CN103363296B - 一种煤层气选井装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了种煤层气选井装置,包括多通阀,所述多通阀包括:多个单井入口、一个计量出口,一个汇集出口、传动轴、中间旋转阀枕和分流总成箱体;所述传动轴连接所述中间旋转阀枕,所述中间旋转阀枕接通所述计量出口和所述多个单井入口中的被选中的一个单井入口;所述分流总成箱***于所述多个单井入口的上方,所述分流总成箱体接通所述汇集出口和所述多个单井入口中的未被选中的单井入口。本发明解决了现有选井装置不适合气体密封的技术问题,能够更好的针对煤层气的特点进行密封。
Description
技术领域
本发明涉及石油化工领域的油、气井的计量技术,特别是涉及一种煤层气选井装置。
背景技术
在石油生产过程中,需要在油田计量站上对多口油井进行轮流计量,目前采用的主要方式是通过多通阀从多路油井管路中选择一路作为计量通路。
多通阀又称多通分配阀,由电动机构、阀体、阀座以及控制箱组成,控制箱也可与计量器控制箱合在一起。电动机构由电机、减速机以及检测元件组成。
图1为现有技术的油井多通阀的剖视图,图2为图1中的多孔平面体的视图,参考图1、图2所示,其工作过程如下:通过(电动或手动)动力带动中间旋转芯子2旋转转动到某角度时,使得浮动选通环4对准多孔平面体3上的某一进油口,实现中间旋转芯子2内部公共导流计量孔道与多孔平面体3某一个进油孔连通,实现计量集输选通。而其于多孔平面体3进油孔来液汇集从下腔体7的底部侧面出口处流出进入集输管道。内六方螺母环用来调整弹性件5的弹性力以便保持浮动选通环4与多孔平面体3之间的结合密封,弹性件5为波纹弹簧。
图1、图2的多通阀中,其密封芯子和壳体间的密封结构仅仅适合于液体的选通,对于煤气计量领域,较以往液体介质类型上有所不同,煤层气属于易燃、易爆气体,其结构设计上对密封的要求应该非常高。另外,煤气层远程选井装置的多数应用场合是山地地带,山峦重叠,沟壑纵横,高差悬殊,地形复杂。现场无供电设备,因此还需要考虑设备运行供电以及数据远传方式等问题。
因此,如何提供一种适合于气体密封的煤层气选井装置,是煤气井计量领域有待解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种煤层气选井装置,能够更好的针对煤层气的特点进行密封,解决现有选井装置不适合气体密封的技术问题。
为了实现上述目的,本发明实施例提供了一种煤层气选井装置,包括多通阀,所述多通阀包括:多个单井入口、一个计量出口,一个汇集出口、传动轴、中间旋转阀枕和分流总成箱体;
所述传动轴连接所述中间旋转阀枕,所述中间旋转阀枕接通所述计量出口和所述多个单井入口中的被选中的一个单井入口;
所述分流总成箱***于所述多个单井入口的上方,所述分流总成箱体接通所述汇集出口和所述多个单井入口中的未被选中的单井入口。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述多通阀还包括:
多通体,接通所述多个单井入口;
多通板,位于所述多通体的上方,接通所述多个单井入口;
所述中间旋转阀枕通过与所述多通板对接来选中一个单井入口。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述中间旋转阀枕与所述多通板接触的一端设置有内密封套;所述中间旋转阀枕接通所述计量出口的一端设置有中心套。
优选地,上述的煤层气选井装置中,每个单井入口连接一路单井管路,所述汇集出口连接汇管;
所述计量出口连接计量管路,所述计量管路连接气体流量计后接入所述汇管;
每个单井管路在接入所述单井入口之前的位置上设置有三通阀,所述三通阀连接所述汇管。
优选地,上述的煤层气选井装置中,还包括多通阀控制机构,所述多通阀控制机构包括:
光电编码器,用于指示多通阀的选通位置;
可编程逻辑控制器,用于实现数据采集、逻辑运算和多通阀控制;
GPRS无线传输模块,用于将所述多通阀控制机构的数据远程传输给上位机监控***。
