§ 2. Системы управления

Каждая из цепей управления состоит из следующих частей:

1. управляющего устройства, которому сообщается в опреде­ ленный момент команда от датчика;

2. механизмов, передающих команду от управляющего устройства, исполнительному устройству, производящему необ­ ходимое движение управления; в передаче обычно происходит преобразование перемещения управляющего устройства по напра­ влению, величине хода и усилию, приложенному к нему;

3) исполнительного устройства, реализующего принятую команду.

424

Датчиком команды обычно является рука или нога оператора, упор, ограничивающий подъем талевого блока, рычажок индика­тора веса, поршенек или мембрана, воспринимающая давление промывочной жидкости, и т. д.

Для передачи команды исполнительному устройству цепи управления на небольшие расстояния (1 — 2 ж) в буровых уста­новках применяют механические передачи. При расстояниях более 2 м или больших усилиях используют пневматические системы, гидравлические и электрические устройства. Исполни­тельными устройствами цепи управления, осуществляющими тре­буемое движение части механизма, обычно являются: вилка, рычаг, шток и т. д. Иногда таких устройств в цепи управления нет и его функцию выполняет сжатый воздух или жидкость, непосредствен­но воздействующие па перемещающуюся часть, как, например, в пневматических муфтах и т. д.

В процессе бурения и при спуске и подъеме колонн все опера­ции управления чередуются в строго определенной последова­тельности.

В буровых установках, рассчитанных на большие глубины буре­ния с приводом от двигателей внутреннего сгорания, наиболее распространена как основная система пневматического упра­вления. Механические, гидравлические и электрические устрой­ства используются при этом частично. Пневматическая система позволяет осуществлять дистанционное управление механизмами, расположенными на расстоянии нескольких десятков метров от поста бурильщика. При помощи механической системы очень слож­но централизовать управление на посту бурильщика. Пневматиче­ская система работает мягко и энергично, обеспечивая большие усилия и перемещения.

В гидравлических системах для нагнетания значительных коли­честв жидкости и его слива требуется много времени. Сжатый воздух или вакуум позволяет значительно быстрее осуществлять цикл включения и выключения. Наиболее распространены в буро­вых установках системы с применением сжатого воздуха, в которых можно легко развить значительные усилия. Вакуумные системы способны развивать меньшие усилия при тех же габаритах меха­низмов. Поэтому применяют их в буровых установках ограниченно.

Состав и вязкость воздуха при изменениях температуры прак­тически постоянны, что позволяет применять одни и те же си­стемы пневматического управления в разных климатических усло­виях.

Воздух, как рабочий агент, безвреден, безопасен в пожарном отношении и недефицитен, вызывает коррозию меньшую, чем вода или масло, гидравлические удары при быстрых переключениях не возникают.

В пневматических системах управления воздух выпускается в атмосферу в любом месте. В гидравлических системах требуется устройство для возврата жидкости, что усложняет конструкцию

425

и замедляет процесс управления, так как скорость движения воз­духа вследствие малой вязкости значительно выше, чем скорость жидкости.

Воздушные системы на буровых установках широко использу­ются для механизации вспомогательных процессов.

Недостатком пневматической системы управления в районах с минусовыми температурами являются содержание влаги в воз­духе, требующие воздухоосушающих устройств, и низкий коэф­фициент полезного действия.

Электрические системы управления применяют ограниченно, в основном в буровых установках с электроприводом с кнопочным управлением, в датчиках регуляторов подачи инструмента и т. д.

Механические системы управления применяют в установках

Рис. XVIII-2. Схема пневмоуправления.

1 — компрессоры; 2 — обратные клапаны; 3 — регулятор давления; 4 — маслоотделитель; 5 — резервуар; б — манометр; 7 — предохранительный клапан; 8 — вентиль; 9 — влаго-отдслитель и осушитель воздуха; Ю — трубопроводы; и — управляющий кран; 12 — верт­люжок; J3 — клапан разрядник; it — муфта сцепления; 15 — регулирующий клапан;

16 — цилиндр пневматический.

небольшой мощности и габаритов там, где расстояния не препят­ствуют централизации управления, а для включений достаточно усилия рабочего.

Вся система управления состоит из следующих основных устройств:

1. устройства для подготовки рабочего агента (воздух, жид­ кость, электроэнергия) и поддержания его параметров;

2. управляющих устройств для управления исполнительными механизмами (многоходовые краны различных типов, выключатели, реле и т. д.);

3. исполнительных механизмов — пневматических муфт, цилин­ дров, диафрагм или других устройств, непосредственно осуще­ ствляющих функции соединения валов, тормозов и т. д.

