专利名称：防止“单吊环起钻”自动控制装置的制作方法
技术领域：
本发明装置可用于钻井用的钻机上，例如地矿、盐业特别是石油部门的油气井钻探作业中。
起下钻是钻井工作中一种经常性的、工作时间长的、劳动强度大的联合作业，由于司钻或井口工人的操作失误，就会在刚刚起钻上提时发生所谓的“单吊环起钻”事故。据有关资料统计该类事故在实际工作中发生的机率是较大的，其经济损失轻者数千元，重者将导致井废人亡-损失上百万元的恶果发生。目前的防止对策只是人为地不断提高工作责任心和操作技术水平，但这毕竟会有所失的。
然而，本发明的目的是要提供一种自控装置，它能够有效地防止挂“单吊环”(以及挂“危险吊环”)起钻事故的发生。
本发明的目的是这样实现的原钻机的压缩气源经由驱动电磁阀与刹车执行机构(即防碰天车装置)相连接，当一旦发生了挂“单吊环”(以及挂“危险吊环”)而起钻时，装在大钩上的调制红外线发射机(25)就立刻发出信号来，与此同时，装在司钻操作箱上的接收机收到信号，并经处理后使驱动电磁阀开启，压缩空气进入刹车执行机构中(起作用)，达到自动控制的目的。
本发明装置由于采用了“与非门”逻辑电路，调制红外线遥(传)控的先进技术和利用了原来钻机上所具有的“防碰天车”刹车执行机构，故其工作可靠，结构也较为简单，便于实施。
本发明装置的具体结构由以下的原理分析及其附图给出。
一、控制原理分析从
图1的原理方框中可以知道本自动控制装置由a、单(危)吊环检测与非门判断和调制红外线遥控发射机(25);b、调制红外线遥控接收机及驱动执行部分;c、原来钻机所具有的“防碰天车”装置执行气路等三大部分组成。将它们分别安装在吊环(15)大钩、司钻操作箱上，而执行部分就不需另行设置了。
1.单(危)吊环检测与非门的三态分析经实际观察分析在起钻时两只吊环共有三种工作状态a、正常吊环起钻，当司钻给气上提时，两只吊环(15)都挂入了吊卡的耳梁内，且均就位于耳梁的凹部。
b、挂单吊环起钻，很明显这就是指只有一只吊环(15)被挂入了吊卡的耳梁内而进行的起钻。
c、挂危险吊环起钻，两只吊环(15)虽然都已经挂入了吊卡的耳梁内，但在给气上提到一定吨位之后(一般指的是，提升力≤大钩行程弹簧的吨位)，其吊环(15)的一只甚至是两只仍不能够自行滑向耳梁的凹部-即不就位，这就定义为挂危险吊环起钻，因为它在继续上提的过程中，有大的可能会发生脱环事故。
在电气原理图2中，R1、K3、K4和K2四者相串联就构成了三极管BG1的偏置回路，同时它们也就是所谓“与非门”的输入端子。其中K1是偏置(限流)电阻;K3(K7)(29)是由吊环“间隙器”(30)所控制的“常开”微动开关，它在仅有吊环的自重W时呈断开状态;K4(K8)(29)与K3(K7)(29)相同;K2就是所谓的“吊环限距开关”(31)，它具体反映在图2中的a和b两点。[当其在两只吊环(15)的水平距(指某一定尺寸的吊卡时)S值正常时，K2呈接通-指机械式的(或者是RD3≤10KΩ-指直流红外线式的);反之，当S值过大时，K2就呈断开(或者是RD3→∞)]。
另由图8可以看出当吊环(15)在仅有自重W时，它将被“间隙器”(30)悬挂起来，使之与大钩的耳环之间形成一个可以调节的间隙-δ，这时的检测用双联微动开关K3(K7)(29)及其K4(K8)(29)均呈“常开”状态。但在起钻刚开始时，δ最大，随着大钩的上提，某一只吊环(15)对悬挂它的那只“间隙器”(30)的向下作用力T将逐渐增大，因之δ变小;当δ小到一定值时，检测开关K3(K7)(29)及K4(K8)(29)就被触动而接通。
2.三态检测的“与非门”逻辑判断电原理a、正常起钻时，由前面的分析可知，此状态下的三极管BG1的偏置(与非输入)回路中K3、K4和K2均能接通(或者是K2的RD3≤10KΩ);因此，BG1管将饱和导通，其c-e极间阻抗很小，这样它就把三极管BG2的基极电流(由R2所提供的)旁路掉了，即是Ib2≈0。故复合管BG2、BG3呈截止状态。(如图2所示)然而，此时的电源EB的正端经由K7〃K8而到达BG3的C极，但因BG3的截止之故，VAB＝0V，也就是说，“与非门”(由BG1、BG2和BG3等元件组成的)没有正电平输出，红外线调制发射机(25)得不到电源，不工作。
