1、第六章 钻机气控制系统第一节概述 一、钻井工艺对控制系统的要求 (1)控制要迅速、柔和、准确及安全可靠；(2)操作要灵活方便、省力，维修以及更换元件容易；(3)操作协调，便于记忆。二、钻机控制系统的作用 (1)对于整体起升的井架，如A形井架和前开口的形井架，在起升时缓冲的控制，放落时推开井架的控制。(2)对动力机的启动、调速、并车、停车的控制。(3)对钻井绞车、钻井泵、转盘等启动与停车的控制。(4)对钻井绞车滚筒和转盘的转速及旋转方向的控制。(5)对钻井绞车滚筒制动与放松的控制。(6)对绞车猫头摘挂的控制。对动力大钳、动力卡瓦等起下钻操作机械的控制。(7)对辅助装置，如空气压缩机、发电机以及钻
2、井液搅拌器的控制。三、钻机气控制系统的特点 (1)经济可靠。气控制系统的工作介质是空气，来源方便。使用后可直接排至大气中，即使泄漏也不会造成污染。(2)空气的粘度小，管内流动压力损失小，适用于远距离输送和集中供气，系统简单。(3)压缩空气在管路内流速快，可直接用气压信号实现系统的自动控制，完成各种复杂 的动作。(4)易于实现快速的直线往复运动、摆动和旋转运动，调速方便。与机械控制相比，气 控制容易布局和操纵。(5)元件结构简单，容易实现标准化、系列化，制造容易。(6)对工作环境适应性好，在寒冷的条件下，仍能保证正常工作。特别是在易燃、易 爆、多尘埃、强磁、潮湿和温度变化大等恶劣场合下，工作安全
3、可靠。(7)空气有可压缩性，因而在载荷变化时，传递运动不够平稳、均匀。(8)工作压力不能太高，传动效率低，不易获得较大的力或力矩。（9)排气时噪声较大。四、气动控制系统的组成 如图61所示，气动控制系统主要由四部分组成。(1)供气设备：是获得压缩空气的装置。主体是空气压缩机(包括储气罐、空气净化装置)。它将原动机(电动机、内燃机等)的机械能转变为气体的压力能。(2)执行元件：是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能变为机械能的能量转换装置。执行元件包括气缸、摆动气缸、气马达以及气动摩擦离合器等。(3)控制元件：用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以便使执行机构完成预定运动规律的
4、元件。如各种压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等。(4)辅助元件：使压缩空气净化、消声及元件间连接等所需要的装置。如防凝器、低压警报器、旋转接头(导气龙头)和管件等。第二节 供气设备 供气设备是气控系统的动力源，它提供清洁、干燥且具有一定压力和流量的压缩空气，以满足不同条件的使用场合对压缩空气质量的要求。供气设备一般包括产生压缩空气的气压发生装置(如空气压缩机)、储气罐和压缩空气的净化装置三部分。一、空气压缩机 空气压缩机是将机械能转换为气体压力能的装置(简称空压机，俗称气泵)。如图62所示为活塞式空气压缩机的工作原理图。曲柄8作回转运动，通过连杆7和活塞杆4带动气缸活塞3作往复直线运动。当活
5、塞3向右运动时，气缸内工作室容积增大而形成局部真空，吸气阀9打，外界空气在大气压力作用下由吸气阀9进人气缸腔内，此过程称为吸气过程；当活塞3向左运动时，吸气阀9关闭，随着活塞的左移，气缸工作室容积减小，缸内空气受到压缩而使压力升高，在压力达到足够高时，排气阀1被打开，压缩空气进入排气管内，此过程为排气过程。图示为单缸活塞式空气压缩机，大多数空气压缩机是多 缸多活塞式的组合。二、空气净化装置 常用净化装置有冷却器、空气过滤器、空气干燥器、除油器和分水排水器、油雾器。1冷却器 冷却器的作用是将空气压缩机排出的气体由140170降至40“-50，使压缩空气中的油雾和水汽迅速达到饱和，大部分析出并凝结
