本发明提供一种绞车装置及安装有该绞车装置的绞车系统和其用于教学的用途。该绞车装置安装在井架上，包括机壳、设置于机壳内的滚筒、用于安装滚筒的滚筒轴、通过主离合器设置于滚筒轴一端的皮带轮、用于驱动皮带轮的双速电机，以及刹车系统；刹车系统包括液压盘刹装置和气动水冷盘式刹车；液压盘刹装置包括对称设置于滚筒两端的两个刹车单元；刹车单元包括制动盘、设在制动盘边缘的钳架以及固定在钳架上的钳夹。该绞车装置，结构精简，适用于教学或小功率需求使用。同时本发明还提供了一种安装有如上绞车装置的绞车系统，并将该绞车系统用于实际教学，便于观察，清楚再现绞车系统的工作过程，帮助学员了解绞车系统的结构和工作原理。
1.一种绞车系统，设置于模拟钻台上，包括绞车装置(4)、游动系统和控制系统(1)；
所述绞车装置，安装在井架上，包括机壳(40)、设置于机壳(40)内的滚筒(44)、滚筒轴(45)、皮带轮(50)、电机(42)、主离合器(51)和刹车系统(4b)，所述滚筒(44)固定于所述滚筒轴(45)上，所述皮带轮(50)通过所述主离合器(51)设置于所述滚筒轴(45)的一端，所述电机(42)用于驱动所述皮带轮(50)运转，继而带动滚筒轴(45)、滚筒(44)旋转；所述电机(42)为双速电机；所述刹车系统(4b)包括液压盘刹装置(48)和气动水冷盘式刹车(46)；所述液压盘刹装置(48)包括对称设置于所述滚筒(44)两端的两个刹车单元；所述刹车单元包括制动盘、设在制动盘边缘上的钳架以及固定在钳架上的至少两个钳夹，且钳夹的活动夹设在制动盘上，所述制动盘固定在滚筒(44)的两端；所述气动水冷盘式刹车(46)通过齿式离合器(47)与所述滚筒轴(45)连接；
其特征在于：所述游动系统包括井架(5)、位于井架(5)上端的天车以及沿井架上下滑动的游车，所述游车通过钢丝绳与所述绞车装置(4)连接；所述绞车装置(4)用于控制所述游车的上下运动；
所述控制系统(1)包括电气控制系统和液压控制系统；所述液压控制系统用于控制所述液压盘刹装置(48)；所述电气控制系统与所述液压控制系统连接，并能控制所述气动水冷盘式刹车(46)。
2.如权利要求1所述绞车系统，其特征在于：所述滚筒(44)上方的机壳(40)上设有过卷阀(43)，所述井架(5)上设有防碰阀(49)，所述游车上安装有数码防碰阀(31)；所述防碰阀(49)、过卷阀(43)和数码防碰阀(31)均通过所述电气控制系统控制所述液压盘刹装置(48)的钳夹，构成紧急刹车控制支路。
3.如权利要求1所述绞车系统，其特征在于：所述电气控制系统通过以下结构控制电机运行速度：所述电机(42)连有两个并联设置的电机转速开关(1e)；所述电气控制系统根据气流方向从气源(3)到主离合器(51)之间依次设有两用继气器(22)、离合器总控制阀(38)、离合器速度控制阀(37)、两个并联的电机转速开关(1e)、调压继动阀(34)以及离合器排气阀(35)；所述电机还连有电机转换开关(1b)，所述电气控制系统依据电机转速开关(1e)及电机转换开关(1b)切通的支路控制主离合器(51)的高速或低速工作模式。
4.如权利要求1所述绞车系统，其特征在于：所述钳架上固定的钳夹为等距安装，其中至少有一个为工作钳(48a)，至少有一个为安全钳(48b)，所述工作钳(48a)与安全钳(48b)并联；各工作钳(48a)串联；各安全钳(48b)串联；所述工作钳(48a)为常开式车钳，所述安全钳(48b)为常闭式车钳；所述液压控制系统用于控制工作钳(48a)的为第一液压控制支路；