优选地,上述的煤层气选井装置中,还包括太阳能供电装置,连接所述多通阀控制机构;
所述太阳能供电装置包括:太阳能电池板、蓄电池、逆变器和控制***。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述数据采集包括流量、压力和温度信号的采集,信号的类型为RS485接口信号和Modubus-RTU协议信号。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述传动轴连接220伏交流电机。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述多个单井入口的数量为11个。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述中间旋转阀枕中的气体通路的两端的高度低于所述气体通路中间段的高度。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述中间旋转阀枕具有内表面逐渐向外扩张的喇叭形的接口,每个所述单井入口具有外表面逐渐向内收缩的接头,所述接口的内表面与所述接头的外表面相配合,从而进行连接过程的自动找正。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述接口的内表面与所述接头的外表面之间为面接触,从而形成强制密封的密封面。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述密封面与所述接口的中心线之间的夹角θ的范围为:0度<θ<10度。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述接口的中心线位于水平平面内,通过水平移动所述接口来连接所述接头。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述夹角θ的范围为:2度<θ<8度。
优选地,上述的煤层气选井装置中,所述接头上具有至少两层密封材料。
优选地,上述的煤层气选井装置中,还包括:采用域名寻址方式的GPRS无线传输模块。
优选地,上述的煤层气选井装置中,还包括:电机,连接所述传动轴;所述电机正转带动所述中间旋转阀枕旋转;所述电机反转带动所述接口横向移动连接所述接头。
本发明实施例至少存在以下技术效果:
1)分流总成箱体106位于多个单井入口101的上方,更有利于各单井的煤气顺畅的进入分流总成箱体106中,而且,需要密封的接口都不在最顶端,所以接口处的压力不是最大,更有利于煤气密封。
2)中间旋转阀枕104的形状为“n”形,其中的气体通路的两端的高度低于所述气体通路中间段的高度,这样,两端接口处的压力不是最大,更有利于煤气密封。
3)执行机构只有一台电机,因此故障点少,可靠性高;
4)不需要计量时,可以将11路气井通过三通阀全部导向汇流出口,使计量工艺更加灵活方便。
5)本发明通过光电编码器和可编程逻辑控制器的配合,通过继电器对电机的动作进行控制,从而控制多通阀的选通位置,进而能实现全自动选井。
6)本发明还通过GPRS无线传输模块进行远程监控,能够适应偏远山区无人值守的情况。
7)能够通过喇叭形的接口进行连接过程的自动找正。
8)采用强制密封方式,在电机扭矩有限的条件下获得很大的密封力,保障密封严密,而且适应了太阳能供电的电机扭矩有限的情况。
9)管路连接处增加多层密封圈,由传统的线密封变为面密封。这样,随着多通阀的工作,当第一层密封圈不可用时,可用第二层密封圈。
10)GPRS无线传输模块采用域名寻址方式可以节省工程建设费用。
11)电机正传实现阀芯旋转;电机反转驱动阀芯横向运动,实现计量管路连通。这样,仅通过一台电机就能实现多通阀选井。不仅在电机数量上节省了多通阀投入,在供电时,也节省了太阳能电池板及蓄电池的容量,节省了投资。
附图说明
图1为现有技术的多通阀的剖视图;
图2为图1中的多孔平面体的视图;
图3为本发明提供的多通阀的外形结构图;
图4为本发明提供的多通阀的剖视图;