6、成水滴和油滴，以便经油水分离器排出。冷却器按冷却方式不同分水冷式和风冷式两种。2空气过滤器 空气过滤器的作用是滤除压缩空气中所含的液态水滴、油滴、固体粉尘颗粒及其他杂质。过滤器一般由壳体和滤芯组成。按滤芯采用的材料不同可分纸质、织物-、陶瓷、泡沫塑料和金属等形式。常用的是纸质式和金属式。图63(a)为空气过滤器结构原理图。空气进入过滤器后，由于旋风叶片1的导向作用而产生强烈的旋转，混在气流中的大颗粒杂质(如水滴、油滴)和粉尘颗粒在离心力作用下，被分离出来，沉到杯底，空气在通过滤芯2的过程中得到进一步净化。挡水板4可防止气流的漩涡卷起存水杯中的积水。图63(b)为空气过滤器的图形符号。过滤器使用
7、中要定期清洗和更换滤芯，否则将增加过滤阻力，降低过滤效果，甚至堵塞。3空气干燥器 空气干燥器的作用是降低空气的湿度，为系统提供所需要的干燥压缩空气。它有冷冻 式、无热再生式和加热再生式等形式。如果使用的是有油压缩机。则要在干燥器入口处安装除油器，使进入干燥器的压缩空气中的油雾重量与空气重量之比达到规定要求。4除油器和分水排水器 除油器和分水排水器的作用是滤除压缩空气中的油分和水分，并及时排出。5油雾器 油雾器的作用是将润滑油雾化后喷入压缩空气管道的空气流中，随空气进入系统中润滑相对运动零件的表面。它有油雾型和微雾型两种。图64(a)为油雾型固定节流式油雾器结构图。喷嘴杆上的孔2面对气流，孔3背
8、对气流。有气流输入时，截止阀10上下有压力差，被打开。油杯中的润滑油经吸油管11，视油帽8上的节流阀7滴到喷嘴杆中，被气流从孔 3引射出去，成为油雾，从输出口输出。图64(b)为油雾器的图形符号。在气源压力大于o1MPa时，油雾器允许在不关闭气路的情况下加油。供油量随气流大小而变化。油杯和视油帽采用透明材料制成，便于观察。油雾器要有良好的密封性、耐压性和滴油量调节性能。使用时，应合理地调节起雾流量等参数，以达到最佳润滑效果。三、储气罐 储气罐的作用是储存空压机排出的压缩空气，减小压力波动；调节压缩机的输出气量与用户耗气量之间的不平衡状况，保证连续、稳定的流量输出；进一步沉淀分离压缩空气中的水分
9、、油分和其他杂质颗粒。储气罐一般采用焊接结构，其形式有立式和卧式两种，立式结构应用较为普遍。使用时，储气罐应附有安全阀、压力表和排污阀等附件。此外，储气罐还必须符合锅炉及压力容器安全规则的要求，如使用前应按标准进行水压试验等。第三节第三节 执行元件执行元件 执行元件的作用是将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动工作部件工作。本节主要介绍钻机种常用的气缸、气动马达和气动摩擦离合器。一、气缸 气缸是输出往复直线运动或摆动运动的执行元件，在气动系统中应用广、品种多。按作用方式分，有单作用式和双作用式；按结构形式分，有活塞式、柱塞式、叶片式、薄膜式；按功能分，有普通气缸和特殊气缸(如冲击式、回转式和气一
10、液阻尼式)。二、气动马达 气动马达是输出旋转运动机械能的执行元件。它有多种类型，按工作原理可分为容积式和涡轮式，容积式较常用。按结构可分为齿轮式、叶片式、活塞式、螺杆式和膜片式。如图68(a)所示为叶片式气动马达的工作原理。压缩空气由A孔输入，小部分经定子两端密封盖的槽进人叶片1底部(图中未表示)，将叶片推出，使叶片贴紧在定子内壁上；大部分压缩空气进人相应的密封空间而作用在两个叶片上，由于两叶片长度不等，就产生了转矩差，使叶片和转子按逆时针方向旋转；做功后的气体由定子上的c孔和B孔排出，若改变压缩空气的输入方向(即压缩空气由B孔进入，A孔和C孔排出)，则可改变转子的转向。三、气动摩擦离合器 气
