《钻机气控制系统》PPT课件.ppt
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1、1,第六章 钻机气控制系统,2,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,3,6.1.1 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。,4,6.1.2 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。,5,6.1.3
2、 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。,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。,7,6.1.4 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,
3、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,图6-1,9,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,10,6.2.1 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,
4、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。,11,2.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。,12,6.2.2 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
5、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。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。,13,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
6、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。,14,6.2.3 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。,15,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
7、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,16,6.3.1 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。,17,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
8、 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。,18,三位气缸又称做“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
9、。,19,6.3.2 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。,20,6.3.3 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。
10、,21,图6-2,22,图6-3,23,1.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
11、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。,24,图6-4,图6-4所示,为通风型气胎离合器结构示意图。,25,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
12、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。,26,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。,27,2.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
13、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6-5,28,图6-7,图6-8,图6-6,29,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:,30,(1)
14、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(M100KN.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。,31,
15、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,32,6.4.1 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
16、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。,33,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6-9,34,调压阀是基本控制元
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