Агрегаты этих трех групп соединены между собой коммуни­кациями (устройствами для подвода рабочего агента к исполнитель­ным устройствам).

Основными исполнительными механизмами системы управле­ния являются муфты сцепления, тормоз, цилиндры пневмораскре-пителя, кляновых захватов и др.

Пневматическая система управления. На рис. XVIII-2 приведена наиболее распространенная схема пневма­тического управления буровой установкой. Питание системы рабо­чим агентом — сжатым воздухом осуществляется двумя компрес­сорами.

Компрессорная станция соединена общим воздухопроводом с воздушным резервуаром.

Между каждым из компрессоров и резервуарами установлены обратные клапаны, свободно пропускающие воздух из цилиндров компрессора в резервуар и перекрывающие проход воздуха в обратном направлении в маслоотделитель.

Воздушные резервуары предназначены дяя выравнивания давле­ния в системе пневматического управления. Они также являются аккумулятором энергии, благодаря чему компрессор часть вре­мени не работает. Компрессоры включаются после того, как давле­ние в системе упадет до наименьшего допустимого уровня.

На воздушных резервуарах устанавливают предохранитель­ный клапан, манометр и спускной вентиль. Из резервуара прежде чем попасть в управляющие устройства воздух отделяется от влаги и осупшвается.

Управление агрегатами осуществляется кранами. Из кранов воздух поступает в исполнительный механизм, муфту или цилиндр.

В пневматическом управлении фрикционными муфтами могут быть применены две системы питания воздухом: прямоточная и замкнутая с отсекающими клапанами. При прямоточном питании воздушная камера включенной муфты непосредственно соединена с магистралью сжатого воздуха, при включенной муфте — сообщена с атмосферой. Все части системы пневматического управления в этой схеме находятся под постоянным давлением. При системе питания с отсекающими клапанами камера муфты соединена с магистралью сжатого воздуха только в период наполнения. В течение остального времени камера и часть трубопровода, находящаяся во враща­ющихся деталях, отсекаются от воздушной магистрали специальным клапаном.

Питание муфт, сидящих на валах, торцы которых недоступны для подвода воздуха, осуществляется кольцевыми вертлюжками.

Большие скорости на поверхностях трения сальника обусловли­вают выделение значительного количества тепла и быстрый износ уплотняющих элементов. Поэтому диаметры сальниковых уплотне­ний вертлюжков делают возможно меньшими.

В схемах с отсекающими клапанами давление в полости верт­люжка поднимается только во время включения муфты. Схема пневматического управления с отсекающими клапанами недостаточно надежна из-за пропусков воздуха в клапанах. При утечке воздуха из отсеченного объема через малейшие неплотности или при рас­стройстве соединений падение давления в камере муфты не компенси­руется подачей новых порций воздуха из магистрали.

Прямоточная система более надежна.

При больших расстояниях муфт от управляющего устройства и большом объеме ее воздушной камеры для увеличения скорости выключения применяют прямоточное питание с быстродействующими клапанами-разрядниками, которые устанавливают вблизи или непосредственно на муфте, в результате чего значительно сокра­щается путь воздуха при его выпуске и ускоряется выключение муфты.

Управляющие пневматические устройства

В качестве управляющих устройств в пневматических системах буровых установок применяют клапанные и золотниковые отсека­ющие и мембранные регулиру­ющие краны.

Для управления одним ус­тройством применяют двухклапан-ные крапы. Для одновременного управления двумя и большим количеством устройств с целью сокращения количества управля­ющих рукояток и обеспечения блокировки применяют четырех-и многоклапанные краны. Двух-к л а данные краны имеют обычно эксцентриковое управление, а че­тырех- и многоклапанные краны управляются дисками или вали­ками с кулачками.

Краны могут быть управля­емы на расстоянии при помощи тросика.

атмосфер//

Из магистрали

Рис. XVIII-3. Схема регулируемого мембранного клапана.

1,2 — управляющая и рабочая мембра­ны;)^ — винт нажимной; 4 — пружина; 5 — толкатель; S — клапан управля­ющий; 7 — толкатель рабочего клапана; S ~ клапан рабочий.