11、动摩擦离合器在挂合时用于传递转矩，摘开时可使主动件与被动件分离，动力被切断。它可使工作机启动平稳，换挡方便，并有过载保护作用。结构如图69所示。气胎离合器是柔性离合器，气胎是一个椭圆形断面的环形多层夹布橡胶胎。由于它要传递大的转矩，橡胶胎用热压硫化法在压膜内压制，它的所有构件包括钢轮缘、管接头与气胎都牢固地硫化成一体，成为一个整体结构。金属衬瓦通过圆柱销固定在气胎的内表面上，圆柱销成对地用铁丝缠在一起。当气胎充气后，气胎沿直径方向向内膨胀，于是摩擦片抱紧摩擦轮。1通风型气胎离合器 钻机用通风型气胎离合器是在一般气胎离合器的基础上发展起来的。其隔热和通风散热性能好，气胎本身在工作时不承受扭矩。特
12、点是：挂合平稳、摘开迅速、摩擦片厚、寿命长、易损件少、更换易损件方便、经济性好。其局部剖视如图610所示。通常，造成气胎离合器损坏的原因是工作过程中，离合器摩擦片的打滑及半打滑而产生 大量的热，使得气胎被烧坏，橡胶老化而损坏。2气动盘式摩擦离合器 如图611所示，气动盘式摩擦离合器具有耗气量小、传递转矩大的特点，在国外钻机应用较多。主动链轮旋转后，带动连接盘和内齿圈旋转，摩擦盘通过外齿和内齿圈相啮合，这时被动轴不旋转，它们之间由轴承分开。当压缩空气经过导气龙头、快速放气阀，进入胶皮隔膜左端时，胶皮膜向右膨胀推动齿盘与摩擦盘压紧，齿盘被带动旋转，而齿盘通过内齿与被动盘上的外齿相啮合，被动轴被带动
13、旋转。胶皮隔膜左端的压缩空气放空后，胶皮隔膜复原，摩擦盘与齿盘在弹簧作用下复位，则主动链轮与被动轴之间的动力又被切断。第四节第四节 控制元件控制元件 气控制元件的作用是调节压缩空气的压力、流量、方向以及发送信号，以保证气动执行元件按规定的程序正常动作。按功能可分为压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。一、压力控制阀 压力控制阀是利用压缩空气作用在阀芯上的力和弹簧力相平衡的原理来控制压缩空气的压力，进而控制执行元件动作顺序。主要有减压阀、溢流阀、顺序阀和调压继气器。1减压阀 减压阀的作用是将出口压力调节在比进口压力低的调定值上，并能使输出压力保持稳定，又称为调压阀。减压阀分为直动式和先导式两种。主
14、要用于要求平稳启动和有选择压力的控制气路上，如转盘启动、绞车高低速启动、柴油机油门等控制。如将它和手柄、凸轮、手轮、踏板等配合使用，便可构成各种不同的调压阀，如手轮调压阀、脚踏调压阀等。2溢流阀 溢流阀的作用是当系统中的压力超过调定值时，使部分压缩空气从排气口溢出，并在溢流过程中保持系统中的压力基本稳定，从而起过载保护作用(又称为安全阀)。溢流阀也分为直动式和先导式两种。按其结构可分为活塞式、膜片式和球阀式等。如图615所示为直动式溢流阀结构原理图。当输入压力超过调定值时，阀芯3便在下腔气压力作用下克服上面的弹簧力抬起，阀口开启，使部分气体排出，压力降低，从而起到过载保护作用。调节弹簧的预紧力
