈簧和第三彈簧，推動(dòng)錐形先導(dǎo)閥芯向遙控摩擦壓力進(jìn)油口A 方向移動(dòng)，減少遙控摩擦壓力進(jìn)油口A 的開度、減少遙控摩擦壓力進(jìn)油口A 經(jīng)錐形先導(dǎo)閥芯處回油口T1 的泄油量，逐步提高減壓閥的出口壓力，使得摩擦壓接機(jī)的推缸摩擦焊接壓力緩慢提升，避免壓接機(jī)在摩擦發(fā)熱階段的強(qiáng)烈振動(dòng)，否則會(huì)使摩擦焊接的鉆桿熱影響區(qū)處融化鋼水被擠出從而產(chǎn)生晶粒長(zhǎng)大、焊接灰斑等質(zhì)量缺陷，保證良好的焊接質(zhì)量。當(dāng)錐形先導(dǎo)閥芯的錐頭與先導(dǎo)閥座的錐面完全接觸吻合，壓力緩沖裝置的遙控摩擦壓力進(jìn)油口A進(jìn)油被截?cái)?，此時(shí)，壓力緩沖裝置失去對(duì)減壓閥的油壓控制，減壓閥的液壓油的壓力亦升至其設(shè)定值，減壓閥按照其自身設(shè)定壓力開始工作。

3 應(yīng)用效果

實(shí)施后壓接機(jī)推缸平穩(wěn)前進(jìn)，避免了壓接機(jī)的沖擊振動(dòng)，從而避免了壓接機(jī)的過度磨損，在摩擦壓接工藝中，鉆具接頭與管體焊接平穩(wěn)，保證了良好的焊接質(zhì)量。壓力緩沖裝置采用3 根彈簧，既能承受由遙控摩擦壓力進(jìn)油口A 進(jìn)入的高壓油的沖擊而不致于產(chǎn)生永久變形破壞，又能使彈簧在較低的油壓下平穩(wěn)開啟。