Многоклапанные краны обычно применяют для управления короб­ками передач с включением ско­ростей при помощи ппевматиче-куправляемому ских муфт. Управление кулач­ковым валом в этих случаях осуществляется штурвалом или рукояткой с круговым вращением. Регулирующие кра­ны применяют для устройств, требующих регулирования или поддержания требуемой величины давления воздуха, например в цилиндрах тормозов, управлении подачей топлива дизелей и др. Для этих целей применяют большей частью мембранные краны. Такие краны имеют две мембраны: одну рабочую, другую управляющую.

Рабочая мембрана управляет клапаном, регулирующим подачу сжатого воздуха из магистрали к исполнительному устройству.

428

Вторая мембрана управляет клапаном, регулирующим подачу и давление воздуха в камере над рабочей мембраной. Разность давле­ний под и над рабочей камерой определяют степенью открытия рабочего клапана, а тем самым и давлением воздуха, поступающего в исполнительное устройство.

На рис. XVIII-3 помещена схема мембранного крана тормозной системы лебедки. Камера / постоянно сообщена с магистралью воз­духа. Управляющий клапан регулирует подачу воздуха под упра­вляющую мембрану, которая регулирует давление воздуха в камере III над рабочей мембраной. Если давление воздуха в камере //выше, чем в камере /F, то мембрана прогибается, рабочий клапан закрывает атмосферное отверстие и открывает доступ воздуха из камеры / в камеру IV, откуда он поступает к управляющему устройству.

Воздухопроводы

Агрегаты системы пневматического управления связываются между собой воздухопроводами. В систему воздухопроводов также входят устройства для передачи воздуха из неподвижных частей во вращающиеся — вертлюжки, обратный и переключательный кла­паны, клапан-разрядник, воздухоочшцающие устройства и пр.

Вертлюжки предназначены для подвода воздуха к исполни­тельным нневмоустройствам через торцы вращающихся валов.

Обратный клапан устанавливают па воздухопроводе, идущем от компрессора к воздушным резервуарам. Клапан служит для разгрузки компрессора от обратного давления сжатого воздуха.

Перед аппаратом пневматического управления, получающим питание сжатым воздухом поочередно от двух воздухопроводов, устанавливают автоматические переключательные клапаны.

Клапан-разрядник предназначен для быстрого вы­пуска воздуха из часто включаемых муфт. Монтируется он в трубо­проводе под углом 45—60° к вертикали. При этом отверстия, соеди­ненные с атмосферой, направлены вверх, в результате чего центро­бежные усилия не нарушали работу клапана.

Маслоотделитель устанавливают в линии воз­духопроводов, идущих от компрессора к воздушным резервуарам, В этих резервуарах очищается воздух, поступающий в систему пнев­матического управления, от компрессорного масла. Маслоотделитель состоит из корпуса с решетками, пространство между которыми заполнено мелкими стальными цилиндрами или стружкой. Мель­чайшие капельки масла и влаги, взвешенные в воздухе, прилипают к поверхности цилиндриков и по мере накопления стекают на дно маслоотделителя и удаляются периодически через сливной крап.

Воздухоосушительные установки предназна­чены для предохранения пневмосистемы от попадания влаги, которая в зимних условиях, замерзая, выводит из строя агрегаты системы управления.

Фильтр устанавливают на воздухопроводе, питающем мем­бранные краны. Фильтр представляет собой небольшой корпус,

429

полость которого набивается слегка промасленным конским волосом или синтетическим волокном. При проходе воздуха через фильтр частицы пыли и грязи прилипают к промасленной набивке, которую периодически промывают.

Т р у б о и р о в о д ы системы пневматического управления вы­полняют из стальных труб, а гибкие участки — из резино-тканевых рукавов или резино-металлических бронированных шлангов.

Пульты управления

В буровых установках управление почти всеми механизмами осуществляется бурильщиком со своего поста, для чего большинство механизмов сосредоточивается на пульте.

Например, на пульте управления дизельной буровой установкой для бурения глубоких скважин все рычаги, кнопки и указывающие приборы сосредоточены в одном месте. В верхней части расположены рычаг управления фрикционом шпилевого барабана и указатель скорости вращения.

На полу под тормозной рукояткой смонтирована ножная педаль с защелкой для управления подачей топлива и регулирования скоро­стей вращения двигателей при спуско-подъемных операциях. Вынос этой педали в ножное управление обусловлен большой перегружен­ностью левой руки бурильщика во время спуско-подъемных опера­ций, управляющей шпилевой катушкой, включением ротора и скоростями подъема элеватора.