图5为本发明提供的电气控制***图;
图6为本发明提供的控制流程框图;
图7为本发明提供的控制装置和太阳能供电装置的安装位置图;
图8为本发明另一实施例提供的多通阀的剖视图;
图9为本发明另一实施例提供的接头与接口的剖视图;
图10为本发明另一实施例提供的密封面的压力分析图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。
本发明实施例提供了一种煤层气选井装置,包括多通阀,图3为本发明提供的多通阀的外形结构图,图4为本发明提供的多通阀的剖视图,如图3、图4所示,所述多通阀包括:多个单井入口101、一个计量出口102,一个汇集出口103、传动轴109、中间旋转阀枕104和分流总成箱体106;
所述传动轴109连接所述中间旋转阀枕104,所述中间旋转阀枕104接通所述计量出口102和所述多个单井入口中的被选中的一个单井入口;
所述分流总成箱体106位于所述多个单井入口101的上方,所述分流总成箱体106接通所述汇集出口103和所述多个单井入口中的未被选中的单井入口。
可见,本发明中,分流总成箱体106位于多个单井入口101的上方,未被单独计量的单井气体在上方的分流总成箱体106中汇集,并通过所述汇集出口103流出。所以,与现有液体选井装置的原理性区别,就是流动方向的不同,因为液体具有一定重力,最好的方式是由上向下流动,所以液体汇集区域都在单井入口的下方,而煤气比空气轻,具有向上的趋势,把作为汇集区域的分流总成箱体106设置在上方,更有利于各单井的煤气顺畅的进入分流总成箱体106中,而且,需要密封的接口都不在最顶端,所以接口处的压力不是最大,更有利于煤气密封。
如图4所示,所述中间旋转阀枕104的形状为“n”形,其中的气体通路的两端的高度低于所述气体通路中间段的高度,这样,两端接口处的压力不是最大,更有利于煤气密封。
其中,所述多通阀还包括:
多通体107,接通所述多个单井入口101;
多通板108,位于所述多通体107的上方,接通所述多个单井入口101;
所述中间旋转阀枕104通过与所述多通板108接来选中一个单井入口。
其中,之所以分为多通体107、多通板108两个多孔结构,是因为多通板108需要与中间旋转阀枕104对接,产生摩擦,因此材料要求耐磨一些。
其中,中间旋转阀枕104与所述多通板108接触的一端设置有内密封套110;所述中间旋转阀枕104接通所述计量出口102的一端设置有中心套111。
其中,每个单井入口连接一路单井管路,所述汇集出口103连接汇管;
所述计量出口连接计量管路,所述计量管路连接气体流量计后接入所述汇管;
每个单井管路在接入所述单井入口之前的位置上设置有三通阀,所述三通阀连接所述汇管。因此,在检修多通阀时候,可以让单井管路直接连通汇管,方便检修。
如图7所示,本发明还包括多通阀控制机构702,所述多通阀控制机构702包括:
光电编码器,用于指示多通阀的选通位置;
可编程逻辑控制器,用于实现数据采集、逻辑运算和多通阀控制;
GPRS无线传输模块,用于将所述多通阀控制机构的数据远程传输给上位机监控***。
图5为本发明提供的电气控制***图;图6为本发明提供的控制流程框图;如图5、图6所示,L、N与220V交流电源相接,其中N为零线。SA为电源启动开关,继电器线圈KM11的两端分别与零线和可编程控制器(PLC)的输出相接。当PLC输出高电平时,KM11得电,其相应的触点KM1闭合,单相异步电动机旋转;输出低电平时,KM11失电,其相应的触点KM1断开,电动机停止。通过计算机输入井号,电动机旋转表示正在选井,电动机停止表示按照输入的井号已经选到欲计量的气井。
因此,本发明通过光电编码器和可编程逻辑控制器的配合,通过继电器对电机的动作进行控制,从而控制多通阀的选通位置,进而能实现全自动选井。
本发明还通过GPRS无线传输模块进行远程监控,能够适应偏远山区无人值守的情况。