用于控制安全钳(48b)的为第二液压控制支路；所述第一液压控制支路包括依次连接的液压站(2)、比例减压阀(20)、液控换向阀(18)与工作钳(48a)；所述第二液压控制支路包括依次连接的液压站(2)、手动换向阀(23)、单项节流阀(24)与安全钳(48b)；所述第一液压控制支路和第二液压控制支路均与气控换向阀(21)连接。
5.如权利要求2所述绞车系统，其特征在于：所述钳架上固定的钳夹为等距安装，其中至少有一个为工作钳(48a)，至少有一个为安全钳(48b)，所述工作钳(48a)与安全钳(48b)并联；各工作钳(48a)串联；各安全钳(48b)串联；所述工作钳(48a)为常开式车钳，所述安全钳(48b)为常闭式车钳；所述液压控制系统用于控制工作钳(48a)的为第一液压控制支路；
用于控制安全钳(48b)的为第二液压控制支路；所述第一液压控制支路包括依次连接的液压站(2)、比例减压阀(20)、液控换向阀(18)与工作钳(48a)；所述第二液压控制支路包括依次连接的液压站(2)、手动换向阀(23)、单项节流阀(24)与安全钳(48b)；所述第一液压控制支路和第二液压控制支路均与气控换向阀(21)连接；所述过卷阀(43)、防碰阀(49)和数码防碰阀(31)并联；当过卷阀(43)、防碰阀(49)或数码防碰阀(31)发出信号时，所述气控换向阀(21)切通第一、二液压控制支路，工作钳(48a)和安全钳(48b)均参与刹车；所述气控换向阀(21)和并联的过卷阀(43)、防碰阀(49)、数码防碰阀(31)之间设有防碰释放按钮(33)和手动换向阀(19)，所述手动换向阀(19)靠近气控换向阀(21)设置，同时在过卷阀(43)与防碰阀(49)并联后的支路与防碰释放按钮(33)之间装有梭阀(32)，用于解除刹车恢复正常生产。
6.如 权利要求5所述绞车系统，其特征在于：所述第一液压控制支路和第二液压控制支路上分别设有与电气控制系统连接的压力开关和第一灯带；所述电气控制系统用于控制所述气动水冷盘式刹车的为气动水冷盘式刹车控制支路；所述气动水冷盘式刹车控制支路和紧急刹车控制支路设有压力开关和第二灯带，所述液压站(2)内设有第三灯带，所述第一灯带、第二灯带、第三灯带的颜色各不相同。
7.如权利要求6所述绞车系统，其特征在于：所述气动水冷盘式刹车控制支路从气源(3)到所述气动水冷盘式刹车的气缸之间依次连接有手动调压阀(29)、辅助刹车气控阀(25)、调压继动器(26)和快速放气阀(27)；所述快速放气阀(27)与气缸连接用于控制气缸的充、放气；所述气动水冷盘式刹车控制支路的辅助刹车气控阀(25)的出口及所述第一液压控制支路上的比例减压阀出口(20)上均设有压力传感器(B1、B2)，这两个压力传感器(B1、B2) 分别与第二、一灯带连接。
8.如权利要求1～5任意一项所述绞车系统用于教学演示的用途，其特征在于：还包括演示系统，所述演示系统包括设置于同一操纵台上的用于控制所述控制系统的操纵按钮和设置于所述操纵台上的按钮。
9.如权利要求8所述用途，其特征在于：所述模拟钻台下设有线槽，所述线槽内镶嵌有金属U形槽，所述电气控制系统的电路线和气路线及所述液压控制系统的液路线均铺设在该金属U形槽内，所述金属U形槽的槽口盖设有不高于模拟钻台平面的透明板。
绞车装置及安装有该绞车装置的绞车系统
技术领域
[0001] 本发明涉及钻井教学领域，特别是涉及一种绞车装置及安装有该绞车装置的绞车系统和其用于教学的用途。
背景技术