15、可改变调定压力的大小。3顺序阀 顺序阀是依靠气路中压力的作用来控制执行机构按顺序动作的压力阀。如图617所示为石油钻机气动系统中用的顺序阀(压力调节阀)，它与二位三通气控阀(两用继气器)配合使用，用以控制钻机上空气压缩机离合器的摘挂，从而实现空气压缩机自动启停。4调压继气器 调压继气器的控制气是由调压阀供给压力可变的压缩空气，来自主气路的定压压缩空气通过调压继气器后，可以输出相应的压力可变的压缩空气至执行机构元件。调压继气器的结构如图619所示。它有供气孔I、送气孔E、控制气孔C和排气孔A。当控制气自控制气孔C作用在阀芯表面时，推动阀门向左移动封死排气孔A。同时，阀芯座在控制气的作用下带动平衡
16、套继续向左移动，使内阀脱离阀门的右阀门，于是，主气路的压缩空气则由供气孔I经此间隙而流向送气孔E，送往执行机构。当执行机构中的压力上升到某一定值时，平衡套则处于平衡状态。若控制压力下降，则平衡套向右移动，带动内阀右移，进而又带动阀门右移，打开排气孔A，E、A连通，排出一部分工作气，达到在压力较低时的新的平衡，排气孔又关闭。二、流量控制阀 流量控制阀的作用是通过改变阀的通气面积来调节压缩空气的流量，控制执行元件运动速度。它主要包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀和行程节流阀。如图620(a)所示为排气节流阀的结构原理图。由于其他流量控制阀的工作原理与液压流量控制阀相似，故不再重复。图620(b)为
17、排气节流阀的图形符号。三、方向控制阀 方向控制阀的作用是控制压缩空气的流动方向和气流的通断。方向控制阀种类很多，也有与液压方向阀相似的多种分类方法，故不再重复。1单向阀 单向阀的作用是只允许气流向一个方向流动。它包括单向阀、梭阀和快速排气阀等。如图621(a)所示为单向阀结构原理图，当气流由P口进入时，气压力克服弹簧力和阀芯与阀体之间的摩擦力，使阀芯左移，阀口打开，气流正向通过。为保证气流稳定流动，P腔与A腔应保持一定压力差，使阀芯保持开启状态。当气流反向进入A腔时，阀口关闭，气流反向不通。如图621(b)所示为单向阀的图形符号。2换向阀 换向阀的作用是通过改变气流通道，改变气流方向，以改变执
18、行元件运动方向。1)二位三通转阀(二通气开关)二位三通转阀用于控制离合器的进气或放气，从而决定了执行机构的工作与否。二位三通转阀的结构如图624所示，它由主体、滑阀、盖、转轴、手柄等主要零件组成。在主体上有通进气管线的孔I，有与执行机构管线相连的孔E，还有与大气相通的孔A。盖与本体用圆柱头螺钉连接。盖内装有转轴、滑阀、弹簧等零件，转轴的四方端头与手柄套相配合。当手柄转动时，转轴也转动，转轴带动滑阀转动；当手柄处于不同位置时，滑阀也有不同位置，因而可以得到不同工作状态。当进气孔I和E孔相通时，通大气孔A被堵住，这时所控制的离合器处于进气状态。当E孔和大气孔A相通时，进气孔I被堵住，这时离合器处于
19、放气状态。2)三位五通转阀(三通气开关)三通气开关是控制两个相互有连锁关系的气动离合器的，也就是说这两个气动离合器不允许同时进气。三通气开关的结构、原理和二通气开关基本相同，如图625所示。所不同的是在主体上它有两个通大气孔A1和A：，两个执行机构的送气孔E，和E：。利用手柄操作位置的不同，可以得到三个不同的工作状态；一是I进气，E1通气置2与大气孔A2相通；二是I进气，E：通气，E1与大气孔A，相通；三是IfL被堵住，E，与A1相通，E2与A：相通，均处于放气状态。3)二位三通按钮阀 按钮阀的作用是只要按下按钮，就可从气路中分配压缩空气至需要供气处，或者将某控制元件的压缩空气放人大气，它用于
