（机械设计及理论专业论文）tzg216110型铁钻工控制系统的研究.pdf

硕f j 学位论文 摘要 铁钻工作为架设在钻井平台上的全自动旋扣装置，有着广阔的应用空间，因 此铁钻工的自动化显得特别重要。 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工动作实现的动力全部来自液压系统。铁钻工控制系统 采用全液压控制和p l c 控制技术相结合的方式，具有成本低、可靠性高的特点。 液压系统以其功率大、体积小、重量轻、性能高及易于远程操作等特点，广泛应 用于工业生产领域，其规模与复杂性日益提高。而可编程序控制器( p l c ) 是较 好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠性、安全性等问题的一种有效手段。本 课题在t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的结构基础上采用理论分析和数学计算相结合的方 法对其控制系统进行研究设计。 确定铁钻工的控制方案。根据t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的结构、性能参数，分 析出铁钻工具体的动作过程及对应的执行元件；设计出对应的液压回路；并对各 个液压执行元件进行受力分析计算，选出合适的型号。 根据t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工具体的动作要求、液压控制情况及p l c 控制系统 的特点，对其进行具体的p l c 控制系统的设计，分析其i o 地址的分配，设计 其p l c 外部接线图和典型动作的t 型图。 根据铁钻工的特殊工况，设计出合适的控制面板和人机界面，将传统的按钮 控制面板和先进的触摸屏人机界面结合为一体，当采用普通按钮控制时，触摸屏 可以用作显示；采用触摸屏控制时，触摸屏就是一个独立的个体，既能显示又能 控制。 将自动控制技术应用于铁钻工上大大提高了铁钻工的工作效率，减轻了工人 的劳动强度，适应了机械工业向机电一体化方向发展的要求。 关键词：铁钻工：液压大钳；液压系统：p l c ；控制面板；人机界面 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 控制系统的研究 a b s t r a c t i r o nr o u g h n e c ki st h ed e v i c eo fa u t o m a t i cr o t a t i n gb u t t o ne r e c t e do nt h ed r i u i n g p l a t f o m ， w h i c hh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ns p a c e t h e r e f o r e ，a u t o m a t i z i n g i r o n r o u g h n e c kl o o k sm o r ei m p o r t a n t a l lm o t i o n so ft h et z g 216 - 11o t y p ei r o nr o u g h n e c ka r ed r i v e nb yt h es y s t e m o fh y d r a u l i cp r e s s u r e a d o p t i n gt h em o d eo fa l lh y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o la n dp l c c o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h ea u t oc o n t r o ls y s t e mo fi r o nr o u g h n e c kh a st h ep e c u l i a r i t yo f l o wc o s ta n dh i g hd e p e n d a b i l i t y t h eh y d r a u l i cs y s t e mi sw i d e l ya p p l i e di nt h e i n d u s t r i a lf i e l db e c a u s eo fi t sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sg r e a tp o w e r ， s m a l l v o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，h i g ht u n c t i o n ， e a s i l yb e i n gc o n t r o l l e d i nt h el o n gd i s t a n c e p o s i t i o na n ds oo n ，a n di t ss c a l ea n dc o m p l e x i t yi n c r e