氣動控制技術是利用壓縮空氣作為傳遞動力或信號的工作介質，配合氣動控制系統的主要氣動元件，與機械、液壓、電氣、電子（包括PLC控制器和微電腦）等部分或全部綜合構成的控制迴路，使氣動元件滿足了生產工藝要求的工作狀況、設定的順序或條件動作。
一、氣控制系統的特點
（1）氣動裝置結構簡單，安裝維護方便，壓力等級低，故使用安全。
（2）以空氣作為介質，就地取材，用之不竭，排氣處理簡單、經濟、緊湊。
（3）利用空氣的可壓縮性，可儲存能量，實現集中供氣，可短時間內釋放能量，以獲得間歇運動中的高速響應，可實現緩衝，對沖擊負載和過負載有較強的適應能力。
（4）壓縮空氣工作壓力低（0.7～1MPa），氣控元件製造精度不是很高，易製造，好維修，操作簡便，工作可靠。
（5）壓縮空氣不易燃燒，不汙染，使用安全、衛生。
（6）可靠性高，使用壽命長。
二、鑽機氣控制系統的組成
如圖6-1所示，鑽機氣控制系統主要由以下四部分組成∶
（1）供氣機構。
將某種動力機（如電動機、內燃機等）的機械能轉換為氣體的氣壓能的轉換設備屬於供氣機構，主要由空壓機、儲氣罐及空氣處理裝置等組成，用以提供壓縮空氣。
（2）發令機構。
發令機構主要由發出控制命令的各種手柄、按鈕、踏板等開關組成，可切斷或接通氣源，達到控制的目的。
（3）傳令機構。
傳令機構主要由傳遞控制信號的各種管線、接頭、控制供氣方向和大小的閥件、槓桿等組成。這是氣控制的中間機構，也是鑽機控制中易出故障的關鍵部位。
（4）執行機構。
執行機構是將輸出的氣體氣壓能轉換為機械能的轉換設備。氣控制的各種執行機構由各種氣動設備和元件組成，如離合器、剎車氣缸、風動馬達和摩擦貓頭等。其作用是在壓縮空氣的推動下，使機構產生運動，從而達到執行控制的目的。
三、氣源設備
氣源設備是為鑽機氣控系統提供乾燥、清潔的壓縮空氣的裝置。為了保證各控制元件、執行元件及輸氣管道不卡堵、不鏽蝕，在冬季不凍結，對鑽機氣控系統用的壓縮空氣必須有一定的清潔度和乾燥度。氣源設備由以下三部分組成。
1. 空氣壓縮機
空氣壓縮機是將機械能轉換成氣壓能的裝置。空氣壓縮機的種類很多，石油鑽機中常用往復活塞式空氣壓縮機，它可單獨由電動機驅動，也可與鑽機動力機組聯動。在現場，由電動機驅動的稱為電動壓風機，由鑽機動力機組聯動的稱為自動壓風機。
2.壓縮空氣處理裝置
壓縮空氣處理裝置主要有以下幾種∶
（1）冷卻器。
冷卻器安裝在空氣壓縮機出口管道上，可以冷卻高溫的壓縮空氣併除去其中所含的水分。
（2）油、水分離器。
利用離心旋轉或環形迴轉等方式，分離壓縮空氣中的凝聚的水分、油分等雜質，是壓縮空氣的初級處理裝置。
（3）乾燥器。
乾燥器用來進一步吸收和排除壓縮空氣中的水分及油分。乾燥方法主要有離心分離法、吸附法和冷凍法幾種。離心分離法是迫使壓縮空氣強烈旋轉，在離心力作用下析出空氣中的水滴、油滴和塵埃。吸附法是利用吸附劑的吸附能力，吸附壓縮空氣中的水分。冷凍法是利用製冷設備使空氣冷卻到較低溫度，析出壓縮空氣中的水分。
（4）除塵器。
除塵器採用壓縮空氣通過過濾材料的辦法，除去壓縮空氣中的微小塵埃顆粒，以滿足壓縮空氣清潔度的要求。
3. 儲氣罐
儲氣罐是儲存壓縮空氣的容器。鑽機氣控系統中多采用臥式儲氣罐，其作用是消除壓力波動，保證輸出氣流的連續性和氣壓的穩定性;儲存一定數量的壓縮空氣，以備發生故障時進行應急處理。
四、氣動控制閥
1.氣動控制分類
在氣壓傳動和控制系統中，氣動控制元件是用來控制和調節壓縮空氣的壓力、流量和方向的，使氣動執行機構獲得必要的力、動作速度和運動方問，並按規定的程序工作。
從控制方式來分，氣動控制可分為斷續和連續控制兩類（圖6-2）。在斷續控制系統中，通常要用壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥來實現程序動作。在連續控制系統中，除了要用壓力、流量控制閥，還要採用比例、伺服控制閥等，以便對系統進行連續控制。
2.氣動控制閥特點
（1）液壓閥都有回油口，便於油箱收集用過的液壓油。氣動控制閥可以通過排氣口直接把壓縮空氣向大氣中排放。
（2）液壓閥和氣動控制閥兩者對洩漏的要求根本不同。液壓閥對向外的洩漏要求嚴格，而對元件內部的洩漏卻是允許的，通常將洩漏的油回收到油箱裡。氣動控制閥除間隙密封的閥以外.原則上不允許洩漏。對氣動管道來說，允許有少許洩漏;而液壓管道的洩漏將造成壓力明顯下降。