[0002] 钻井作业的现场管理、操作人员对绞车的结构、原理、使用操作、维护保养知识匮乏，由于操作失误引起的事故经常发生，而在钻井平台安排工作人员的实习和教学，不仅现场教学的危险隐患大，易扰乱现场的生产状况，产生的教学成本也较高，且现场实物教学因条件所限缺乏直观性，因此需要开发教学控制台、仿真绞车模型及其相关使用附件等一整套可以模拟现场实际操作的教学系统，用于帮助学员了解绞车系统的结构及工作原理。
发明内容
[0003] 本发明的第一个目的在于：提供一种绞车装置，结构精简，适用于教学或小功率需求使用。
[0004] 本发明的第二个目的在于：提供一种安装有如上绞车装置的绞车系统，可在教学或小功率需求时使用；
[0005] 本发明的第三个目的在于：将安装有如上绞车装置的绞车系统应用于实际教学，便于观察，清楚再现绞车系统的工作过程，帮助学员了解绞车系统的结构和工作原理。
[0006] 为此，本发明的技术方案如下：
[0007] 一种绞车装置，安装在井架上，包括机壳、设置于机壳内的滚筒、滚筒轴、皮带轮、电机、主离合器和刹车系统，所述滚筒固定于所述滚筒轴上，所述皮带轮通过所述主离合器设置于所述滚筒轴的一端，所述电机用于驱动所述皮带轮运转，继而带动滚筒轴、滚筒旋转；所述电机为双速电机；所述刹车系统包括液压盘刹装置和气动水冷盘式刹车；所述液压盘刹装置包括对称设置于所述滚筒两端的两个刹车单元；所述刹车单元包括制动盘、设在制动盘边缘上的钳架以及固定在钳架上的至少两个钳夹，且钳夹的活动夹设在制动盘上，所述制动盘固定在滚筒的两端；所述气动水冷盘式刹车通过齿式离合器与所述滚筒轴连接。
[0008] 一种安装有如上所述绞车装置的绞车系统，设置于模拟钻台上，包括绞车装置、游动系统和控制系统；所述游动系统包括井架、位于井架上端的天车以及沿井架上下滑动的游车，所述游车通过钢丝绳与所述绞车装置连接；所述绞车装置用于控制所述游车的上下运动；
[0009] 所述控制系统包括电气控制系统和液压控制系统；所述液压控制系统用于控制所述液压盘刹装置；所述电气控制系统与所述液压控制系统连接，并能控制所述气动水冷盘式刹车。
[0010] 进一步，所述绞车系统中所述滚筒上方的机壳上设有过卷阀，所述井架上设有防碰阀，所述游车上安装有数码防碰阀；所述防碰阀、过卷阀和数码防碰阀均通过所述电气控制系统控制所述液压盘刹装置的钳夹，构成紧急刹车控制支路。
[0011] 进一步，所述电气控制系统通过以下结构控制电机运行速度：所述电机连有两个并联设置的电机转速开关；所述电气控制系统根据气流方向从气源到主 离合器之间依次设有两用继气器、离合器总控制阀、离合器速度控制阀、两个并联的电机转速开关、调压继动阀以及离合器排气阀；所述电机还连有电机转换开关，所述电气控制系统依据电机转速开关及电机转换开关切通的支路控制主离合器的高速或低速工作模式。
[0012] 进一步，所述钳架上固定的钳夹为等距安装，其中至少有一个为工作钳，至少有一个为安全钳，所述工作钳与安全钳并联；各工作钳串联；各安全钳串联；所述工作钳为常开式车钳，所述安全钳为常闭式车钳；所述液压控制系统用于控制工作钳的为第一液压控制支路；用于控制安全钳的为第二液压控制支路；所述第一液压控制支路包括依次连接的液压站、比例减压阀、液控换向阀与工作钳；所述第二液压控制支路包括依次连接的液压站、手动换向阀、单项节流阀与安全钳；所述第一液压控制支路和第二液压控制支路均与气控换向阀连接。
