第六章钻机气控制系统.ppt

1 钻机的控制系统是整套钻机必不可少的组成部分 它是钻机的中枢神经系统 6 1概述 2 6 1 1钻井工艺对控制系统的要求 控制要迅速 柔和 准确及安全可靠 操作要灵活方便 省力 维修以及更换元件容易 操作协调 便于记忆 3 6 1 2钻机控制系统的作用 整体井架起升和放落的控制 动力机的启动 调速 并车 停车的控制 钻井绞车 钻井泵 转盘等启动与停车的控制 钻井绞车滚筒和转盘的转速及旋转方向的控制 钻井绞车滚筒制动与放松的控制 绞车猫头摘挂的控制 动力大钳 动力卡瓦等起下钻操作机械的控制 空气压缩机 发电机和钻井液搅拌器等辅助装置的控制 4 6 1 3钻机气控制系统的特点气压控制是目前石油钻机上广泛采用的一种控制方式 在以柴油机为动力的石油钻机上 几乎全部采用以气控制为主的控制方式 5 气压控制的特点 经济可靠 适用于远距离输送和集中供气 系统简单 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 易于实现快速的直线往复运动 摆动和旋转运动 调速方便 容易操纵 元件结构简单 容易实现标准化 系列化 制造容易 对工作环境适应性好 工作安全可靠 传递运动不够平稳 均匀 工作压力不能太高 传动效率较低 排气时噪音较大 6 6 1 4气动控制系统的组成如图6 1所示 气压控制系统主要由以下四部分组成 供气设备 获得压缩空气的装置 主体是空气压缩机 包括储气罐及空气净化装置 由空气压缩机将原动机的机械能转变为气体的压力能 执行元件 气压缸 气压马达 气动摩擦离合器等 由它们将气压能转变为机械能 驱动工作机按要求工作 控制元件 各种气体压力 流量 方向控制阀 辅助元件 空气净化 消声 连接件等 7 图6 1 8 供气设备是气控系统的动力源 由它提供清洁 干燥且具有一定压力和流量的压缩空气 供气设备一般包括 空气压缩机 储气罐 压缩空气净化装置 6 2供气设备 9 6 2 1空气压缩机空气压缩机是将机械能转变为气体压力能的装置 简称为空压机 俗称气泵 气体压缩机和液压泵一样 都是把机械能转变成流体的压力能的装置 只是压缩机是对气体做功 把机械能转变为气体压力能 按工作原理不同 空压机可分为容积式和速度式两大类 在气压传动中 一般多采用容积式压缩机 1 容积式压缩机依靠气缸工作容积周期性变化来压缩气体 从而达到把机械能转变为气体压能的目的 容积式压缩机包括 活塞式 膜片式 螺杆式 10 2 速度式压缩机通过改变气体的速度 提高气体动能 然后将动能转化为压力能 从而提高气体压力 速度式压缩机包括 离心式 轴流式 混流式 大多数空气压缩机是多缸多活塞式的组合 11 6 2 2空气净化装置在气压传动系统中 为了保证系统的正常工作 必须设置除水 除油 除尘和干燥等气源净化装置 有时 压缩空气还需经过多次净化后才能使用 常用的净化装置有 冷却器 空气过滤器 空气干燥器 除油器和分水排水器 油雾器等 1 冷却器作用是将空气压缩机排出的气体由140 170 降至40 50 以便分离油水 按冷却方式不同 冷却器分为水冷式和风冷式两种 2 空气过滤器作用是滤除压缩空气中所含的液态水滴 油滴 固体粉尘颗粒及其它杂质 12 空气过滤器按滤芯材料不同可分为 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 3 空气干燥器作用是降低压缩空气的湿度 为系统提供所需要的干燥压缩空气 空气干燥器分 冷冻式 无热再生式 加热再生式 4 除油器和分水排水器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件的表面 供油量随气流量大小而变化 油雾器要有良好的密封性 耐油性和滴油量调节性能 油雾器分油雾型和微雾型 13 6 2 3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执行元件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 油分和其它杂质颗粒 储气罐一般采用焊接结构 有立式和卧式两种形式 