a s e dw i t hi t sa p p l i c a t i o n w e t a k et h ep r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ( p l c )t ot h i sa r t i c l em a i n l ya d o p t t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lc o m p u t i n gm e t h o dt or e s e a r c ha n dd e s i g nt h e c o n t r o ls y s t e mo ft h et z g 216 11o - t y p ei r o nr o u g h n e c kb a s e do nt h es t r u c t u r e t h ec o n t r o lm e t h o do ft h ei r o nr o u g h n e c ka r ed e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r ea n dt h ep e r f 0 珊a n c ep a r a m e t e r so ft h et z g 2 16 - 1lo - t y p ei r o nr o u g h n e c k ， t h ec o n c r e t ea c t i o n p r e c e s s a n dc o r r e s p o n d i n ga c t u a t o ra r ea n a l y s e d ； t h e c o r r e s p o n d i n gh y d r a u l i c c i r c u i ta r ed e s i g n e d ； e v e r yh y d r a u l i ca c t u a t o r i sf 0 r c e a n a l y s e da n dc a l c u l a t e dt os e l e c ts u i t a l b l et y p e a c c o r d i n gt o t h ec o n c r e t ea c t i o n ， t h es i t u a t i o no fh y d r a u l i cc o n t r o l ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fp l cc o n t r o ls y s t e mo ft h et z g 2 l6 - l1o - t y p ei r o nr o u g h n e c k ， t h i sa r t i c l ed e s i g n e st h ec o r r e s p o n d i n gp l cc o n t r o ls y s t e m ，m a k e ss u r et h ei n p u t a n do u t p u tp o i n t so fp l c ， d e s i g n e s t h ei o d i s p o s a l l i n e d r a w i n g a n d t h ! e l a d d e f s h a p e dc h a r to fp l c o ft h et y p i c a lo p e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h es p e c i a ls i t u a t i o no ft h ei r o nr o u g h n e c k ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e s t h es u i t a b l ec o n t r o lp a n e la n dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e t h a tc o m b i n e st r a d i t i o n a l b u t t o nt y p ec o n t r 0 1p a n e lw i t ha d v a n c e dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c et o u c h i n gs c r e e n ， w h e nu s i n go r d i n a r yb u t t o nc o n t r o l ，t o u c h i n gs c r e e nc a nb eu s e dt od i s p l a y ；w h e n u s i n gt o u c h i n g s c r e e nc o n t r o l ， t o u c h i n gs c r e e ni s a ni n d e p e n d e n tu n i t t h