[0013] 进一步，所述钳架上固定的钳夹为等距安装，其中至少有一个为工作钳，至少有一个为安全钳，所述工作钳与安全钳并联；各工作钳串联；各安全钳串联；所述工作钳为常开式车钳，所述安全钳为常闭式车钳；所述液压控制系统用于控制工作钳的为第一液压控制支路；用于控制安全钳的为第二液压控制支路；所述第一液压控制支路包括依次连接的液压站、比例减压阀、液控换向阀与工作钳；所述第二液压控制支路包括依次连接的液压站、手动换向阀、单项节流阀与安全钳；所述第一液压控制支路和第二液压控制支路均与气控换向阀连接。所述过卷阀、防碰阀和数码防碰阀并联；当过卷阀、防碰阀或数码防碰阀发出信号时，所述气控换向阀切通第一、二液压控制支路，工作钳和安全钳均参与刹车；所述气控换向阀和并联的过卷阀、防碰阀、数码防碰阀之间设有防碰释放按钮和手动换向阀，手动换向阀靠近气控换向阀设置，同时在过卷阀 与防碰阀并联后的支路与防碰释放按钮之间装有梭阀，用于解除刹车恢复正常生产。
[0014] 所述绞车系统用于教学演示的用途，其结构还包括演示系统，所述演示系统包括设置于同一操纵台上的用于控制所述控制系统的操纵按钮和设置于所述操纵台上的按钮。优选，所述模拟钻台下设有线槽，所述线槽内镶嵌有金属U形槽，所述电气控制系统的电路线和气路线及所述液压控制系统的液路线均铺设在该金属U形槽内，所述金属U形槽的槽口盖设有不高于模拟钻台平面的透明板。
[0015] 所述绞车系统用于教学演示的用途，所述第一液压控制支路和第二液压控制支路上分别设有与电气控制系统连接的压力开关和第一灯带；所述电气控制系统用于控制所述气动水冷盘式刹车的为气动水冷盘式刹车控制支路；所述气动水冷盘式刹车控制支路和紧急刹车控制支路设有压力开关和第二灯带，所述液压站内设有第三灯带，所述第一灯带、第二灯带、第三灯带的颜色各不相同。优选，所述气动水冷盘式刹车控制支路从气源到所述气动水冷盘式刹车的气缸之间依次连接有手动调压阀、辅助刹车气控阀、调压继动器和快速放气阀；所述快速放气阀与气缸连接用于控制气缸的充、放气；所述气动水冷盘式刹车控制支路的辅助刹车气控阀的出口及所述第一液压控制支路上的比例减压阀出口上均设有压力传感器，这两个压力传感器分别与第二、一灯带连接。
[0016] 本发明提供的绞车装置，使用双速电机驱动通过一主离合器连接的皮带轮，代替实物的柴油机驱动、双轴变速箱变速、高低速离合器啮合传动的结构，结构更为精简，适用于教学中的小功率使用需求，当然，该结构也可适用于作业现场中低功率需求的绞车，因此，该结构绞车装置有效降低教学投入成本，同时，结构简单，便于学生理解。本发明提供的安装有如上绞车装置的绞车系统， 可在教学或小功率需求时使用，另外将其应用于实际教学，便于观察，清楚再现绞车系统的工作过程，帮助学员了解绞车系统的结构和工作原理。
附图说明
[0017] 图1是绞车装置的结构示意图；
[0018] 图2是安装有图1绞车装置的绞车系统的俯视结构示意图；
[0019] 图3是图2中绞车系统的控制系统总图，其中虚线为液路线，点划线为气路线，实线为电路线；
[0020] 图4是图2中绞车系统的灯带分布图，其中波浪线为灯带。
具体实施方式
[0021] 以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
[0022] 如图1～4所示，一种绞车装置，其外形尺寸按与现场实物(JC50型号绞车)1：1.5的比例生产，降低教学投入成本，安装在井架上，包括车架41、机壳40、设置于机壳40内的滚筒44、滚筒轴45、皮带轮50、电机42、主离合器51和刹车系统4b，滚筒44固定于滚筒轴45上，皮带轮50通过主离合器51设置于滚筒轴45的一端，电机42用于驱动皮带轮50运转，继而带动滚筒轴45、滚筒44旋转；电机42为双速电机；刹车系统4b包括液压盘刹装置48和气动水冷盘式刹车46；气动水冷盘式刹车46通过齿式离合器47与滚筒轴45连接；液压盘刹装置48包括对称设置于滚筒44两端的两个刹车单元；刹车单元包括制动盘、设在制动盘边缘上的钳架以及固定在钳架上的至少两个钳夹，且钳夹的活动夹设在制动盘上，制动盘固定在滚筒44的两端；优选，钳架上固定的钳夹为等距安装，其中至少有一个为工作钳48a，至少有一个为安全钳48b，工作钳48a 