储气罐必须符合压力容器安全规则的要求 使用前必须按标准进行水压试验 14 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 气动系统的执行元件主要包括 气压缸 气动马达 气动摩擦离合器等 6 3执行元件 15 6 3 1气缸气缸是输出往复直线运动或摆动运动的执行元件 它是钻机气控系统中使用较多的执行元件之一 气缸的分类 按作用方式分为 单作用式和双作用式 按结构形式分为 活塞式 柱塞式 叶片式 膜片式 按功能分为 普通气缸和特殊气缸 如冲击式 回转式以及气 液阻尼式等 1 单作用式气缸单作用式气缸 仅在气缸的一端有压缩空气进入 并推动活塞或柱塞运动 而活塞或柱塞的返回则需要借助其它外力 如弹簧力 重力等 才能完成 16 单作用式气缸一般用于短行程或对活塞杆推力 运动速度要求不高的场合 2 薄膜式气缸薄膜式气缸 利用压缩空气使膜片变形来推动活塞杆做直线运动的气缸 薄膜式气缸由缸体 膜片 膜盘和活塞杆等组成 膜片形状有盘形膜片和平膜片两种 膜片材料有 夹织物橡胶 钢片和磷青铜片 常用的为夹织物橡胶 金属膜片只用于行程较小的膜片式气缸 3 回转式气缸回转式气缸由导气头体 缸体 活塞 活塞杆等组成 回转式气缸的缸体连同缸盖及导气芯可被携带回转 活塞和活塞杆只能作往复直线运动 导气头体外接管路 固定不动 17 三位气缸又称做 三位继动器 三位气动作筒 用于操作有三个工作位置的机构 例如用于绞车换档装置 由于活塞杆有左 中 右三个位置 所以可获得绞车I 档和空档 三位气缸的结构如下图所示 18 6 3 2气动马达气动马达 是输出旋转运动机械能的执行元件 气动马达的种类 按工作原理可分为 容积式和涡轮式 常用的是容积式 按结构可分为 齿轮式 叶片式 螺杆式和膜片式 19 6 3 3气动摩擦离合器气动摩擦离合器 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 图6 2所示 为普通型气胎离合器 采用气动摩擦离合器 可使工作机启动平稳 换挡方便 并有过载保护作用 气动摩擦离合器 俗称气离合器 它具有以下特点 传动柔和 具有弹性 抗冲击 吸收振动 操作省力 方便 迅速 易于实现远距离集中控制 结构简单 寿命长 反应快 能准确地控制所传递的扭矩 能补偿安装误差 20 图6 2 21 图6 3 22 1 通风型气胎离合器通风型气胎离合器是在普通气胎离合器的基础上发展起来的 其特点是 隔热和通风散热性能好 气胎本身在工作时不承受扭矩 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 图6 4所示 为通风型气胎离合器结构示意图 通风型气胎离合器在结构上的主要特点是 增加了一套散热传能装置 散热传能装置主要由扇形体 承扭杆 板簧和挡板等零件组成 通风型气胎离合器的气胎外表面与钢圈相接触 摩擦片用铆钉或平头螺栓固定在扇形体的内侧 扇形体中部有导向槽 槽中装有承扭杆和以一定予压力压在承扭杆上的板簧 承扭杆中部为长方形 两端为圆柱体 它的两端伸出扇形体 并插进与钢圈相连的挡板上的相应孔中 23 图6 4 图6 4所示 为通风型气胎离合器结构示意图 24 接合时 压缩空气进入气胎 气胎沿径向向内膨胀 推动扇形体沿着导向槽相对于固定在挡板上的承扭杆向轴心移动 使摩擦片逐渐抱紧摩擦轮 实现挂合 同时板簧也受到压缩 由于扇形体和气胎之间无连接 故摩擦轮与摩擦片工作表面产生的转矩 不经过气胎 而是经过扇形体 承扭杆 挡板 钢圈等零件来传递的 此外 扇形体将发热的摩擦片与气胎隔开 且扇形体内部做成了蜂窝状结构 即在通风孔中铸有许多小散热片 在挡板上内圈相应位置上亦开有通风孔槽 使工作过程中产生的热量能尽快散发到周围的空气中而不影响气胎 气胎的作用只是产生径向推力和正压力 不受扭 不受热 解决了气胎易烧坏 易老化的难题而大大提高了气胎的寿命 25 摘开离合器时 除气胎本身的弹性恢复原状外 还有板簧的弹力以及旋转的离心力的作用而使摩擦片迅速脱开摩擦轮 从而减少了因打滑产生的热量 减轻摩擦片的磨损 提高了摩擦片的使用寿命 通风型气胎离合器 散热好 寿命长 但结构比普通型复杂 