如图7所示,本发明还包括太阳能供电装置701,连接所述多通阀控制机构;所述太阳能供电装置包括:太阳能电池板、蓄电池、逆变器和控制***。可满足多通阀动作2次/天,动作时间2分钟/次;3个阴雨天***连续工作。因此,对于山区没有正常电力供应的地区,采用太阳能供电装置可以保障电力供应,保障煤层气选井装置的可靠和有效。
其中,所述数据采集包括流量、压力和温度信号的采集,信号的类型为RS485接口信号和Modubus-RTU协议信号。所述传动轴109连接电机114,所述电机为220伏交流电机。
所述多个单井入口的数量为11个。当然,也可以根据需要选择为8、9或其他数目。
如图4所示,多通阀各组成部件如下:
多个单井入口101、汇集出口102、计量出口103、中间旋转阀枕104、中体盖105、分流总成箱体106、多通体107、多孔平面体108、传动轴109,内密封套110、中心套111、下轴承套和轴承压盖112。
传动轴109带动中间旋转阀枕104转动,中间旋转阀枕104的下端多孔平面体108对准来选择一路单井连接计量出口103;其余的单井连接汇集出口102。
本发明中,通过RS485通讯接口与GPRSDTU无线传输模块配合实现数据的远传。为了很好地自适应复杂的应用环境,提高***工作的稳定性,GPRSDTU提供宽范围供电。提供支持标准RS232/RS485接口电平,接口速率可从300bps-115200bps自由设置,7或8位数据位,1-2位停止位,奇偶校验功能,可选的硬件流控制。GPRSDTU上电后可以自动拨号接入GPRS网络并且保持实时在线,如果意外掉线,能够自动发现并自动重新拨号登录GPRS网络。GPRSDTU支持动态域名。GPRSDTU内置TCP/IP协议,无须后台计算机的支持即可打包数据,实现TCP、UDP或FTP传输。
数据终端设备(DTU)提供用于连接用户设备的RS232/485串行接口。***公司的无线公用数据传输网络,即GPRS-1X网络,为智能设备提供透明的数据传输通道。数据中心通过命令接收或发起,接收并处理数据终端的数据。
多通阀和GPRSDTU之间采用RS485通讯方式,通过GPRSDTU无线透明传输到监控中心,监控中心的计算机需要能够上网,可以是具有固定的IP地址或动态域名,如果是动态域名监控中心的计算机还需要安装一个域名解析软件,该软件能够保证当外网IP地址发生变化时GPRSDTU仍然能够将数据准确的传到该计算机上。
由上可知,本发明实施例具有以下优势:
1)分流总成箱体106位于多个单井入口101的上方,更有利于各单井的煤气顺畅的进入分流总成箱体106中,而且,需要密封的接口都不在最顶端,所以接口处的压力不是最大,更有利于煤气密封。
2)中间旋转阀枕104的形状为“n”形,其中的气体通路的两端的高度低于所述气体通路中间段的高度,这样,两端接口处的压力不是最大,更有利于煤气密封。
3)执行机构只有一台电机,因此故障点少,可靠性高;
4)不需要计量时,可以将11路气井通过三通阀全部导向汇流出口,使计量工艺更加灵活方便。
5)本发明通过光电编码器和可编程逻辑控制器的配合,通过继电器对电机的动作进行控制,从而控制多通阀的选通位置,进而能实现全自动选井。
6)本发明还通过GPRS无线传输模块进行远程监控,能够适应偏远山区无人值守的情况。
图8为本发明另一实施例提供的多通阀的剖视图,图9为本发明另一实施例提供的接头与接口的剖视图,如图8、图9所示,所述中间旋转阀枕具有内表面逐渐向外扩张的喇叭形的接口810,每个所述单井入口具有外表面逐渐向内收缩的接头820,所述接口的内表面与所述接头的外表面相配合,从而进行连接过程的自动找正。
这是因为,受执行机构带动阀体在旋转的过程中存在的惯性及执行机构电机控制精度等因素影响,多通阀计量井口切换时,不一定能保持对应的管路严格对正,这样就会影响阀体的密封性。当在油计量时,会因油品具有较大粘度,不至于产生较大影响。但在气体计量时,这种影响就会表现的非常明显。为解决这种问题,本发明实施例在计量管路的结构上进行了改进,即采用喇叭口方式对正。通过这种改进,可以使多通阀在选井的过程中不会因对正不齐影响到阀体的密封效果。在阀体横向运动过程中,如果阀门有微小对正不准,通过连通管路喇叭口之间的横向剪切力,可以使阀门对正到精准位置。