Компрессоры. Снабжение сжатым воздухом аппаратов пневматического управления буровыми установками осуществляется от небольших компрессорных станций, устанавливаемых на буровой. В установке предусматриваются два компрессора, один из которых является резервным.

Компрессор для буровых установок подбирают с запасом по давлению в 15—25% от наивысшего рабочего давления, принятого для системы. Для обеспечения запаса воздуха производительность каждого компрессора выбирается в 1,5—2 раза больше максимальной потребности сжатого воздуха буровой установкой.

Наибольший расход воздуха происходит в период спуско-подъ­емных операций. Потребное количество сжатого воздуха может быть определено следующим образом:

u-Oh+ff.H- • • • +gJ**A. (xviii-i)

где <?1, </2i • • •-, Ч» — объемы пневматических устройств, участвующих в операции подъема или спуска каждой свечи; z—наибольшее количество поднимаемых или опус­каемых свечей;

К_г ~ коэффициент одновременности пневматических устройств при каждом подъеме свечи (если работают одновременно все агрегат).! Kj_ = 1);

430

,

K_z~ коэффициент запаса производительности = 1,5-ь2).

Требуемая производительность по сжатому воздуху

В буровых установках испояьзуют одно- и двухступенчатые поршневые компрессоры различных конструкций.

При дизельном приводе буровых установок основным воздухо-снабжающим агрегатом является компрессорная станция с приводом от двигателей; станция обычно имеет автоматическое и ручное упра­вления. Компрессорная станция с электроприводом обычно является пусковым и резервным агрегатом и поэтому снабжается только руч­ным управлением. При электроприводе буровой установки как основ­ная, так и резервная компрессорные станции имеют обычно общее автоматическое и ручное управления.

При нормальной работе буровой установки с дизельным приводом компрессорная станция управляется автоматически при помощи регулятора давления и электропневматического вентиля. Компрес­сор выключается, когда достигается наибольшее /допустимое давле­ние в системе, и включается он при понижении давления до уста­новленного минимума.

Регулятор давления предназначен для а.втомати-ческого поддержания необходимого давления в системе пневмати­ческого управления. В большинстве случаев применяют электрические регуляторы,

При повышении давления до установленной наибольшей вели­чины регулятор разрывает электрическую цепь, а при последующем падении давления до допустимого минимума вследствие расхода воздуха вновь автоматически замыкает ее.

Воздушные резервуары применяют в системах пнев­матического управления для выравнивания давления воздуха и по­стоянного обеспечения сжатым воздухом установки при периоди­ческой работе компрессора.

Чем больше объем воздушного резервуара и чем больше интер­вал изменения рабочего давления, тем периоды работы и выключения компрессора будут больше. В самые напряженные моменты спуско-подъемных операций компрессор может работать с очень короткими паузами.

Объем сжатого воздуха в резервуаре должен быть таким, чтобы его хватило на 10 — 15 включений наибольшего потребителя воз­духа. Применяют воздухосборник из двух резервуаров или одного с разделительной перегородкой и с отверстием для сообщения обеих полостей.

Механическое управление. Механические си­стемы применяются как местное или дублирующее управление или там, где пневматизация и электроуправление нецелесообразны.

Исходное движение управляющей части — начального звена цепи управления — в большинстве случаев вращательное: поворот

431

рукоятки, рычага, вращение штурвала. Движение управляемого механизма обычно бывает прямолинейным. Механические передачи используются для преобразования одного движения в другое.

Выбор структуры цепи управления определяется, с одной сто­роны, положениями начальной и конечной частей этой цепи, рас­стоянием между ними, габаритами; с другой стороны, схемой и кон­струкцией цепи управления в целом. Из механических передач чаще всего применяются рычажковые, тяговые, кулачковые, тросо­вые и др.

Однако чаще всего механическое управление является составной частью пневматической или электрической системы управления не­сколькими двигателями силовых приводов буровых установок.

Электрическое управление повышает точность и оперативность цепи управления.

В зависимости от числа последовательно включенных цилиндров в сервомеханизме осуществляется соответствующее количество сту­пеней регулирования от минимума до максимальной скорости вра­щения вала двигателя.

При регулировании одновременно нескольких дизелей их меха­низмы топливоподачи механически связываются общей г