与安全钳48b并联；各工作钳48a串联；各安全钳48b串联；工作钳48a为常开式车钳，安全钳48b为常闭式车钳；液压控制系统用于控制工作钳48a的为第一液压控制支路；用于控制安全钳48b的为第二液压控制支路；第一液压控制支路包括依次连接的液压站2、比例减压阀20、液控换向阀18与工作钳48a；第二液压控制支路包括依次连接的液压站2、手动换向阀23、单项节流阀24与安全钳48b；第一液压控制支路和第二液压控制支路均与气控换向阀21连接。机壳40上可设有正对于液压盘刹装置48的透明观察口；便于学生观察液压盘刹装置48的工作过程。
[0023] 一种安装有如上绞车装置的绞车系统，设置于模拟钻台上，包括绞车装置4、游动系统和控制系统1；游动系统包括井架5、位于井架5上端的天车以及沿井架上下滑动的游车，游车连接有配重，游车通过钢丝绳与绞车装置4连接；井架5设计高度6.2米，并能为游车提供滑道，游车和其配重总重应控制在400kg以内，游动系统整个便于观察，同时，可减小教学投入成本；如图2所示，图中6为电路线，7为液路线，8为气路线；绞车装置4用于控制游车的上下运动；控制系统1包括电气控制系统和液压控制系统；液压控制系统用于控制液压盘刹装置48；电气控制系统与液压控制系统连接，并能控制气动水冷盘式刹车46。该电气控制系统通过以下结构控制电机运行速度：电机42连有两个并联设置的电机转速开关1e；电气控制系统根据气流方向从气源3到主离合器51之间依次设有两用继气器22、离合器总控制阀38、离合器速度控制阀37、两个并联的电机转速开关1e、调压继动阀34以及离合器排气阀35；电机还连有电机转换开关1b，电气控制系统依据电控箱1a内的电机转速开关1e及电机转换开关1b切通的支路控制主离合器51的高速或低速工作模式。
[0024] 本发明提供的绞车装置4与现场绞车实物不同，其使用双速电机42驱动通 过一主离合器51连接的皮带轮50，代替实物的柴油机驱动、双轴变速箱变速、高低速离合器啮合传动的结构，结构更为精简，适用于教学中的小功率使用需求，当然，该结构也可适用于作业现场中低功率需求的绞车，因此，该结构绞车装置4有效降低教学投入成本，同时，结构简单，便于学生理解。
[0025] 在本发明的一个实施例中，滚筒44上方的机壳40上设有过卷阀43，井架5上设有防碰阀49，游车上安装有数码防碰阀31；防碰阀49、过卷阀43和数码防碰阀31均通过电气控制系统控制液压盘刹装置48的钳夹，构成紧急刹车控制支路。过卷阀43、防碰阀49和数码防碰阀31并联；当过卷阀43、防碰阀49或数码防碰阀31发出信号时，气控换向阀21切通第一、二液压控制支路，工作钳48a和安全钳48b均参与刹车；气控换向阀21和并联的过卷阀43、防碰阀49、数码防碰阀31之间设有防碰释放按钮33和手动换向阀19，手动换向阀19靠近气控换向阀21设置，同时在过卷阀43与防碰阀49并联后的支路与防碰释放按钮33之间装有梭阀32，用于解除刹车恢复正常生产；当过卷阀43或防碰阀49任一阀件发出信号时，通过梭阀32接通气压信号，梭阀32可视为两个单向阀组合而成的“或门”阀，经过梭阀32的气压信号作用于两用继气器22，输出气压信号切断或者当手动换向气阀19按下时，输出气压信号切断。