a tc a n d i s p l a yc a nc o n t r 0 1 a p p l y i n gt h ea u t o c o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h ei r o nr o u g h n e c k w i l lg r e a t l ye n h a n c e t h ew o r ke f n c i e n c ya n dd e c r e a s e dt h el a b o ri n t e n s i t ya n dm e e tt h er e q u i m e n to f 1 1 硕l j 学位论文 h e a d i n gm a c h i n ei n d u s t r yf 0 rm e c h a t r o n i c st e c h n 0 1 0 9 ya n da p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：i r o nr o u g h n e c k ，p o w e rt o n g s ，h y d r a u l i cs y s t e m ，p l c ，c o n t r o lp a n e l ， h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e - u i - t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 控制系统的研究 插图索引 图2 1 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工结构简图7 图2 2t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工机构简图8 图3 1冲扣钳和夹紧钳夹紧油缸回路1 2 图3 2冲扣油缸的回路1 2 图3 3 旋扣钳夹紧油缸油路1 3 图3 4 旋扣液压马达油路1 3 图3 5 铰接臂伸缩油缸油路1 4 图3 6升降油缸油路1 4 图3 7铁钻工的液压原理图1 5 图3 8 夹紧钳的受力分析1 8 图3 9夹紧钳v 型块的受力分析1 8 图3 1 0 冲扣钳机构图2 l 图3 1 1旋扣钳受力分析2 3 图3 1 2 夹持最大钻杆的受力图2 4 图3 1 3 铰接臂伸缩油缸的受力分析2 6 图4 1p l c 设计流程3 8 图4 2铁钻工i o 点的外部接线图4 3 图4 3模拟输入模块的外部接线图4 4 图4 4 铁钻工工作流程图4 5 图5 1控制面板布置图5 0 图5 2 s c r e e ne d i t o r 编辑画面5 2 图5 3铁钻工连续操作人机界面图5 4 图5 4 铁钻工单独操作人机界面图5 5 硕 ：学位论文 附表索引 表2 1t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工性能参数6 表2 2t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的具体动作分析及对应的元件详细列表8 表2 3 铁钻工一个卸扣循环过程的动作顺序及对应执行元件的动作9 表2 4 铁钻工一个上扣循环过程的动作顺序及对应执行元件的动作1 0 表3 1各种机械常用的系统工作压力1 6 表3 2 液压一公称压力系列一1 6 表3 3 摩擦系数p 选择1 7 表3 4 液压缸的类型1 8 表3 5 液压缸的缸筒内径尺寸系列1 9 表3 6 9 和p 的关系1 9 表3 7 液压缸的活塞杆外径尺寸系列2 0 表3 8工程机械用液压缸外径系列2 0 表3 9 液压缸活塞行程系列2 0 表3 1 0 按工作压力选取d d 2 4 表3 1 1执行元件背压力2 5 表3 1 2 各种蓄能器的性能及用途3 0 表3 1 3管道允许流速推荐值：3 1 表4 1铁钻工p l ci o 地址分配表4 2 表5 1按钮元件属性设置5 2 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：幺今啤日期：加护踔多月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名：题今库 导师签名：彩l 嬲 日期：加驴矿年6 月z 日 日期：p 僻多月复日 硕f j 学位论文 第1 章绪论 铁钻工( i r o nr o u g h n e c k ) 一词最早在上个世纪7 0 年代，在自动化钻井生产 中作为钻机配套设备由美国石油设备生产者提出。作为液压动力大钳的替代产 品，铁钻工能够安全、高效的完成钻井作业中上卸钻杆接头丝扣、上卸钻铤、甩 钻杆、活动井下工具等工作，是现代化石油生产中重要的自动化辅助设备。 1 1 课题研究的意义 油田钻井是油田发现与发展的龙头产业，钻井装备和钻井企业的机制与其市 场竞争力都直接相关。随着我国现代化工业的飞速发展，机械工业作为社会发展 的主要支柱也正在飞速的发展，这为我国石油钻井机械带来了空前的发展机遇。 