如图8、图9所示,所述接口810的内表面与所述接头820的外表面之间为面接触,从而形成强制密封的密封面。
这是因为,传统的多通阀用于粘度大的原油计量,该种介质对阀体的密封要求要比气体低很多,而气体由于粘度小,容易泄漏,因此容易产生内漏。出现这种问题的关键在于多通阀的结构,由于阀的选井是通过两个电机完成,首先竖向电机转动,使执行机构提起,然后横向电机转动,进行选井,然后竖向电机落下,完成密封。由于多通阀执行机构竖向起落时,会使密封面受力不均匀,导致密封面磨损程度不同,从而影响密封性能。要解决该问题,必需增加执行机构的扭矩,才能达到密封要求,但是采用该方式会同时增加执行机构电机的功率。由于多通阀执行机构是采用太阳能供电,又会增加供电***的投资。因此必须在多通阀的结构上进行创新,否则无法制造成功理想的远程选井装置。所以,经过深入研究,本实施例对多通阀结构做出改进,采用强制密封方式。
图10为本发明密封面的压力分析图,如图10所示,密封面与所述接口810的中心线之间的夹角θ,垂直密封面的密封力为F1,电机施加在密封面上的水平力为F2,根据力学原理可知:
F1×sinθ=F2,其中(0≤θ≤π)。
而F2=Mn/L,其中Mn为电机扭矩,L为扭矩的作用距离,Mn、L均为由电机决定的固定值;
进一步可知:
F1=Mn/(L×sinθ),当θ=0时,F1趋于无穷大,即阀门密封力无穷大。故,很小的电机扭矩下,阀门的密封力也会很大。所以这种密封方式称为强制密封。
采用强制密封的好处,就是在电机扭矩有限的条件下获得很大的密封力,保障密封严密。优选的,所述密封面与所述接口810的中心线之间的夹角θ的范围为:0度<θ<10度。
虽然θ越小,密封力越大,但是θ也体现了喇叭口的开度,如果太小,可能会使自动找正功能受到影响,因此,优选的,所述夹角θ的范围为:2度<θ<8度。
如图8图9所示,所述接口810的中心线位于水平平面内,通过水平移动所述接口810(图9中的箭头方向)来连接所述接头820。
在本发明的一个实施例中,所述接头820上具有至少两层密封材料,例如多层密封圈。通过采用强制密封方式,多通阀计量管路连接处增加多层密封圈,由传统的线密封变为面密封。这样,随着多通阀的工作,当第一层密封圈不可用时,可用第二层密封圈,这样依次进行下去,直至整个密封面上的密封材料都被破坏。而且阀体计量管路连接段采用模块化设计,更换较为方便,保证阀体能够在线,长期工作。
在本发明的一个实施例中,还包括:采用域名寻址方式的GPRS无线传输模块。远程选井装置在实现远程操控的过程中,采用GPRS通讯方式,该方式可以较大幅度的节省通讯费用,但缺点是可靠性差。通过对均值滤波、最大值、最小值滤波、求和滤波等方式必选,最终采用求和滤波的方式,保证通信的可靠性。
GPRS对计算机通讯有两种方式,即:IP地址(广域网IP地址)寻址方式和域名寻址方式。IP地址方式寻址方式需要上位机计算机智能由一台计算机构成,多台计算机通讯会因IP地址无法识别导致通讯失败。域名寻址方式要向电信管理部门申请一个域名,该方式不受上位机数量限制,可以在局域网内通过端口映射实现局域网内信息共享。在现场操作过程中,会因***供货商不同,存在多个上位机,因此本发明实施例采用域名寻址方式可以节省工程建设费用。
在本发明的一个实施例中,还包括:电机,连接所述传动轴109;所述电机正转带动所述中间旋转阀枕104旋转;所述电机反转带动所述接口810横向移动连接所述接头820。
这是因为,传统模式下多通阀控制是通过2台电机完成,横向电机负责阀芯旋转选井,纵向电机负责阀芯提升。当采用强制密封方式时,仅通过一台电机就能实现多通阀选井。电机正传实现阀芯旋转;电机反转驱动阀芯横向运动,实现计量管路连通。这样,不仅在电机数量上节省了多通阀投入,在供电时,也节省了太阳能电池板及蓄电池的容量,节省了投资。
由上可知,本发明实施例进一步具有以下优势:
7)能够通过喇叭形的接口进行连接过程的自动找正。
8)采用强制密封方式,在电机扭矩有限的条件下获得很大的密封力,保障密封严密,而且适应了太阳能供电的电机扭矩有限的情况。