20、防碰天车气路和刹车气缸放气。其结构如图626所示。它由弹簧，可上、下活动的阀杆以及三个通气孔A、B和C组成。它有常开和常闭两种接法，其工作情况如图627所示。4)气动二位三通阀(两用继气器)气动二位三通阀结构如图628所示，它由控制气室、常闭气室、常开气室和一个活动阀门构成。它主要靠控制室的进放气推动活塞，开启和关闭阀门来完成气胎离合器大气量气缸的进放气。两用继气器的作用原理，按气路管线连接方法的不同，分为常闭使用法和常开使用法两种。第五节第五节 辅助元件辅助元件一、单向导气龙头一、单向导气龙头 单向导气龙头用于连接不转动的供气管线和装有气动摩擦离合器的转动轴头，从而将压缩空气导人气动摩擦离合
21、器。其结构如图631(a)所示。单向导气龙头主要由转动部分冲管、静止部分外壳和端面密封部分构成。冲管与转动的轴头相连接并随之转动，密封盖在弹簧力的作用下与冲管端面贴合，形成一个相对 运动的密封通道。二、酒精防凝器 此装置用于将酒精蒸汽混入压缩空气的水分中，而合成一种混合物，从而使其冰点显著降低，最低可达68，不同比例的乙二醇一水的冰点是不同的，可适用于低温地区。三、甘油防凝器 压缩空气经过此装置时，其所含水分与雾化的甘油形成一种混合物，使其冰点降低。混合比例不同，冰点也不同，最低可达-465。第六节第六节 典型钻机的气控制系统典型钻机的气控制系统一、绞车滚筒离合器和换挡离合气控回路一、绞车滚筒
22、离合器和换挡离合气控回路 当防碰天车起作用时，由防碰天车来的压缩空气使控制阀9处于断气位置，整个系统断气，总离合器，滚筒离合器等摘开，起到安全保护作用。正常情况下，压缩空气经二位三通气控阀9，分为三路：一路去换挡控制系统；一路经三位四通转阀7控制总离合器，换挡离合器，惯性刹车离合器等；一路经二位三通旋塞阀10、手柄调压(减压)阀1、调压继动阀等控制滚筒离合器。三位四通转阀7处于中位时，总离合器、换挡离合器、惯性刹车离合器等均为放气，处于摘开状态，阀7处于左位时，二位三通气控阀8有控制气，处于右位，换挡离合器进气挂合，同时阀7向二位三通转阀6供气，阀6处于左位不通，使二位三通气控阀5断气，总离合
23、器摘开。当阀6处于右位，向阀5提供控制气，使阀5处于右位、向总离合器供气，总离合器挂合；阀7处于右位时，至总离合器的气路断气，总离合器摘开。同时阀7向惯性刹车离合器供气，起到刹车的作用。二、转盘和钻井泵气控回路 转盘和钻井泵的气控回路比较简单，如图634和图635所示。如图634所示为转盘的气控回路，当二位三通转阀3处于左位时，调压继动阀无控制气，转盘离合器放气，摘开。当二位三通转阀3处于右位时，有压缩空气输出、经手柄调压阀4，作为控制气向调压继动阀2供气，调压继动阀2向转盘离合器供气，离合器挂合。如图634所示，钻井泵气控系统是由二位三通转阀1和2来控制的。三、防碰天车气控回路 防碰天车气控
24、回路如图636所示。在游动系统提升过程中，如果因为机械或人为的原因超过预先调节好的高度时，由于防碰天车链传动装置的作用，使二位三通机控阀(顶杆阀)12开启，主气路的压缩空气经机控阀12，再经二位三通手动阀(按钮阀)日后，气流分为两路：一路控制二位三通气控阀(常闭)1开启，使主气路中的压缩空气，经梭阀2进人刹车气缸3，刹住旋转的滚筒；另一路进入二位三通气控阀9(常开)，切断由主气路来的气。因此，一方面使手柄调压阀10无输出，调压继动阀11无控制气输入而放空，摘开滚筒离合器3；另一方面，为了确保安全可靠，由二位三通气控阀9供气的三位四通阀和二位三通转阀也无压缩空气输出，因此二阀控制的总离合器也就摘
