CN112013056B - 一种新型双气腔盘式刹车控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型双气腔盘式刹车控制系统，属于石油钻采设备领域，解决现有控制系统控制复杂的问题。本发明的第一气源管、截止阀和控制阀依次连接，第一电磁阀、第二电磁阀和手动换向阀并联在控制阀之后；第一电磁阀、第一调压继动阀、大腔排气阀和大腔进气管依次相连，第二电磁阀、第二调压继动阀、小腔排气阀、小腔进气管依次相连，第一调压继动阀和第二调压继动阀分别与第二气源管相连；手动换向阀后连接有三个控制气管，大腔控制气管和双腔控制气管连接在第二梭阀的两个进气口，第二梭阀的工作口与第一调压继动阀相连，小腔控制气管和双腔控制气管连接在第一梭阀的两个进气口，第一梭阀的工作口与第二调压继动阀相连。本发明操作容易。

Description

一种新型双气腔盘式刹车控制系统

技术领域

本发明属于石油钻采设备领域，具体涉及一种新型双气腔盘式刹车控制系统。

背景技术

传统石油钻机绞车配双气腔盘式刹车控制方式多为大、小气腔一起控制，该控制方式导致双气腔盘式刹车使用效果差，控制精度低，且刹车冲击大，易造成设备损坏，无法充分发挥刹车本身设计性能，不能完全满足钻井工况要求。

近年来，一些研究者提出采用2套控制阀件分别控制大、小气缸，来实现不同刹车力矩时的刹车要求。该控制方式缺点是采用2套手柄，存在司钻房控制面板阀件多，控制复杂，易发生误操作，存在安全隐患。而且在最大负载时无法实现2套控制系统同时操作的问题，同样无法有效发挥双气腔盘式刹车设计性能，实际使用效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型双气腔盘式刹车控制系统，以解决现有控制系统存在的2套手柄控制复杂、在最大负载时无法实现2套控制系统同时操作、负载较小时刹车顿挫严重的问题。

本发明的技术方案是：一种新型双气腔盘式刹车控制系统，包括双气腔盘式刹车、截止阀、控制阀、小腔排气阀和大腔排气阀，其特征在于：还包括第一气源管、第二气源管、第一电磁阀、第二电磁阀、手动换向阀、第一梭阀、第二梭阀、第一调压继动阀和第二调压继动阀；第一气源管、截止阀和控制阀依次连接，第一电磁阀、第二电磁阀和手动换向阀并联在控制阀之后；第一电磁阀、第一调压继动阀和大腔排气阀依次连接，大腔排气阀通过大腔进气管与双气腔盘式刹车的大腔相连，第二电磁阀、第二调压继动阀和小腔排气阀依次连接，小腔排气阀通过小腔进气管与双气腔盘式刹车的小腔相连，第一调压继动阀和第二调压继动阀分别与第二气源管相连；手动换向阀后连接有三个控制气管，分别为大腔控制气管、小腔控制气管和双腔控制气管，大腔控制气管和双腔控制气管分别连接在第二梭阀的两个进气口，第二梭阀的工作口与第一调压继动阀相连，小腔控制气管和双腔控制气管分别连接在第一梭阀的两个进气口，第一梭阀的工作口与第二调压继动阀相连。