高速工作时 离心力对离合器工作能力的影响也相应加大 因此 它适用于挂合频繁 转矩大而转速不太高的场合 如绞车滚筒低速离合器 26 2 气动盘式离合器图6 5所示为气动盘式离合器 这种离合器的工作表面是环状平面 工作时 摩擦片沿轴向移动 故又称为轴向作用式离合器 按其气室结构形式不同 分为隔膜型 活塞型和气囊型 按摩擦盘数分 可分为单盘 双盘或多盘几种 图6 6 图6 7和图6 8所示为隔膜型和气囊型气动盘式离合器 图6 5 27 图6 7 图6 8 图6 6 28 气动盘式摩擦离合器特点是耗气量小 传递转矩大 国外钻机多采用这种离合器 我国主要发展胎式气离合器 也研制盘式离合器 但为数不多 因为胎式气离合器综合技术经济指标较好 特别是通风型胎式离合器的出现 提高了其传递扭矩的能力和工作寿命 大有发展前途 3 气动摩擦离合器的应用在同一台钻机上可根据其工作条件不同 而采用不同结构类型的离合器 气动摩擦离合器的选用原则如下 29 1 要求传递扭矩不大 挂合不频繁的场合 如柴油机至变矩器 带泵 并车处 大多采用普通型胎式离合器 以取其结构简单 挂合平稳柔和 制造和安装技术要求低的特点 气动盘式摩擦离合器特点是耗气量小 传递转矩大 国外钻机多采用这种离合器 2 传递扭矩大 工作繁重的总离合器以及工作扭矩大 挂合频繁的绞车低速离合器 转盘离合器 可采用通风型胎式离合器 以取其挂合柔合 摘开迅速 通风传热性能好 传递扭矩大 寿命长等优点 3 对于5000m以上的超深井钻机 由于绞车低速离合器要传递很大扭矩 M 100KN m 可考虑选用盘式气离合器 以取其工作扭矩大 结构紧凑特点 但应减少其挂合次数而必须设高速离合器 30 气控制元件的作用 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 气动系统的控制元件就是各种气控制阀 气动系统对气阀的要求是 灵敏性高 反应快 耐用性好 寿命长 制造维修容易 气控制元件按其功能分为 压力控制阀 流量控制阀 方向控制阀 6 4控制元件 31 6 4 1压力控制阀压力控制阀 利用压缩空气作用在阀芯的力和弹簧力平衡的原理 控制压缩空气的压力 进而控制执行元件动作顺序 压力阀主要有 减压阀 溢流阀 顺序阀 调压继电器 1 减压阀 调压阀 作用 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 减压阀又称调压阀 分为直动式和先导式两种 减压阀用在压缩空气配制装置内 不管供气孔进入的压缩空气的气压多大 流量如何 经过减压阀后 都能给出稳定的和减小了的气压供给气控系统 在上 下储气罐之间装上减压阀 可以使输出气罐压力保持稳定 不产生 或较少产生 压力波动 从而保证了各个控制阀件性能恒定 32 减压阀结构如图6 9所示 其进气压力由调节元件调定 压缩空气经导阀和内阀的间隙进入执行机构 当执行机构内的气压上升至某一数值时 使导阀上表面承受气体压力大于上顶的弹簧力 因而导阀向下移动 于是阀门关闭了进气间隙 进气口停止进气 出气口的工作气压就保持恒压 调节尾部的螺钉可以改变减压后的气体压力 图6 9 33 调压阀是基本控制元件 如将控制手柄改为手轮 脚踏板等 可构成手轮调压阀 脚踏板调压阀 以及高低压气瓶中的减压阀 如图6 10 图6 10 34 调压阀的结构图如图6 11所示 工作原理如图6 12所示 图6 12 图6 11 35 在这时 I E A各孔互不相通 不进气 也不放气 对应手柄的凸轮的各个位置都有一个对应的供气量 可在出口E的气路上接一压力表观察之 这就是调压过程 实际上 是一降压过程 即根据实际需要将压力调得比总供气管线的压力低一些 图6 12 36 向右转动手柄凸轮时 弹簧 3 伸长 最终将使下钢珠与下座脱离 执行机构和胶皮隔膜上部的压缩空气 通过已打开的空心管子从A孔中放空 此为放气过程 通过调节其尾部的调节螺钉 可以调节其出口压力 图6 12 37 双向调压阀 双向调压阀的进气 调压 放气与单向调压阀一样 不同在于 双向 与 单向 之别 对那些需要相互制约的控制 如F 200钻机绞车滚筒轴的高低速离合器等都采用这种双向调压阀 