我国油田钻井管具作业中广泛使用的液压大钳，是一种半自动化设备，它用一根 系在天车上的钢丝绳悬挂着，大钳自重为2 t ，移动困难，而且拉绳器上的绳子挂 在大钳上，不能碰撞项部驱动装置，以致在移动大钳时需要3 名钻工才能胜任【l 】。 而且它要求有较大的井架开裆宽度。传统的液压动力大钳( p o w e r t o n g s ) 的操作 不方便，工人劳动强度大，工作效率低，存在许多安全隐患以及要求有较大的井 架开裆宽度等已经远远不能满足国内工业发展的要求。 自上个世纪9 0 年代开始伴随着石油钻井机械的自动化进程，铁钻工作为架 设在钻井平台上的全自动旋扣装置被开发研制，并应用到生产实践中，它作为井 口自动化工具，被业界称为革命性的高新技术产品，可以大大减少井口作业人数， 减轻工人劳动强度，提高工作效率。据相关人员测算，配备传统液压动力大钳的 石油钻机的工作时间约有3 0 用于起下钻或下油( 套) 管方面【2 1 。而铁钻工的使 用将使生产既安全又有效率。铁钻工是国外惯用的全自动化的井口工具，它具有 三个明显优点：容易实现自动化控制，减少了井架开裆宽度，使钻机结构简化。 我国的石油钻井设备是为开采国内石油发展起来的，改革开放后，国内钻井 设备市场面对世界钻机的竞争，必须以国际市场为研制的出发点才能站稳国内市 场。根据“国内市场国际化，国际市场本土化”的大趋势，紧跟国内、国际市场需 求，开发石油钻井设备前沿技术是大势所趋。而目前国内在铁钻工的研发方面仍 然处于起步阶段，研制铁钻工的厂家很少，大部分石油钻采设备公司生产的还是 液压大钳，或者是改良的液压大钳，这远远不能满足国内外石油钻井设备的市场 需要，所以国内新型铁钻工的研制开发势在必行。 机械制造业长期以来存在的主要问题是效益低下，其主要原因之一是生产设 备自动化和智能化程度低，控制水平低1 5 j 。在机械工业中应用自动控制技术，对 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 摔制系统的研究 改进产品的性能和质量、提高劳动生产效率，改善劳动条件等方面都显示了巨大 的经济效益和社会效益，自动控制技术在社会化大生产中日益得到广泛的应用 【6 】。具体到铁钻工，操作的方便与否，工人劳动强度的大小，工作效率的高低等 性能很大一部分原因取决于该产品的控制系统的水平。因此运用自动控制技术实 现铁钻工控制系统开发对提高我国铁钻工市场竞争能力具有重要意义。 1 2 铁钻工在国内外的生产应用状况及控制现状 目前国际上只有美国、德国、日本等少数几个发达国家在生产铁钻工，其中 美国的n o v ( n a t i o n a lo i l w e l lv a r c o ) 公司对铁钻工产品的研制开发代表了该产 品最先进的技术水平，n o v 公司也是当今铁钻工市场上最大的经销商。目前国 际上油田钻井过程中使用铁钻工的国家也仅限于这几个发达国家。国内现在还只 是限于液压大钳或者改良的液压大钳。 目前在控制方面，国外的铁钻工一般采用全液压控制再配合上现代化的机电 控制，基本上能实现产品的自动化，甚至个别产品能达到智能化。大部分铁钻工 只需要一个工人的轻松操作就能完成上卸扣的工作，还有部分产品实现了远程控 制。美国最早在上个世纪九十年代就在铁钻工的控制系统中采用了p l c 控制【2 j 。 国内的石油钻采设备公司基本上还是生产的液压大钳，其控制理论还比较落 后。液压大钳的控制基本上采用气液联合控制，它的操作还处在手动操作阶段， 电气控制的部分很少，传统液压大钳用绳索悬挂在钻井井架天车上，其操作复杂。 由于设备重且需频繁操作，对人身的安全构成了极大的威胁。即使改良的液压大 钳，它的控制系统也只是有气液控制的基础上再配合上简单的电气控制，虽然能 够实现一个操作，但其操作过程仍然很复杂，劳动强度依然很大。在国内，p l c 还没被应用到该领域中来。 1 3 铁钻工控制系统的相关技术 液压控制技术是以流体力学、液压传动和液力传动为基础，应用现代控制理 论、模糊控制理论，将计算机控制技术、集成传感技术应用到液压技术和电子技 术中，为实现机械工作自动化或生产现代化而发展起来的一门技术。它广泛应用 于国民经济的各行各业，在农林、化工、轻工、纺织、能源、材料、金属加工、 起重运输、工程机械、交通运输、兵器、航天航空、机械制造中都有着广泛的应 用。尤其在高、新、尖技术装备中更为突出。我国液压工业的真正发展是在六十 年代开始的，而液压控制技术的发展则更晚一些。液压控制技术的水平与国外发 达国家相比，存在着一定的差距。随着机电体化的进程不断加快，技术装备的 硕十学位论文 工作精度、响应速度和自动化程度的要求不断提高，对液压控制技术的要求也愈 来愈高。目前，液压控制技术已不是传统意义上的液压传动和液力传动，液压控 制技术已从传统的机械、操纵、助力装置等应用场合开始向高、新、尖技术领域 发展，具有了更广泛的内容。现代控制理论、模糊控制理论的发展和应用，计算 机控制技术的逐步完善和普及，集成传感技术的飞速发展，为液压工业，电子工 业将电子技术、液压技术结合起来，应用到液压控制中创造了良好的契机，使得 技术装备的工作可靠性、控制精度、响应速度及自动化程度大大提高【_ 7 1 。目前国 内外液压系统的发展趋势是简单紧凑、调节方便、节能、低噪声、高自动化与智 能化、能长时间稳定可靠的运行。 