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1、第五章,钻机的控制系统,2,第一节 钻机控制系统概述,钻机是一套大型的联动机组。钻井时，必须严格按照工艺要求对对钻机的各个部件进行灵活可靠的控制，以使钻机各机组协调的连续工作，准确完成钻井工艺过程。所以钻机的控制系统是整套钻机必不可少的组成部分，是钻机的中枢神经系统。 钻机的控制系统按控制方式分为机械控制、气动控制、液压控制、电控制及综合控制等几种(目前最常用的是气动控制)，气控系统主要由供气机构、发令机构、传令机构、执行机构四个部分组成。,3,一、钻机控制系统的作用, 对于整体井架的起升与放落的控制。 对动力机的启动调速、并车、停车的控制。 对钻井绞车滚筒和转盘的转速及旋转方向的控制。 对钻

2、井绞车滚筒制动与放松的控制。 对绞车猫头摘挂的控制。 对绞车、钻井泵、转盘等启动与停车的制。 对辅助装置的控制，如空气压缩机、发电机以及钻井液搅拌机的控制。,4,二、钻井工艺对控制系统的要求,主要提出以下三点要求： 控制要迅速、柔和、准确及安全可靠； 操作要灵活方便、省力，维修以及更换元件方便。 操作协调，结构简单，便于记忆，成本低廉。,5,三、钻机控制系统的方式,石油钻机的控制方式多种多样，有机械控制、气压控制、液压控制、电控制和综合控制。 1、机械控制 利用机械离合器、制动装置等实现控制； 2、电控制 利用强、弱电控制系统实现控制，如接触器控制、微机控制（PLC控制）； 3、液压控制 利用

3、液压传动系统实现控制 4、气压控制 利用气压传动系统实现 气压控制是以压缩空气为能源的气动技术。 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。,6,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。,7,一、气动控制系统的组成,

4、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。,8,二、供气设备,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。,1压缩机；2冷却器；3油水分离器；4储气罐；5干燥器；6分水滤气器；7储气罐；8加热器；9分配阀,

5、9,1空气压缩机,1、空气压缩机是将机械能转化为气体压力能的装置（简称空压机，俗称气泵）。 空气压缩机按原理分为容积式和速度式两大类。 1）容积式压缩机 容积式压缩机是通过运动部件的位移，周期性地改变密封容积来提高气体的压力的，包括活塞式、膜片式和骡杆式等。 2）速度式压缩机 速度式压缩机是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，来提高气体压力，包括离心式、轴流式和混合式等。 在气压传动中一般多采用容积式压缩机。,10,活塞式压缩机,工作原理： 电动机旋转，通过曲轴连杆带动活塞在气缸内作往复运动。工作腔的容积作周期性变化 ，它与吸、排气阀的启闭动作相配合，实现包括吸气、压缩、

6、排气和膨胀 4个过程的工作循环，从而不断吸入、压缩并排出气体。,11,2空气净化装置,在气压传动中使用的低压空气压缩机多采用油润滑，由于它所排出的压缩空气温度一般在140170之间，使空气中的水分和部分润滑油变成气态，在与吸入的灰尘混合，便形成了水汽、油汽和灰尘等的混合气体。如果将含有这些其杂质的压缩空气直接输送给气动设备使用，就会使设备易燃、易腐蚀，受阻现象严重，水还易冻结而磨损设备，所有这些给整个气动系统带来不良影响。因此，在气压传动系统中，设置除水、除油、除尘和干燥等气源净化装置对保证气动系统的正常工作是十分必要的。在某些特殊场合下，压缩空气还需经过多次净化后才能使用。,12,1）冷却器

7、,冷却器： 作用是将空气压缩机排出的气体由140170降至4050，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。 按形式分类：蛇管式或套管式,13,2）过滤器,结构与工作原理 作用：滤除压缩空气中的杂质微粒，达到气压传动系统所要求的净化程度 一次过滤器(滤灰效率为5070%)； 二次过滤器(滤灰效率为70%99%) 高效过滤器(滤灰效率大于99%) 选择与使用：由过滤度和额定流量而定 分水滤气器必须垂直安装，并将放水阀朝下 分水滤气器可单独使用 组合使用时安装次序：分水滤气器减压阀油雾器,14,过滤器,15,3）干燥器,空气干燥器：吸收和排除压缩空气中的水分和部分油分与杂质，

8、使湿空气变成干空气的装置,16,4）油水分离器,分离器：分离压缩空气中所含的油分和水分 工作原理：当压缩空气 进入分离器后产生流向和速 度的急剧变化，再依靠惯性 作用，将密度比压缩空气大 的油滴和水滴分离出来,17,5）油雾器,作用： 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。 选择主要根据气压传动系统所需额定流量及油雾粒径大小来进行,18,6）消声器与转换器,消声器：通过对气流的阻尼或增加排气面积等方法，来降低排气速度和排气功率，从而达到降低噪声的目的 吸

9、收型消声器 膨胀干涉型消声器 膨胀干涉吸收型消声器 在气动系统的排气口，尤其是在换向阀的排气口，装设消声器,19,消声器与转换器,转换器：气-电、电-气、气-液 气电转换器：将压缩空气的气信号转变成电信号的装置，即用气信号(气体压力)接通或断开电路的装置（压力继电器） 低压型(0-0.1MPa) 中压型(0-0.6MPa) 高压型(1.0MPa) 电气转换器：将电信号转换成气信号的装置（电磁换向阀）,20,3 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

10、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。,21,三、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。 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。,22,1.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

11、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。 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。,23,1.气缸,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

12、运动；导气头体外接管路，固定不动。,24,三位气缸又称做“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。,25,2 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。,26,四、控制元件,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：

13、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。,27,1.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。,28,减压阀,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。,29,减压阀,减压阀