图6 13 38 图6 13是双向调压阀的工作原理图 主体部分与单向调压阀完全相同 左右两个顶杆阀由两个相位不同的凸轮 凸轮与中间主凸轮固结在一起 并由同一手柄驱动 通过机械杠杆控制 显然 当左开关打开进气时 E1孔和I孔相通 则右开关关闭 E2孔和A2孔相通 同理 当右开关进气时 I孔和E2孔相通 则左开关关闭 E1孔和A1孔相通 图示的位置为左开关 左顶杆阀 进气 右开关 右顶杆阀 放气状态 图6 13 39 2 溢流阀作用 当系统压力超过调定值时 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 又称安全阀 溢流阀分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 3 顺序阀作用 顺序阀依靠气路中的压力的作用来控制执行机构按顺序动作 4 调压继气器作用 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元件 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 40 调压继气器的结构如图6 14所示 它有供气孔I 送气孔E 控制孔C 排气孔A 图6 14 41 6 4 2流量控制阀流量控制阀的作用 通过改变阀的通气面积来控制执行元件进气或排气的流量 以调节执行机构的运动速度 流量控制阀也称为调速阀 由于气体的可压缩性 气动系统中的流量只能采用节流的方式进行控制 任何一个流量阀都有节流部分 大多为可调的 空气流经小孔或缝隙也必然产生显著的压力降 流量控制阀主要包括 节流阀 单向节流阀 排气节流阀和行程节流阀 42 节流阀 节流阀的结构如图6 15所示 它由阀体 针形阀等组成 调节针形阀的位置 即可控制气体流量 此阀用于钻机总离合器的进气管路上和其它气路中 使离合器挂合较为柔和 图6 15 43 6 4 3方向控制阀方向控制阀的作用 控制压缩空气的流动方向或气流的通断 从而实现执行元件的换向 方向控制阀一般采用阀芯切换进 出气通道 达到气路换向的目的 方向控制阀的种类与液压方向阀类似 种类很多 按操纵方式分为手动和气控两种 常用的有手动两通阀 单向阀 三通旋塞阀 气控二位三通阀 两用继气器 等 1 单向阀作用 只允许气流向一个方向流动 单向阀包括 单向阀 梭阀和快速排气阀 1 单向阀 气流正向通过 反向则不通 44 2 梭阀 若有两个输入口 一个输出口 并要求两个输入口不允许相通时 就可梭阀进行控制 当两个输入口同时进气时 压力高的输入口与输出相通 低压口则自动关闭 3 快速排气阀 用于将气胎 气盘 气缸等执行元件内压缩空气迅速排放出来 提高传动系统的启 停灵敏度 延长摩擦零件的寿命 2 换向阀作用 通过改变气流通道来改变气流方向 以改变执行元件的运动方向 1 二位三通转阀 二通气开关 作用 用于控制离合器的进气或放气 从而决定执行机构的工作与否 45 二通气开关的结构如图6 16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结 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 图6 16 46 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 这时离合器处于放气状态 图6 16 47 2 三位五通转阀 三通气开关 作用 三通气开关是控制两个相互有联锁关系的气离合器的 也就是说这两个气离合器不允许同时进气 如图6 17所示 三通气开关的结构 原理和二通气开关基本相同 所不同的是它有两个通大气孔A1和A2 两个通执行机构的送气孔E1和E2 48 利用手柄不同的操作位置 可以得到三个不同的工作状态 一是I进气 E1通气 E2与大气相通 二是I进气 E2通气 E1与大气孔相通 三是E1 E2气孔被堵住均不能进气 且E1与A1相通 E2与A2相通 均处于放气状态 49 3 二位三通按钮阀作用 只要按下按钮 就可从气路中分配压缩空气至需要供气处 或将某控制机构的压缩空气放入大气 