p l c 是2 0 世纪6 0 年代末，在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的 基础上发展起来的一种新型工业通用控制器，现在已经广泛应用于工业控制的各 个领域。它可以借助工程技术人员非常熟悉的传统继电器梯形图进行程序设计， 以满足不同设备多变的控制要求，使控制系统具有极大的柔韧性和通用性，同时， 由于使用简单，不象计算机控制系统那样复杂，难以掌握，因此，使用控制技术， 有利于控制系统的标准化和通用化，缩短控制系统的设计、安装和调试周期，降 低设计与生产费用。实践表明，p l c 具有很高的可靠性、灵活性、通用性和可 扩展性。其主要优点和性能如下： 1 可靠性高。p l c 的平均无故障运行时间一般可达3 5 万小时，p l c 的环 境适应性强，可在工业环境下可靠运行，这是受到广泛应用的原因之一。 2 使用和维护方便，通用性好。p l c 属于通用型控制器，有不同档次的机 型和不同的模块可供选择，可根据实际情况任意配置，安装方便。对不同的用户 程序硬件变动最小。当控制要求改变时，不改动外部接线，只需修改程序即可。 3 编程方法简单易学，p l c 编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言， 清浙直观。它不需要用户具有很强的程序设计能力，只要用户具备一定的计算机 软、硬件知识和电器控制方面的知识即可【6 j 。 p l c 以其性价比高，功能强大受到广大技术人员的欢迎。 1 4 本文的研究内容 针对本论文，本课题主要完成以下研究工作： 1 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工控制方案确定及具体动作的分析 确定铁钻工的控制方案。并根据t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的性能参数、主要结 构及原理，分析出铁钻工的具体动作，以及完成该动作所需要的元件及动作对应 的要求。 2 t z g 2 1 6 11 0 型铁钻工液压系统的设计 t z g 2 1 6 一1 1 0 犁铁钻t 控制系统的研究 根据t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工机械结构整体的工作特性及各个动作的具体要 求，设计一个可靠而稳定的液压控制系统。本课题的驱动系统采用全液压控制， 设计出液压原理图，对液压系统所涉及到的重要元件进行了详细的设计选择，并 给出了液压系统辅助元件的选择方法。 3 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工控制系统的设计 根据t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的工作方式，在液压控制系统原理的基础上，设 计出该铁钻工的控制系统，核心部分是可编程控制器( p l c ) 的应用，以及围绕p l c 应用的电路设计和程序编制，包括i o 点数分析及地址分配、p l c 输入输出外部 接线、典型部分t 形图等。 4 设计控制面板和人机界面 根据t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工特殊的工况和p l c 控制系统设计出适合铁钻工的 控制面板及人机界面 4 硕j ：学位论文 第2 章铁钻工控制方案的确定及动作分析 2 1 铁钻工的控制方案 2 1 1 铁钻工控制方案的确定 基于目前国内的情况，结合国际发展趋势研究设计新型铁钻工的控制系统。 其中涉及到的内容包括液压部分，电气部分。根据国内外产品的对比分析和对国 内市场的需求情况，对铁钻工的控制系统进行多种方案设计来选择适应不同情况 的最佳方案，并对其进行总体设计和具体设计。 1 、气液控制方案 ( 1 ) 沿袭现在国内液压大钳的控制系统，即上卸钻杆丝扣动力由液压提供， 下钳夹紧等用压缩空气作动力，在此基础上再配合上合适的电气系统来实现铁钻 工的控制。 ( 2 ) 采用全液压控制和电气相结合的控制系统来实现对铁钻工的控制。 2 、电气部分方案 ( 1 ) 采用传统继电器控制。 ( 2 ) 采用p l c 控制器控制。 3 、控制方式方案 ( 1 ) 智能化控制，对整个铁钻工实行闭环控制，使铁钻工可自行寻找钻杆或 套管位置、自动抓取、自动对扣等全自动无人操作。 ( 2 ) 自动化控制，对铁钻工采用开环和闭环相结合的方式进行控制，使铁钻 工可由一人操作，操作时由人工控制抓持钻杆，自动对扣，对扣后自动上卸钻杆。 ( 3 ) 半自动化控制，对整个铁钻工实行开环控制，使铁钻工可由一人操作， 操作时由人工控制抓持钻杆，人工找正对扣。 根据国内外市场的需要和国内外铁钻工行业的发展状况，气液控制部分选择 第二种方案全液压控制，原因为液压控制平稳，可操作性强，定位较气压控制精 确，当位置确定后相对位置改变较小，铁钻工大钳部分质量相对比较大，当初始 位置确定后，气压控制中气体压缩量很大的缺点很难使大钳保持相对静止状态； 电气控制我也选择第二种方案p l c 控制，p l c 编程可使电路结构简单，操作一目 了然，而且可集成基本控制电路于一体；控制方式方案我也选择第二种方案自动 化控制，因为铁钻工在一次钻井的过程中不需要每上卸完一次扣都在垂直位置上 复位，相反铁钻工在一次钻井过程中垂直位置在初调整后就不需要再动作了，所 以铁钻工的升降没必要做成闭环的，只需要加两个行程开关就足以满足控制要 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 挣制系统的研究 求。