[0026] 工作中，当游车提升到极限高度时，滚筒钢丝绳触碰过卷阀43开关向绞车控制系统4a发出过卷信号；同时与防碰阀49连接的油丝绳切断，防碰阀49执行动作并向绞车控制系统4a发出防碰信号；且设置于游车上的数码防碰阀31高精度编码器进行逻辑运算，通过仪表进行游车上升高度显示，当游车提升到极限高度时数码防碰系统给数码防碰阀31发出动作信号，数码防碰阀执行动作并向绞车控制系统4a发出数码防碰信号，防碰阀49、过卷阀43、数码防碰阀31通过液压系统2控制钳夹；气动水冷盘式刹车46与气动系统连接，气动水冷 盘式刹车46使用现有技术的伊顿刹车盘，气动水冷盘式刹车46冷却系统9a配置水箱9，由水泵转换开关1c控制的冷却水泵28电机及水箱加热开关1d控制的水箱加热棒，这里不进行赘述；本发明提供的绞车系统可弥补现有教学用的液压盘式刹车系统和气动水冷盘式刹车系统绞车模型的空白，同时，可方便学习者了解过卷阀43、防碰阀49现场作业中的工作原理和作用，使教学与贴合实际生产，学习者可接受与现场作业最接近的技术。
[0027] 该绞车系统用于教学演示的用途，其结构还包括演示系统，该演示系统包括设置于同一操纵台上的用于控制控制系统的操纵按钮和设置于操纵台上的按钮。优选，模拟钻台下设有线槽，线槽内镶嵌有金属U形槽，电气控制系统的电路线和气路线及液压控制系统的液路线均铺设在该金属U形槽内，金属U形槽的槽口盖设有不高于模拟钻台平面的透明板。可防止各种管线裸露在外导致的安全隐患，同时，可方便学习者观察到各系统部件之间的连接关系。
[0028] 不同于现有技术中的绞车教学中仅利用单独一个绞车模型进行工作演示，本发明的教学演示绞车系统再现完整的钻井作业现场，便于学习者全方位了解绞车的现场工作状况，同时，绞车系统还连接有演示系统，演示系统的显示演示屏可根据学习者的操作情况，在显示演示屏上显示操作控制位置，便于学习者理解绞车系统的工作原理，因此，该教学演示绞车系统适用于学生的教学工作中，学生的教学活动可灵活安排，不受现场生产影响。
[0029] 在本发明的一个实施例中，该绞车系统用于教学演示的用途，第一液压控制支路和第二液压控制支路上分别设有与电气控制系统连接的压力开关和第一灯带；电气控制系统用于控制气动水冷盘式刹车的为气动水冷盘式刹车控制支路；气动水冷盘式刹车控制支路和紧急刹车控制支路设有压力开关和第二灯带，液压站2内设有第三灯带，第一灯带、第二灯带、第三灯带的颜色各不相同。 液压站2内包括液压线路连接的油箱10、油泵11、单向阀12、冷却器13、安全阀14、过滤器15、蓄能器17、压力表16。
[0030] 根据控制系统1的工作动态，压力开关36开启并通过电气系统反馈至相应灯带，灯带30发亮或关闭显示各线路的连接关系，以及各个控制按钮与各线路之间的控制关系，动态显示绞车系统的工作原理，通过线槽的透明板，学习者可以清楚观察到液压系统2a和气压系统的工作动态，理解其工作原理，且传感器所采集的各个线路的压力状态在显示演示屏上显示，方便学习者了解绞车系统工作状态。
[0031] 气动水冷盘式刹车控制支路从气源3到气动水冷盘式刹车的气缸之间依次连接有手动调压阀29、辅助刹车气控阀25、调压继动器26和快速放气阀27；快速放气阀27与气缸连接用于控制气缸的充、放气；气动水冷盘式刹车控制支路的辅助刹车气控阀25的出口及第一液压控制支路上的比例减压阀出口20上均设有压力传感器B1、B2，这两个压力传感器B1、B2分别与第二、一灯带连接，如图3、4所示。根据压力传感器的压力信号大小，电气系统控制第二灯带和第一灯带的亮度，以便学习者直观压力变化的状态。