作为本发明的进一步改进，还包括紧急制动阀，紧急制动阀连接在截止阀和双腔控制气管之间。

作为本发明的进一步改进，还包括PLC模块， PLC模块与第一电磁阀、第二电磁阀和钻机指重表的压力变送器分别相连。

作为本发明的进一步改进，手动换向阀采用四位四通阀。

作为本发明的进一步改进，控制阀采用手柄阀或脚踏阀，或将手柄阀与脚踏阀并联。

作为本发明的进一步改进，还包括大腔气压表和小腔气压表，大腔气压表与大腔进气管相连，小腔气压表与小腔进气管相连。

作为本发明的进一步改进，双气腔盘式刹车上设有水温传感器。

作为本发明的进一步改进，双气腔盘式刹车上设有水压传感器。

本发明针对以往双气腔盘式刹车大、小气缸一起控制或分别控制的缺陷，提出一种安全可靠智能控制系统，解决了单、双气腔刹车负载较小时刹车顿挫严重的问题，且解决了单、双气腔刹车在负载较大时无法有效刹车的问题。本发明具有智能控制模式和手动控制模式，不论是哪种控制模式，均能实现大、小腔独立控制和共同控制，充分发挥双气腔盘式刹车性能。本发明解决了当前双气腔盘式刹车控制逻辑无法充分发挥其刹车性能的问题；解决了当前单、双气腔盘式刹车工作时顿挫严重，刹车存在安全隐患的问题；解决了当前双气腔盘式刹车控制逻辑复杂、司钻房布局错乱、在负载较大时无法精确控制的问题。此外，本发明还设计了紧急制动阀，解决了单、双腔刹车一直无法实现紧急制动的问题。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)充分发挥双气腔盘式刹车的刹车性能，安全性、可靠性高；

2)提高刹车控制灵敏度；

3)本发明使双气腔盘式刹车具备悬停、驻车、紧急制动的功能，完全满足现代钻井工艺要求；可减配液压盘式刹车及配套盘刹液压站，降低成本；

4)减少控制阀件数量，简化控制逻辑，实现智能控制；

5)优化司钻操作台布局，减小司钻误操作的风险；

6)减小刹车冲击力，延长设备使用寿命，降低设备维护保养成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1为第一气源管；2为截止阀；3为紧急制动阀；4为控制阀；5为水温传感器；6-1为第一电磁阀；6-2为第二电磁阀；7为手动换向阀；8为大腔控制气管；9为小腔控制气管；10为双腔控制气管；11-1为第一梭阀；11-2为第二梭阀；12为大腔气压表；13为小腔气压表；14为 PLC模块；15为压力变送器；16-1为第一调压继动阀；16-2为第二调压继动阀；17为第二气源管；18-1为小腔排气阀；18-2为大腔排气阀；19为小腔进气管；20为大腔进气管；21为双气腔盘式刹车；22为水压传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种新型双气腔盘式刹车控制系统，包括双气腔盘式刹车21、截止阀2、控制阀4、小腔排气阀18-1和大腔排气阀18-2，还包括第一气源管1、第二气源管17、第一电磁阀6-1、第二电磁阀6-2、手动换向阀7、第一梭阀11-1、第二梭阀11-2、第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2；第一气源管1、截止阀2和控制阀4依次连接，第一电磁阀6-1、第二电磁阀6-2和手动换向阀7并联在控制阀4之后；第一电磁阀6-1、第一调压继动阀16-1和大腔排气阀18-2依次连接，大腔排气阀18-2通过大腔进气管20与双气腔盘式刹车21的大腔相连，第二电磁阀6-2、第二调压继动阀16-2和小腔排气阀18-1依次连接，小腔排气阀18-1通过小腔进气管19与双气腔盘式刹车21的小腔相连，第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2分别与第二气源管17相连；手动换向阀7后连接有三个控制气管，分别为大腔控制气管8、小腔控制气管9和双腔控制气管10，大腔控制气管8和双腔控制气管10分别连接在第二梭阀11-2的两个进气口，第二梭阀11-2的工作口与第一调压继动阀16-1相连，小腔控制气管9和双腔控制气管10分别连接在第一梭阀11-1的两个进气口，第一梭阀11-1的工作口与第二调压继动阀16-2相连。

还包括紧急制动阀3，紧急制动阀3连接在截止阀2和双腔控制气管10之间。

还包括PLC模块14，PLC模块14与第一电磁阀6-1、第二电磁阀6-2和钻机指重表的压力变送器15分别相连。压力变送器15是采集石油钻机工作负载的一种传感器，它是从钻机司钻控制房指重表处采集压力信号。