b、挂单吊环起钻时这时不论是K3(K7)或者是K4(K8)中的哪一只开关相对应的吊环(15)未被挂入吊卡的耳梁内，由图2可知，BG1的Ib1＝0，故其截止，c-e极间呈开路状态。这时候因为有R2向BG2提供偏流Ib2，BG2和BG3将饱和导通。
所以电源EB的正端经由K7或者是K8，再通过BG3的c-e而输入出正电平VAB≈3V。红外线调制发射机(25)就通电等K6的触发！K6(23)实际上是一个由大钩行程的X/4所控制的“常闭”按钮开关(X一般取值为1～2)。在刚起钻上提时，大钩内的弹簧逐渐压缩，然而在外面看起来则是大钩行程的被拉开。当其拉开到≥预先调定值(即指X/4行程)时，K6(23)按钮因失去外力的压迫作用而复位-即转变为原来的“常闭”状态。K6(23)的闭合就触发发射机(25)发出一个红外线调制信号来。
c、挂危险吊环起钻时此时的K3(K7)和K4(K8)均能接通，但因S值过大于正常值，故K2(31)将为不通(或是其RD3→∞)致使Ib1≈0;BG2、BG3就呈导通。即发射机(25)通电等待K6的触发，其工作原理同前面b所述，不再重复。
“与非门”逻辑判断真值表见图7。
值得说明的是，每只吊环(15)的重量W取为150kg算;把δ调节在18mm左右，而且把“间隙器”(30)的弹簧(其性能制成T≥W+F(F＝50Kg)时，δ→0;又因为大钩的全行程为200mm，相应的最大弹力取为8000Kg，按X＝1来作试验计算得触发开关K6(23)是由200×1/4＝50mm(相应弹力为-2000Kg)行程距离来触动控制的，而后还将有200-50＝150mm(或6000Kg弹力)的剩余行程。
也就是说在上提时当每一只吊环(15)所受的负荷大于F(即50Kg)值时，δ变小且→0，同时K3(K7)(29)、K4(K8)(29)也就分别起作用了。但是K6(23)却要等到两只吊环(15)的总负荷达到2000Kg(即行程被拉开到50mm)时才被触动，如果这时的吊环是属于不正常工作状态(指挂的单吊环或危环)，那么就要发射出调制红外线信号来。
与此同时，a、大钩仍在继续上行;b、接收机收到遥控信号驱动电磁阀及“防碰”气路元件正在执行紧急停(刹)车动作。
把K6(23)预定在较大吨位(如2000Kg)才起作用a、是避免刚刚上提时大钩的摆动产生发射机(25)的误触发;b、大钩的所剩余150mm行程(或6000Kg弹力)若要将之也拉开完，是需要有一段时间ta来完成的;c、自K6(23)动作并发射出信号起到把车停(刹)住同样要需要一个时间过程tb。
结论综上所述，当发生不正常吊环起钻时，a、吊环负荷≥100Kg时，发射机(25)的电源自动接通;b、当大钩负荷增加至≥2000Kg时，K6(23)动作发射出调制红外线遥控信号-停(刹)车装置立刻动作，并由ta的延时缓冲作用-装置能够在大钩只有较小的负荷(甚至在大钩的行程弹簧还未被全部拉开之前)时把车停(刹)住。
2.红外线调制信号发射机(25)电原理如图2所示，由集成块CD4011和外围元件组成了38～40KHZ的方形波振荡器，从其第11脚输出方波并直接去激励三极管BG4。因此，红外线发射管就输出方波所调制的信号波。其中的电位器W是微调振荡频率用的，六只红外线发射管D4～D9并联接入BG4管的集电极回路中。但是D6～D9以互成60°的夹角被安装于大钩的周围，以保证接收机能够在大钩发生回转时，正常地接收信号波。图3是M1∶1的印刷电路板。
3.调制红外线接收机(25)原理a、接收机(25)如图5所示，当红外线感光二极管D1(PH302)接收到发射机(25)射出的调制信号以后，直接输入μPC1373H集成块的第7脚经过放大和L、C3的调谐后，第1脚输出负脉冲(低电平)信号。(注在平时没有收到调制红外线信号的情况下，第1脚的电平值约为6.3V左右。而当接收到信号时，第1脚就突变为约0.56V左右的低电平-即负脉冲信号)。