铁钻工的伸缩对位置的要求也不高，所以也不需要做成闭环的，只用两个行 程开关就能满足控制要求。其它的上卸扣，及夹紧松开全部采用闭环全自动控制。 这种方案最适合国内外的现状又能体现出这种铁钻工的优越性。 综上，本课题控制方案采用全液压控制和p l c 控制相结合的方式对铁钻工实 行自动化控制。铁钻工升降，伸缩采用开环控制，其它动作采用闭环自动控制。 2 1 2t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的性能参数 ，t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的性能参数，见表( 2 1 ) 表2 1t z g 2 1 6 1 l o 型铁钻工性能参数 适用范围i n 3 - 1 2 ”8 1 2 ”( 8 9 2 1 6 m m ) 液压系统最高压力m p a 2 5 最大上扣扭矩n m 8 2 0 0 0 最大卸扣扭矩n m 1 10 0 0 0 旋扣扭矩n m3 0 5 0 旋扣速度r m i n 8 0 钻具最大连接高度m m 1 6 0 0 水平垂直移动距离m m 1 4 0 0 l o o o 重量k g 3 5 0 0 注：铁钻工型号t z g 2 l6 1 l0 的含义：这个型号是根据国内液压大钳的 编号形式编写的。t z g 是铁钻工拼音的大写首字母，2 1 6 是其适用的钻杆 的以m m 为单位的最大直径，1 1 0 是铁钻工所能达到的以k n m 为单位的最 大扭矩。 2 2 铁钻工主要结构及原理介绍 t z g 2 16 1lo 型铁钻工为动力大钳的升级换代产品，采用的是手臂式结构， 其主要结构包括：旋扣钳、冲扣钳、夹紧钳、连接架、铰接臂、支撑总成、液压 控制系统、控制平台、液压站等，其结构，见图( 2 1 ) 。 铁钻工的钳体分为上下两个大部分，上部钳体为旋扣钳，下部钳体为冲扣钳 和夹紧钳，两部分钳体通过连接架与铰接臂相接。 旋扣钳由8 个液压马达、夹紧油缸、弹簧等组成，上扣时，夹紧油缸缩回使 摩擦滚筒夹紧钻具，8 个同步液压马达带动摩擦滚筒通过摩擦力驱动钻杆旋转， 完成紧扣后，马达停止转动并伸出夹紧油缸；卸扣时旋扣钳夹紧钻具进行旋转， 至完成卸扣工作。 下部钳体由冲扣钳和夹紧钳配合工作。上扣时由夹紧钳夹紧下端钻具，冲扣 硕f j 学位论文 钳内部夹紧块伸出夹住上端钻具，通过冲扣液压缸拉动冲扣钳实现以钻具圆心为 中心的顺时针旋转来完成上扣，并通过传感器检测控制输出扭矩至额定值；冲扣 时夹紧钳夹紧下端钻具，由冲扣钳夹紧上端钻具，然后冲扣油缸推动冲扣钳实现 以钻具圆心为中心的逆时针旋转来完成冲扣。 123456789 图2 1t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工结构简图 l 一底座2 一支撑立柱3 一铰接臂4 一连接架5 一旋扣钳6 一冲扣钳7 一夹紧钳8 一 控制柜9 一液压站 2 3t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工具体动作分析 根据铁钻工的结构原理图画出铁钻工的机构简图，见图( 2 2 ) 。 由机构简图可以很清楚的看出整个系统动作所需要的动作元件及动作情况： 1 整个系统整体的上下移动，由1 个升降油缸来实现的。 2 铰接臂的前后伸缩，是靠2 个平行同步的铰接臂伸缩油缸来推动铰接臂， 然后利用铰接臂的结构来实现的。 3 旋扣钳的松开夹紧是靠1 个旋扣钳夹紧油缸来实现的。 旋扣钳的旋扣动作是用8 个同步旋扣马达来实现的。 4 铁钻工的冲卸扣动作是用1 个冲扣油缸来实现的。 冲扣钳的松开夹紧是用2 个同步的冲扣钳夹紧油缸来实现的。 5 夹紧钳的松开夹紧是用2 个同步的夹紧钳夹紧油缸来实现的。 6 整个系统的旋转是通过人工推动靠整体和底座之间的旋转副来实现的。 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 控制系统的研究 2 a b 。 ic 34 65 图2 2t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工机构简图 l 一升降油缸( 1 个) 2 一铰接臂伸缩油缸( 平行的两个)3 一旋扣钳夹紧油缸( 1 个)4 一旋扣马达( 8 个) 5 一冲扣钳夹紧油缸( 2 个)6 一冲扣油缸( 1 个)7 一夹紧 钳夹紧油缸( 2 个) 铁钻工完成的具体动作及对应的元件详细列表，见表( 2 2 ) 。 