手动换向阀7采用四位四通阀。

控制阀4采用手柄阀或脚踏阀，或将手柄阀与脚踏阀并联。

还包括大腔气压表12和小腔气压表13，大腔气压表12与大腔进气管20相连，小腔气压表13与小腔进气管19相连。大腔气压表12和小腔气压表13安装在司钻控制房内，用于司钻判断双气腔盘式刹车21是否执行相关刹车，也可给钻机控制模块提供刹车信号，当12或者13任意一个有信号，表明双气腔盘式刹车21已刹车，反之没有执行，需要排查故障。

双气腔盘式刹车21上设有水温传感器5，水温传感器5用于检测刹车回水口的水温，为司钻判断刹车是否过热。双气腔盘式刹车21上设有水压传感器22，水压传感器22用于检测刹车冷却水进水口水压，以确保刹车冷却正常。

双气腔盘式刹车21内部有大、小两个腔，静、动摩擦盘，弹簧等组成，主要用于石油钻机下钻、下套管、钻进、悬停等复杂工况时刹车。小腔进气管19主要用于向小腔内部充气，压缩21内部弹簧实现刹车；大腔进气管20主要用于向大腔内部充气，压缩21内部弹簧实现刹车。

第一气源管1为第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2提供控制气源，压力为P。第二气源管17为第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2就近提供工作气源。小腔排气阀18-1和大腔排气阀18-2主要用于双气腔盘式刹车21快速排气，快速释放刹车。

截止阀2可以切断控制气源，方便对控制系统进行维修。

操作控制阀4可调节控制压力P1从0～P范围内线性变化。当控制压力P1小于双气腔盘式刹车21的最小开启压力P0时，双气腔盘式刹车21处于打开状态，故在双气腔盘式刹车21刹车时P1需P0～P内调节。控制阀4为手柄阀或者脚踏阀，二者可单选或双选并联，手柄阀布置在司钻操作台方便操作的位置，脚踏阀布置在司钻操作台下面，方便操作。控制阀4在任何位置自由释放阀杆时，阀杆将恢复最小位置状态，同时在最大位置处可实现锁定，具备限位功能，使双气腔盘式刹车21实现驻车制动功能。控制阀4可以线性调节压力变送器15的控制气压，进一步线性控制压力变送器15所允许通过的工作气压，最终实现不同负载下双气腔盘式刹车21所提供的刹车力矩。

第一电磁阀6-1、第二电磁阀6-2和手动换向阀7并联在控制阀4之后，实现智能控制模式和手动控制模式互为备份，具备多重安全控制，保证了系统安全性、可靠性。通过手动换向阀7的手柄位置切换实现对双气腔盘式刹车21的智能控制或手动控制。当手动换向阀7的手柄在Pos1位置时，该控制系统执行智能控制模式。当智能模块出现故障时通过手动换向阀7切换手柄位置，开启手动控制模式，手柄在Pos2、Pos3、Pos4位置时分别实现大腔控制气管8、小腔控制气管9和双腔控制气管10独立通路，并结合第一梭阀11-1和第二梭阀11-2实现不同负载下对第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2的控制，来满足钻机的实时刹车需求。紧急制动阀3用于紧急制动。