9)管路连接处增加多层密封圈,由传统的线密封变为面密封。这样,随着多通阀的工作,当第一层密封圈不可用时,可用第二层密封圈。
10)GPRS无线传输模块采用域名寻址方式可以节省工程建设费用。
11)电机正传实现阀芯旋转;电机反转驱动阀芯横向运动,实现计量管路连通。这样,仅通过一台电机就能实现多通阀选井。不仅在电机数量上节省了多通阀投入,在供电时,也节省了太阳能电池板及蓄电池的容量,节省了投资。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种煤层气选井装置,包括多通阀,其特征在于,
所述多通阀包括:多个单井入口(101)、一个计量出口(102),一个汇集出口(103)、传动轴(109)、中间旋转阀枕(104)和分流总成箱体(106);
所述传动轴(109)连接所述中间旋转阀枕(104),所述中间旋转阀枕(104)接通所述计量出口(102)和所述多个单井入口中的被选中的一个单井入口;
所述分流总成箱体(106)位于所述多个单井入口(101)的上方,所述分流总成箱体(106)接通所述汇集出口(103)和所述多个单井入口中的未被选中的单井入口;
所述中间旋转阀枕(104)具有内表面逐渐向外扩张的喇叭形的接口(810),每个所述单井入口具有外表面逐渐向内收缩的接头(820),所述接口的内表面与所述接头的外表面相配合,从而进行连接过程的自动找正。
2.根据权利要求1所述的煤层气选井装置,其特征在于,每个单井入口连接一路单井管路,所述汇集出口(103)连接汇管;
所述计量出口连接计量管路,所述计量管路连接气体流量计后接入所述汇管;
每个单井管路在接入所述单井入口之前的位置上设置有三通阀,所述三通阀连接所述汇管。
3.根据权利要求2所述的煤层气选井装置,其特征在于,还包括多通阀控制机构,所述多通阀控制机构包括:
光电编码器,用于指示多通阀的选通位置;
可编程逻辑控制器,用于实现数据采集、逻辑运算和多通阀控制;
GPRS无线传输模块,用于将所述多通阀控制机构的数据远程传输给上位机监控***。
4.根据权利要求3所述的煤层气选井装置,其特征在于,还包括太阳能供电装置,连接所述多通阀控制机构;
所述太阳能供电装置包括:太阳能电池板、蓄电池、逆变器和控制***。
5.根据权利要求3所述的煤层气选井装置,其特征在于,所述数据采集包括流量、压力和温度信号的采集,信号的类型为RS485接口信号和Modubus-RTU协议信号。
6.根据权利要求3所述的煤层气选井装置,其特征在于,所述传动轴(109)连接220伏交流电机。
7.根据权利要求3所述的煤层气选井装置,其特征在于,所述多个单井入口的数量为11个。
8.根据权利要求1所述的煤层气选井装置,其特征在于,所述中间旋转阀枕(104)中的气体通路的两端的高度低于所述气体通路中间段的高度。
9.根据权利要求1所述的煤层气选井装置,其特征在于,所述接口的内表面与所述接头的外表面之间为面接触,从而形成强制密封的密封面。
10.根据权利要求9所述的煤层气选井装置,其特征在于,所述密封面与所述接口(810)的中心线之间的夹角θ的范围为:0度<θ<10度。
11.根据权利要求10所述的煤层气选井装置,其特征在于,所述接口(810)的中心线位于水平平面内,通过水平移动所述接口(810)来连接所述接头(820)。
12.根据权利要求11所述的煤层气选井装置,其特征在于,所述夹角θ的范围为:2度<θ<8度。
13.根据权利要求1、9、10、11、12中任意一项所述的煤层气选井装置,其特征在于,所述接头(820)上具有至少两层密封材料。
14.根据权利要求12所述的煤层气选井装置,其特征在于,还包括:采用域名寻址方式的GPRS无线传输模块。
15.根据权利要求12所述的煤层气选井装置,其特征在于,还包括:电机,连接所述传动轴(109);
所述电机正转带动所述中间旋转阀枕旋转;所述电机反转带动所述接口(810)横向移动连接所述接头(820)。
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