表2 2t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的具体动作分析及对应的元件详细列表 铁钻工动作执行元件动作反馈信号元件所用元件及个数汇总 整体上升升降油缸伸出1 个行程开关1 个升降油缸 整体下降升降油缸缩回1 个行程开关2 个行程开关 铰接臂前伸2 个同步手臂伸缩油缸伸出1 个行程开关2 个同步铰接臂伸缩油缸 铰接臂缩回2 个同步手臂伸缩油缸缩回1 个行程开关 2 个行程开关 冲扣钳卸扣2 个同步夹紧油缸伸出夹紧1 个力变送器2 个同步夹紧油缸 冲扣油缸伸出1 个冲扣油缸 2 个同步夹紧油缸缩回松开1 个力变送器 冲扣油缸缩回 冲扣钳上扣冲扣油缸伸出 2 个同步夹紧油缸伸出夹紧 冲扣油缸缩回 2 个同步夹紧油缸缩同松开 夹紧钳夹紧2 个同步夹紧油缸伸出夹紧1 个力变送器2 个同步夹紧油缸 夹紧钳松开2 个同步夹紧油缸缩i 亓l 松弄 1 个力变送器 硕i j 学位论文 旋扣钳上扣夹紧油缸缩回夹紧1 个力变送器1 个双作用油缸 8 个同步马达顺时针转动1 个力矩变送8 个同步马达 夹紧油缸缩回松开器1 个力变送器 旋扣钳卸扣 夹紧油缸缩回夹紧1 个力矩变送器 8 个同步马达逆时针转动 夹紧油缸缩回松开 通过对整个系统的动作分析，可以看出本系统用到的液压执行元件有：9 个 油缸，8 个小马达，4 个行程开关，3 个压力变送器，1 个力矩变送器。 具体的卸扣过程铁钻工一个循环过程中的动作顺序及对应执行元件的动作 情况，见表( 2 3 ) 。 表2 3 铁钻工一个卸扣循环过程的动作顺序及对应执行元件的动作 铁钻工动作执行元件动作 1 整体上升( 碰到行程开关停止或者手升降油缸伸出 动停止) ( 该动作只参与第一次循环过程) 2 铰接臂前伸碰到行程开关停止，前伸2 个铰接臂伸缩油缸同步伸出，( 根据行 同时旋扣钳张开程开关的反馈信号停止) 旋扣钳夹紧油缸伸出 3 目测对整体进行上下调整对齐( 如果升降油缸或伸或缩 碰到任何一个行程开关将停止或者手动 停止) ( 该动作只参与第一次循环过程) 4 冲扣四个夹紧油缸同步伸出( 根据力传感器 反馈的信号停止伸出) 冲扣油缸伸出 5 冲扣完成冲扣钳2 个同步夹紧油缸缩回 冲扣油缸缩回 6 旋扣旋扣钳夹紧油缸缩回( 根据力传感器反 馈的信号停止伸出) 8 个旋扣马达同步逆时针旋转( 根据扭矩 传感器反馈的信号停止) 7 旋扣结束夹紧钳夹紧油缸缩回 旋扣钳夹紧油缸伸出 铰接臂油缸缩回( 根据力传感器反馈的 信号停止伸出) 5 秒后，夹紧钳夹紧油缸缩 回 进入第二轮的循环，1 3 动作将退出以后的循环过程。 具体的上扣过程铁钻工一个循环过程中的动作顺序及对应执行元件的动作 情况，见表( 2 4 ) 。 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻丁控制系统的研究 表2 4 铁钻工一个上扣循环过程的动作顺序及对应执行元件的动作 铁钻工动作执行元件动作 1 整体上升( 碰到行程开关停止或者手升降油缸伸出 动停止) ( 该动作只参与第一次循环过程) 2 旋扣钳张开，铰接臂前伸碰到行程开旋扣钳夹紧油缸伸出 关停止2 个铰接臂伸缩油缸同步伸出，( 根据行 程开关的反馈信号停止) 3 目测对整体进行上下调整对齐( 如果升降油缸或伸或缩 碰到任何一个行程开关将停止或者手动 停止) ( 该动作只参与第一次循环过程) 4 。旋扣 夹紧钳夹紧油缸同步伸出( 根据力传感 器反馈的信号停止伸出) 旋扣钳夹紧油缸缩回( 根据力传感器反 馈的信号停止缩回) 8 个旋扣马达同步顺时针旋转( 根据扭 矩传感器反馈的信号停止 5 旋扣结束旋扣钳夹紧油缸伸出 6 上扣冲扣油缸伸出 冲扣钳夹紧油缸伸出( 根据力传感器反 馈的信号停止伸出) 冲扣油缸缩回 7 上扣完成冲扣钳夹紧油缸缩回 夹紧钳夹紧油缸缩回 铰接臂油缸缩回( 根据力传感器反馈的 信号停止伸出) 5 秒后，夹紧钳夹紧油缸 缩回 进入第二轮的循环，1 3 动作将退出以后的循环过程。 2 4 本章小结 确定铁钻工的控制方案为全液压控制和p l c 控制相结合的方式对铁钻工实 行自动化控制，铁钻工升降，伸缩采用开环控制，其它动作采用闭环自动控制。 根据铁钻工的结构分析出铁钻工具体的运动情况，铁钻工的连续操作由6 个基本 过程组成：整体上升，整体下降，手臂前伸，手臂缩回，冲扣过程，上扣过程， 其分解为单独操作的具体动作过程为：整体上升，整体下降，手臂前伸，手臂缩 回，夹紧钳夹紧，夹紧钳松开，冲扣钳夹紧，冲扣钳松开，旋扣钳夹紧，旋扣钳 松开，冲扣缸伸出，冲扣缸缩回，旋扣马达顺转，旋扣马达逆转。根据以上动作 分析出铁钻工运动所需要的具体的执行元件及动作顺序关系。 硕i 二学位论文 第3 章铁钻工液压系统的研究及设计 3 1 液压技术应用的概述 我国的液压工业开始于上个世纪5 0 年代，其产品最初只用于机床和锻压设 备，后来才用到拖拉机和工程机械上。自从1 9 6 4 年从国外引进一些液压元件生 产技术，同时自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系 列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。8 0 年代起更加速了对国外先进液 压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术 能在产品质量、经济效益、研究开发等各个方面全方位的赶上世界水平。 