各控制模式的工作原理如下：

1） 手动换向阀7的手柄在Pos1位置时，大腔控制气管8、小腔控制气管9、双腔控制气管10的气路断开，系统处于智能控制状态。控制气经第一气源管1、经截止阀2、控制阀4进入，PLC模块14获取压力变送器15的信号后进行智能运算，控制第一电磁阀6-1、第二电磁阀6-2何时得电、哪个先得电。设定当负载>40%时，第一电磁阀6-1得电，当负载为0～40%或>80%时，第二电磁阀6-2得电。当第一电磁阀6-1得电时，控制气通过第一电磁阀6-1，使第一调压继动阀16-1打开，工作气源从第二气源管17通过第一调压继动阀16-1、大腔排气阀18-2经由大腔进气管20进入双气腔盘式刹车21执行刹车。当第二电磁阀6-2得电时，控制气通过第二调压继动阀16-2，使第二调压继动阀16-2打开，工作气源从第二气源管17通过第二调压继动阀16-2、小腔排气阀18-1经由小腔进气管19进入双气腔盘式刹车21执行刹车。当第一电磁阀6-1和第二电磁阀6-2同时得电时，则工作气源同时经大腔进气管20和小腔进气管19进入双气腔盘式刹车21执行刹车。本发明采用采用2个常闭电磁阀并联，通过PLC模块14输入负载信号，经逻辑运算后输出控制信号，实现了该系统的智能控制。

2） 手动换向阀7的手柄在Pos2位置时，大腔控制气管8通气，小腔控制气管9和双腔控制气管10的气路断开，控制气经第一气源管1、经截止阀2、控制阀4进入，经手动换向阀7、第二梭阀11-2到达第一调压继动阀16-1，第一调压继动阀16-1打开，工作气源从第二气源管17通过第一调压继动阀16-1、大腔排气阀18-2经由大腔进气管20进入双气腔盘式刹车21执行刹车。

3） 手动换向阀7的手柄在Pos3位置时，小腔控制气管9通气，大腔控制气管8和双腔控制气管10的气路断开，控制气经第一气源管1、经截止阀2、控制阀4进入，经手动换向阀7、第一梭阀11-1到达第二调压继动阀16-2，第二调压继动阀16-2打开，工作气源从第二气源管17通过第二调压继动阀16-2、小腔排气阀18-1经由小腔进气管19进入双气腔盘式刹车21执行刹车。

4） 手动换向阀7的手柄在Pos4位置时，双腔控制气管10通气，大腔控制气管8和小腔控制气管9的气路断开，控制气经第一气源管1、经截止阀2、控制阀4进入，经手动换向阀7进入双腔控制气管10，然后控制气分为两路，分别进入第一梭阀11-1和第二梭阀11-2，第一梭阀11-1和第二梭阀11-2换向，控制气到达第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2，工作气源同时经大腔进气管20和小腔进气管19进入双气腔盘式刹车21执行刹车。

5） 紧急制动模式：操作紧急制动阀3，控制气经第一气源管1、经截止阀2、紧急制动阀3、双腔控制气管10进入，然后控制气分为两路，分别进入第一梭阀11-1和第二梭阀11-2，控制气到达第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2，工作气源同时经大腔进气管20和小腔进气管19进入双气腔盘式刹车21执行刹车。紧急制动阀3控制第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2同时完全打开，使大腔进气管20和小腔进气管19通气，实现紧急制动。具备多重安全控制。

紧急制动阀3、控制阀4、第一电磁阀6-1、第二电磁阀6-2、手动换向阀7、第一梭阀11-1、第二梭阀11-2、PLC模块14和压力变送器15为本发明的关键，用于智能切换气路和控制气的大小。通过手动换向阀7可使大腔控制气管8、小腔控制气管9和双腔控制气管10为三路独立控制通路，实现刹车力随负载大小变化而变化的控制，且控制手柄只有1套，保持司钻控制逻辑简单、布局合理。PLC模块14和手动换向阀7均可实现大腔控制气管8通气和小腔控制气管9独立通路控制第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2，使大腔进气管20和小腔进气管19独立进气，最终实现不同负载下双气腔盘式刹车21所提供的刹车力矩。手动换向阀7可实现双腔控制气管10通路，通过第一梭阀11-1和第二梭阀11-2使控制阀4同时控制第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2，使大腔进气管20和小腔进气管19同时进气，实现大负载刹车需求。PLC模块14可实现第一电磁阀6-1和第二电磁阀6-2同时得电，使控制阀4同时控制第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2，使大腔进气管20和小腔进气管19同时进气，实现大负载刹车需求。