25、开。总之，当防碰天车装置的顶杆阀起作用后，同时有三方面的情况发生，即由于刹车气缸动作而刹车，摘开滚筒离合器和总离合器。待处理完后，按下按钮阀2(即梭阀，或称为换向阀)，使刹车气缸放气，下放游动系统，恢复正常工作。四、空气压缩机自动控制回路 前面提到石油钻机气控制系统中有一台自动压风机，实际是一台普通的空气压缩机配上气控系统，实现自动停或开。其控制回路如图637所示。当主气路(储气罐)的压力达到工作所需要的压力时(如Sxl0；h)，气体压力克服顺序阀的弹簧力将阀芯顶开，同时将螺丝套的放气孔关闭，顺序阀有气输到二位三通气控阀(常开继气器)，在控制气作用下，阀1换向，处于右位，关闭主气路与空气压缩机
26、离合器的通道，该离合器放气，空气压缩机停车。当主气路压力降到某一值时(如6-5x10iPa)，顺序阀的阀芯在弹簧作用下复位，关闭阀4的通路、阀1因无控制气而开启，阀1向空气压缩机离合器供气，离合器挂合，空气压缩机工作。同时阀4丝套放空口打开，阀1控制余气由阀4的丝套放空口放空。如此重复循环，使主气路始终保持在一定的压力范围，如(65S)x10iPa。五、柴油机油门遥控装置气控回路 柴油机油门遥控回路如图638所示。在正常钻进时，开启手柄调压阀，使压缩空气经梭阀、节流阀、旋塞阀进入气缸，使气缸的活塞杆伸出，推动摇臂旋转，又通过连杆机构带动柴油机油泵组的摇臂旋转，使油门加大，提高柴油机转速，并稳定
27、在预先已调好的某一转速下运转。在起、下钻作业时，首先把阀3关闭。利用脚踏调压阀4，当阀4开启的，压缩空气经阀5，阀6及阀1缓慢进入气缸中，活塞伸出，使油门加大，柴油机转速升高。当松开阀4时，控制气断开，活塞杆恢复原位，柴油机转速由高速降到低速运转。在上述进气过程中，二位三通旋塞阀应处于开启位置。该阀可设置在柴油机房，控制柴 油机的转速(在阀3或阀4开启状态下)。六、气控换挡回路 为了操作方便，钻机换挡可采用气控换挡，在起、下钻井作业和钻进作业时，由司钻根据需要和钻机的能力进行气控换挡。如图639所示为ZJl303钻机气控换挡回路。气换挡操作程序如下：(1)摘开总离合器(TQL-2x700)；(
28、2)摘开挂挡离合器(TQL-2x600)；(3)挂合惯性刹车(TQL-500)；(4)利用三位五通转阀，使三位气缸处于所需挡位(图639只画了一个传动箱的情况)：(5)摘开惯性刹车，若换挡压力表(图639只画出了一个传动箱的压力表)都升压则换挡成功，若两个或一个不升压，则表示换挡未成功；(6)换挡未成功时，按下按钮阀，微摆机构动作，可使换挡成功，两个换挡压力表都升压。微摆机构由微摆气缸与惯性刹车组成；(7)挂合换挡离合器与总离合器。第七节第七节 钻机气控制系统的维护保养钻机气控制系统的维护保养 (1)防止压缩空气的漏失。气控制系统的正常工作，必须保证供给一定数量和一定压力 的压缩空气，否则会出
29、现动作失误或出力不足等事故。因此，要减少漏气，就必须注意各气 控元件以及管线接头等的密封。在动力机停止运转时，不允许有空气的漏失声。停车后，挂 合全部离合器，管线压力的下降应在允许范围内，对于ZJl303钻机来说，在压缩空气压 力不低于9个大气压时历时30min降压不超过1个大气压。(2)注意管道的清洁。如果有污物、杂质进人气管就会使阀件失灵。钻机移运时，拆开 的管路接头必须保护好金属管线的敞口均需用软木塞堵死。管线安装前应用压缩空气清扫 管道，然后再接，绝不可大意。(3)当发现气控阀件工作失灵时，不要不加分析地就随便拆开阀件，因为气控阀件的失 灵原因很多，有时并不是阀件本身有毛病，而是由于气路管线堵塞或空气压力太小(气源压 力低，管线漏气严重)等原因引起。