当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、 高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制、伺服控制、 数字控制等技术上也有许多成就。此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设 计、计算机仿真和优化以及微机控制等开发性工作方面，也日益显出其突出成绩。 液压工业在国民经济中的作用非常重要，它常常可以用来作为衡量一个国家 工业水平的重要标志之一。与世界上主要的工业国家相比，我国的液压工业还相 当落后，标准化的工作有待于继续做好，优质化的工作需形成声势，智能化的工 作则刚刚在准备起步，为此必须奋起直追，才能迎头赶上【5 l 。 3 2 铁钻工液压油路系统设计要求 在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的驱动力。在同等的功 率下，液压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。因此在石油钻井这 个特殊的防爆级别高的环境下，铁钻工选择液压驱动系统不仅能够满足驱动需 求，减小铁钻工的体积和重量，而且增强安全性。铁钻工液压驱动系统的具体要 求如下： 1 采用全液压控制，最好选用国产液压元件 2 行程可调，运动平稳，经济性能好 3 结构简单、紧凑 4 在不提高甚至降低能耗和重量的前提下，提高输出扭矩 5 运动要求：根据铁钻工的运动要求，设计满足要求的液压回路系统，选择 液压马达、蓄能器、油缸和液压阀之间的匹配方式 6 油路系统可靠，维护、维修及操作方便 为了充分发挥好液压和电气的优势，这里所有执行元件除了两个同步的铰接 t z g 2 1 6 一l1 0 型铁钻t 控制系统的研究 臂伸缩油缸、两个同步的冲扣钳夹紧油缸、两个同步的夹紧钳夹紧油缸外，其它 各元件不能联动。 3 3 液压回路的设计 3 3 1 冲扣钳和夹紧钳夹紧油缸液压回路 冲扣钳的两个夹紧油缸和夹紧钳的两个夹紧油缸的设计要求： 1 两个油缸同步 2 夹紧时油缸锁住 3 由于铁钻工的上卸扣针对的钻杆直径不是定值，所以夹紧油缸在夹紧时所 需要伸出的距离不是固定值，这个伸长的距离用压力变送器来控制，所以油路当 中要求有压力变送器 由于冲扣钳和夹紧钳的夹紧油缸的设计要求相同，可以设计成两组完全相同 的两个油路，根据以上设计要求，这里采用分流集流阀来实现同步，当液压缸活 塞伸出时，分流集流阀起等量分流作用；当活塞缩回时，分流集流阀起集流作用。 分流集流阀只能实现速度同步，当两液压缸活塞位置有误差时，可通过阀内节流 孔窜油，使各阀均能达到行程终点，故没有累积误差【3 ”。其具体回路，见图( 3 1 ) 。 回路中单向节流阀起缓和冲击的作用，换向阀中位采用o 型中位形式，增加其稳 定性，在无杆腔油路增加液控单向阀起到油缸锁住的作用，又能够防止活塞中途 停止时因两缸负载不同而通过分流集流阀内部节流孔窜油。这两组油路夹紧的先 后顺序靠p l c 来实现。 同步夹冲扣油缸 f 进油 图3 1冲扣钳和夹紧钳夹紧油缸回路 图3 2 冲扣油缸的回路 量无 回油 硕十学位论文 3 3 2 冲扣油缸的回路 冲扣油缸的控制回路一个关键的要求就是高速。铁钻工的冲扣是由二个油缸 来实现的，冲扣油缸的要求及特点： 1 冲扣速度快 2 伸缩平稳 3 冲扣油缸伸缩动作之间停留时间很短 根据以上设计要求，设计冲扣钳冲扣油缸的回路，见图( 3 2 ) ，冲扣油缸采 用快速油缸，双重增加油缸冲扣速度，蓄能器和压力油路同时为无杆腔快速充压， 同时有杆腔油路分两路同时泄压，以达到快速冲扣的目地，回路中各元件具体动 作过程：先是换向阀8 动作，给蓄能器充压，达到预定的压力值后，蓄能器阀组 中的压力继电器发出信号，然后换向阀2 、3 、4 、5 同时动作，冲扣，冲扣完成 后所有电磁阀失电，6 动作，油缸复位。， 3 3 3 旋扣钳夹紧回路 旋扣钳的夹紧是用一个油缸来实现的，这里也需要一个压力变送器来控制油 缸的伸缩长度。油缸夹紧后需要锁紧，在旋扣钳夹紧回路中接入双向液控单向阀， 在两个油路均无压力的情况下，两个单向阀均处于关闭状态，油缸不会有任何动 作。其具体油路，见图( 3 3 ) 。 旋扣钳夹紧油缸 液控 阀 换向阀 f 进油 图3 3 旋扣钳夹紧油缸油路 3 3 4 旋扣液压马达回路 旋扣马达 图3 4 旋扣液压马达油路 旋扣钳的旋扣是用8 个同步小液压马达来实现的，由于在旋扣过程中马达机 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 摔制系统的研究 构与钻杆之间的作用力能够实现强制同步的功能，因此这里的液压控制回路不需 要做特别的设计，只需要将这8 个液压马达的进油口，出油口油路并联就可以。 液压马达的制动油缸的动作靠梭阀和弹簧来实现，梭阀控制的油路接到制动油缸 的有杆腔，当马达一侧有压力( 控制阀控制马达转动) 时，制动器打开，马达旋 转，当任一油路无压力( 控制阀在中位) 时，制动器的有杆腔油压泄压，制动器 在弹簧的作用下关闭，马达停止。具体回路见图( 3 。4 ) 。 3 3 5 铰接臂伸出缩回油路 铰接臂采用两个完全相同的平行同步