第一调压继动阀16-1和第二调压继动阀16-2是本发明的核心，主要用于控制从第二气源管17到双气腔盘式刹车21的气压P2，使P1=P2，实现双气腔盘式刹车21的精确控制。

本发明充分发挥气动盘式刹车的设计性能，刹车灵敏度高，安全性、可靠性高，使司钻操作者更加平稳的控制石油钻机绞车，降低司钻操作难度。本发明可适用于陆地、海洋、沙漠、极地等环境工况使用要求，具有控制先进，使用安全、可靠的特点。

Claims (8)

1.一种新型双气腔盘式刹车控制系统，包括双气腔盘式刹车、截止阀、控制阀、小腔排气阀和大腔排气阀，其特征在于：还包括第一气源管（1）、第二气源管（17）、第一电磁阀（6-1）、第二电磁阀（6-2）、手动换向阀（7）、第一梭阀（11-1）、第二梭阀（11-2）、第一调压继动阀（16-1）和第二调压继动阀（16-2）；所述第一气源管（1）、截止阀（2）、控制阀（4）和手动换向阀（7）依次连接，手动换向阀（7）后连接有智能控制支路以及三个控制气管；所述智能控制支路上分别连接有第一电磁阀（6-1）和第二电磁阀（6-2），第一电磁阀（6-1）、第一调压继动阀（16-1）和大腔排气阀（18-2）依次连接，大腔排气阀（18-2）通过大腔进气管（20）与双气腔盘式刹车（21）的大腔相连，第二电磁阀（6-2）、第二调压继动阀（16-2）和小腔排气阀（18-1）依次连接，小腔排气阀（18-1）通过小腔进气管（19）与双气腔盘式刹车（21）的小腔相连，第一调压继动阀（16-1）和第二调压继动阀（16-2）分别与第二气源管（17）相连；所述三个控制气管分别为大腔控制气管（8）、小腔控制气管（9）和双腔控制气管（10），所述大腔控制气管（8）和双腔控制气管（10）分别连接在第二梭阀（11-2）的两个进气口，第二梭阀（11-2）的工作口与第一调压继动阀（16-1）相连，所述小腔控制气管（9）和双腔控制气管（10）分别连接在第一梭阀（11-1）的两个进气口，第一梭阀（11-1）的工作口与第二调压继动阀（16-2）相连。

2.根据权利要求1所述的一种新型双气腔盘式刹车控制系统，其特征在于：还包括紧急制动阀（3），所述紧急制动阀（3）连接在截止阀（2）和双腔控制气管（10）之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型双气腔盘式刹车控制系统，其特征在于：还包括PLC模块（14），所述PLC模块（14）与第一电磁阀（6-1）、第二电磁阀（6-2）和钻机指重表的压力变送器（15）分别相连。

4.根据权利要求3所述的一种新型双气腔盘式刹车控制系统，其特征在于：所述手动换向阀（7）采用四位四通阀。

5.根据权利要求4所述的一种新型双气腔盘式刹车控制系统，其特征在于：所述控制阀（4）采用手柄阀或脚踏阀，或将手柄阀与脚踏阀并联。

6.根据权利要求5所述的一种新型双气腔盘式刹车控制系统，其特征在于：还包括大腔气压表（12）和小腔气压表（13），所述大腔气压表（12）与大腔进气管（20）相连，所述小腔气压表（13）与小腔进气管（19）相连。

7.根据权利要求5所述的一种新型双气腔盘式刹车控制系统，其特征在于：所述双气腔盘式刹车（21）上设有水温传感器（5）。

8.根据权利要求5所述的一种新型双气腔盘式刹车控制系统，其特征在于：所述双气腔盘式刹车（21）上设有水压传感器（22）。

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