b、驱动执行部分由μPC1373H的第1脚所输出的负跳脉冲信号能够通过二极管D2加到驱动三极管BG的基极，使其饱和导通。这样可控硅ScR的控制极G就因得了一个触发正电平而导通，并维持自锁，它使执行电磁阀开启-把停(刹)车执行气送入图1换向阀2-刹车气缸(进气)中的换向阀1→三通-常开继气器-高低速离合器和踏板油门(放气)这就实现了挂不正常吊环起钻的自动停(刹)车控制。
另外，在ScR导通后红色的指示灯ZD1发光指示;D4二极管反向接在电磁阀两端，起保护ScR的作用;K1是带有绿色指示灯ZD2的停(刹)车解除用“常闭”按钮开关，它和电磁阀等被装在司钻操作箱上。
4.EC电源原理图5中EC是一只12V/140hA的铅酸蓄电池(如6-Q-140)，由它负责向接收机及驱动执行电路供电。另外用汽车用的“感应子发电机”(如JWF-13型)及其附件组成了向电源EC充电的“充电机”，由于该种发电机是属于无刷形式的，故不产生电火花。因此可以将它安装在距离井口较近的自动压风机处，这样只要总离合器一合它就被触动发电。
5.吊环限距开关K2(31)(直流红外线式)电原理a、如图2所示，它由电源EA/1.5V，钮子开关K1和红外线发光二极管D2(20)(如SP413/φ5)组成-直流红外线的发光部分。D1是一只红颜色的发光二极管作为K1开关与否的照明指示灯。图4是其电路印刷板。(注在平时不起钻时应将K1关断，而欲起钻时应将K1合上)与D2(20)光偶合的是D3(22)(SP431/φ3)直流红外线接收二极管。它们一同装在“限距器”M端(21)的K2(31)总成内，由卡箍卡在一只吊环(15)上的h处。而D3(22)管脚则用导线沿其吊环向上引到安装在大钩上的“检测与非门及发射机”(25)电路板上的a和b两点(见图8和图2)。
b、“限距器”K2(31)原理(结构)分析如图14和图8所示，K2(31)的挡光滑尺是用“2M钢卷尺”做的，在约65cm刻度处开一条约为30×3的窄长缝，将其穿入“检测头”(21)的中间滑尺缝道，在“检测头”(21)的滑尺缝道两侧面有“同轴的两个小孔”，分别装入φ5-SP413的D2(20)和φ3-SP413的D3(22)。这样由D2(20)射向D3(22)的红外线光就要受到中间缝道内的“滑尺”的遮挡与否控制了。经实测当“滑尺”窄长缝“对准”D2(20)、D3(22)时-D3(22)受D2(20)照射，这时的RD3较小，约9.8KΩ;反之当“滑尺”的窄长缝离开D2(20)、D3(22)时，D2(20)射出的红外线光被“滑尺”所挡住，这时RD3→∞，就相当于是K2的断开。
c、“限距量”的调节在图8和图14中，“滑尺”的涡卷弹簧装在有检测头等的M端(21);而在N端(17)有一个类似收卷或放回“滑尺”的“限距量”调节手轮(16)。手轮(16)平时靠其定位压簧使手轮由“锥体轴”(33)与“锥体座”(35)、(38)的配合面摩擦力而定住位。当用力下压手轮(16)后同时也就可以转动它并进行调节了。
现以某一定的吊卡为例说明调定方法
(a)、将两只吊环(15)挂入吊卡的耳梁内，其中一只就位于耳梁的凹部，而另一只却有意地挂在离耳梁的凹部O有一个距离S的P处，见图15-a。这个S值就是所谓的“限距量”。(注这里推荐的S值为10～40mm，原则上是，吊卡越大S也越大;反之，S取较小值)。
(b)、在确定好S值之后，合上K1(装在M端)，此时装在“检测头”(21)刻度线观察窗口内的用作K1工作指示兼为-刻度线照明的二极管D1将被点亮。这样在下压手轮(16)并转动的同时，观察窗口内的“滑尺”刻度线与“检测头”(21)刻度线二者对齐后，松开下压的手轮(16)，调节完毕。
S值反映到红外线限距开关K2(31)的“滑尺”(就是图15-b)上则为S′，当K2在吊环上的安装位置h确定后，S/S′＝C。因此滑尺的左右移动就起到开关的作用了。
二、安装调试等事项1.元件选择K1为微型另加橡胶密封的钮子开关。
K2为直流红外线式的开关。当然也可以采用具有一段可以调节的OP即S′-机械式开关。
K3(K7)和K4(K8)(29)为双联“常开”且另加橡胶密封的微动开关，如JWL2-22。也可以采用由“间隙器”(30)带动永磁体而进行控制的-双联“常开”干簧管。