它用于防碰天车气路中气路和刹车气缸放气 其结构如图6 18所示 图6 18 50 如图6 19梭示 按扭阀它有常开和常闭两种接法 常开接法 用于防碰天车气路系统 孔B接进气孔 孔C接送气孔 孔D通大气孔 未按下按钮时 孔B 孔C 压缩空气通过 按下按钮时 孔C 孔D 通大气 孔B不通 图6 19 51 常闭接法 用于换档微动装置 孔D接进气孔 孔C接送气孔 孔B通大气孔 未按下按钮时 孔D 孔C互不相通 孔C 孔B 通大气 按下按钮时 孔D 孔C 压缩空气通过 图6 19 52 4 两用继气器 当直接由发令元件向控制机构送气时 管线长 进气慢 挂档时间长 而气摩擦离合器在进气慢 压力低的情况下 容易打滑发烧 所以在一些经常摘 挂的气离合器中 常用间接进气 即在管路中加上一个继气器 如图6 20所示 利用控制气推开继气器的阀门 使干线 较粗的气管 中的压缩空气通过继气器很快进入离合器中 图6 20 53 两用继气器的结构如图6 21所示 它有两种接法 常闭接法和常开接法 当用做间接进气时采用常闭接法 当用做压风机自动控制时 采用常开接法 图6 21 54 常闭接法 孔I接通进气干线 孔 接通大气 当控制气进入继气器后 推动阀芯压缩弹簧产生移动 使阀门和外阀密封 而内阀和阀门脱开 造成孔I和孔E连通 所以干线气进入控制机构 当控制气放空后 则在弹簧的作用下阀门的位置又恢复到原来的状态 控制机构的压缩空气经由孔 又放入大气 常开接法 孔 接通供气干线 孔I连通大气 在平常状态 没有控制气时 干线气通控制机构 当控制气作用以后 控制机构中的压缩空气经由孔I放入大气 它和压力调节阀组成机动压风机的自动控制系统 55 6 5辅助元件 56 6 5 1单向导气龙头单向导气龙头 进气接头 用于连接不转动的供气管线和转动的轴 轴上装有气动摩擦离合器 其作用是将压缩空气导入气动摩擦离合器 其安装位置示意图如图6 22所示 图6 22 57 单向导气龙头结构如图6 23所示 由冲管 外壳和端面密封部分组成 其工作流程如下 导气龙头中压缩空气通过盖上的孔进入轴中 流经冲管和轴内部通道到达离合器 密封圈 O形圈 压圈 保证旋转部分和不旋转部分之间的严格密封 图6 23 58 双向导气龙头 如图6 24所示 双向导气龙头装于一根旋转轴的端部 用以给此轴上的两个离合器供气 例如大庆1 130钻机二号传动箱的轴和F 200钻机一号传动箱的轴上都装有双向导气龙头 给轴上两个气离合器供气 图6 24 59 双向导气龙头的结构如图6 24所示 它有冲管 内有气道 冲管可以连续旋转 而体和盖则因它和冲管之间隔有滚珠轴承而保持不转动 转动部分和不转动部分之间用内外密封圈 O形密封圈 内外压圈 内外弹簧密封 第一个气道由冲管的中间轴孔到达离合器 第二个气道由冲管的环形气道进入离合器 图6 24 60 6 5 2酒精防凝器酒精防凝器如图6 25所示 用于将压缩空气中的水分和酒精蒸汽合成一种混合物 其冰点显著降低 最低可达 68 不同比例的乙二醇 水的冰点是不同的 使用于低温地区 图6 25 61 酒精防凝器结构如图6 25所示 金属管外缠绕吸液灯芯 金属管上端插入丝堵 下端浸入液体 其工作原理是 压缩空气通过时 灯芯上蒸发的酒精被带走与空气相混合 使空气中所含水分的冰点降低 图6 27 图6 25 62 6 5 2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 冰点不同 最低可达 46 5 甘油防凝器的结构如图6 26所示 图6 26 63 1 绞车滚筒离合器和换挡离合器气控回路 2 转盘和钻井泵气控回路 3 防碰天车气控回路 4 空气压缩机自动控制回路 5 柴油机油门遥控装置气控回路 6 气控换挡回路 6 6典型钻机的气控系统 64 应注意的问题 1 防止压缩空气漏失 2 注意管道清洁 3 发现气控元件失灵 一定要细致检查分析 查明原因 千万不要盲目拆修 6 7钻机气控系统的维护保养 65 66 附 相关设备及元件图 67 容积式压缩机按其运动特点不同 又可分为活塞式 往复式 和回转式两类 前者是依靠气缸内的活塞作往复运动而实现气体的吸入 压缩和排出的 68