K6(23)是一“常闭”按钮LA18-22Y另加橡胶密封，同时增加一段小压簧于其端部用以增大按钮的“工作行程”，使之能满足K6预先调定到50mm的大钩行程。同样地也可以采用“干簧管”开关代之。
R全部为功率1/4～1/2W金属膜电阻。
L用收音机中周磁芯，φ0.07～0.08漆包线绕292～302匝。
电源EC的“充电机”原理图中已注明，但也可以采用(～220V、≥500VA)的硅整流充电机，(注充电机仅作参考用)。
电磁阀开启能力≥12MPa，通径≥18mm(如DF型)。
所有的电器元件均应加橡胶层(甚至金属外壳)以密封固定，隔离所产生的电火花及水、泥浆的侵污。
2.安装调试将图3的电路板和电源EB(R20电池三组)等装于塑料壳内，然后再把它装入壁厚9～10mm的方形钢制保护盒子里(注此盒用电焊或M5螺钉数枚固定在大钩上)，其盒盖用M3螺钉且有密封用橡胶垫子。
而K2开关(31)的D3(22)两管脚用导线引入盒里，电路板的“输出”则用导线引出接到发射管(六只D4～D9)的“发射头”(41～44)里。
接收机等元件装于一塑料盒里，再密封固定在司钻操作箱内，但指示灯ZD1、ZD2和刹车解除按钮安在面板上，另外接收二极管D1(PH302-也可以二只并联)被安装在“接收头”(41～44)中-此头固定在操作箱外面的顶部，并面对大钩的“发射头”。所以D1用双芯屏蔽线引入操作箱内的塑料盒里。
最后用示波或扫频仪器测试CD4011的11脚，并调节W(微调电位器)。使f在38～40KHZ。再调L磁芯，使其L.C3谐振在f附近。
这样就可进行“起钻的-单危环”试验了;[K2(31)、K3(K7)(29)、K4(K8)(29)、K6(23)]等的调试已在原理部分交待清楚了。
权利要求
1.防止“单吊环起钻”自动控制装置可用于钻井作业钻机上，它主要由安装在大钩上的红外线信号发射机(25)，安装在司钻箱上的红外线信号接收机、驱动电磁阀和原钻机的“防碰天车”装置组成，其特征是二只吊环上分别装有一个检测“单吊环”的“间隙器”(30)和一只检测“危险吊环”的“限距器”(31)，一只发射机触发(大钩行程)开关K6(23)，与主电路板产生调制红外线信号，而采用遥控(传)方式的接收机，驱动电磁阀与刹车执行机构--即“防碰天车”装置相连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是压缩气源经驱动电磁阀与刹车执行机构(即防碰天车装置)相连接，一旦发生“单(危)吊环起钻”，电磁阀开启立即实现紧急刹车。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是“间隙器”(30)能把空吊环挂起来且形成一个可以调节的间隙δ，并由之来触动开关K3(K7)或者K4(K8)(29)完成“单吊环与否”的检测。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是“限距器”(31)进行两吊环水平间距的正常与否即“危险吊环”的检测。
5.根据权利要求1、3、4所述的装置，其特征是由主电路板由一个所谓的“电子与非门”电路进行“单(危)吊环”与否的逻辑判断。
6.根据权利要求1、5所述的装置，其特征是发射机触发(大钩行程)开关K6(23)，能够避免在刚刚起钻上提时大钩的摆动因素而产生的误动信号。
7.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的装置，其特征是采用调制红外线遥控(传)方式，使之具有很好的抗干扰性能，可作防止挂“单吊环”和“危险吊环”两种保护。
全文摘要
防止“单吊环起钻”自动控制装置，可用于钻井钻机上，如地矿。盐业特别是油气井的钻控。在起下钻中常因为操作失误，而在刚上提时发生所谓的“单吊环”事故，其后果严重者将造成井废人亡。本装置可有效地消除“单吊环”及“危险吊环”两种事故隐患。因采用了逻辑电路红外线新技术，刹车装置与原钻机上的“防碰天车”共用。有工作可靠、结构简单、易于实施之特点。
文档编号E21B44/00GK1035865SQ8810191
公开日1989年9月27日 申请日期1988年3月17日 优先权日1988年3月17日
发明者吴洪波 申请人:吴洪波