（3）液壓的工作介質為液壓油，液壓閥不存在其他的潤滑要求，而氣動的工作介質為空氣，空氣中常含有水分，無潤滑性，因此氣動閥本身需要油霧潤滑。
（4）氣動閥的工作壓力比液壓閥的低。
（5）一般氣動閥比液壓閥結構緊湊，重量輕，易於集成安裝，閥的工作頻率高，使用壽命長。
3.常用的氣動控制閥
1）壓力控制閥
調節和控制壓力大小的氣動元件稱為壓力控制閥。它包括調壓閥、安全閥（溢流閥）、順序閥、壓力比例閥、增壓閥及多功能組合閥等。
（1）調壓閥用於石油鑽機操作要求平穩啟動和有選擇操作壓力的控制氣路上，如絞車高低速、轉盤的啟停、剎車氣缸、柴油機油門等的控制，在鑽機上常用的調壓閥主要有手柄調壓閥，踏板調壓閥，手輪調壓閥，調壓繼動閥等。
（2）減壓閥是將較高的入口壓力降低並調節到符合使用要求的出口壓力，並保證調節後出口壓力的穩定。其他減壓裝置（如節流閥）雖能降壓，但無穩壓能力。
（3）壓力比例閥是採用開關控制方式來驅動使閥芯位移的。該閥主要由主閥、開關閥（先導控制閥）、壓力傳感器和電子控制迴路組成，這些部件集成於一體。
2）流量控制閥
在氣動自動化系統中，常需要對壓縮空氣的流量進行控制，如氣缸的運動速度，延時閥的延時時間等。對流過管道（或元件）的流量進行控制，只需改變管道的截面積就可以了，從流體力學的角度看，流量控制是在管路中製造一種局部阻力，改變局部阻力的大小，就能控制流量的大小。
實現流量控制的方法有兩種∶一種是固定的局部阻力裝置，如毛細管、孔板等;另一種是可調節的局部阻力裝置，如節流閥。
節流閥是依靠改變閥的流通面積來調節流量的，這就要求節流閥流量的調節範圍較寬，能進行微小流量調節，調節精確，性能穩定，閥芯開度與通過的流量成正比。
可調單向節流閥是由單向閥和開度可調的節流閥組合而成的，這種閥僅對一個方向的氣流進行節流控制。
3）方向控制閥
（1）按閥內氣流的作用方向，分類閥可分為換向型方向控制閥（如氣控閥、電磁閥等）和單向型方向控制閥兩大類（如單向閥、梭閥、雙壓閥和快速排氣閥等）。
（2）按控制方式分類，常用的有氣壓控制、電磁控制、人力控制和機械控制四類；
（3）按閥與氣路相連通的接口數——"通數"分類，常用的有二通閥、三通閥、四通閥和五通閥等；
（4）按閥杆與閥體的不同工作位置數——"位數"分類，常用的有二位閥、三位閥等；
（5）按閥芯結構分類，常用的有截止式、滑柱式和同軸截止式三類；
（6）按連接方式分類有管式連接、扳式連接、集裝式連接和法蘭連接等幾種。
電磁換向閥是氣動控制元件中最主要的元件，品種繁多，結構各異，但原理無多大區別，按動作方式，有直動式換向閥和先導式換向閥。按閥芯結構形式，有滑柱式、截止式和滑柱截止式。按密封形式，有彈性密封和間隙密封。按使用環境，有普通型、防滴型、防爆型、防塵型等。按所用電源，有直流換向閥和交流換向閥。按功率大小，有一般功率換向閥和低功率換向閥。按潤滑條件，有不給油潤滑換向閥和油霧潤滑換向閥等。
五、氣動執行元件
1.氣胎離合器
1）胎式氣離合器
（1）普通型氣離合器是結構最簡單的一種離合器，製造、安裝技術要求低，但氣胎參加傳遞扭矩，散熱條件不如通風型，壽命短些。
（2）通風型氣離合器是針對普通型的不足而發展起來的一種新型氣胎離合器，其結構上的主要特點是增加了一套散熱傳能裝置。這套裝置主要由扇形體、承扭杆、板簧和擋板等零件組成。
通風型氣胎不參加傳遞扭矩，散熱條件比普通型好，壽命長，其結構比普通型複雜得多，其高速工作時，離心力對離合器工作能力的影響也相應加大。因此，它適用於掛合頻繁，轉矩大而轉速不太高的場合，如絞車滾筒的低速離合器。
普通型和通風型氣離合器都具有掛合平穩、柔和，能吸收衝擊和振動，補償安裝誤差等優點。胎式氣離合器摩擦副的工作表面都是圓柱形，工作時，摩擦片沿徑向移動，故又稱為徑向離合器。
2）盤式離合器
這種離合器的工作表面是環狀平面，工作時摩擦片沿軸向移動，故又稱為軸向作用式離合器。
盤式離合器按摩擦盤數不同，可分為單盤、雙盤、多盤幾種;而按其氣室結構型式不同，可分為隔膜型、活塞型和氣囊型。
圖6-3為CD2-750隔膜型盤式氣胎離合器（雙環氣室、雙盤）的結構圖。它主要用於石油鑽機傳動機組總離合器，具有傳遞扭矩大、結構緊湊的優點。
2.氣缸
1）剎車氣缸
氣缸也是石油鑽機氣控系統中用得較多的執行元件之一，它將壓縮空氣的壓力能轉換為機械能，使控制對象作直線運動或擺動。
剎車氣缸是一種單作用氣缸。連桿（活塞桿）與絞車機械剎車曲拐軸相連。當司鑽在剎把上施力進行剎車時，氣缸進氣，活塞下行推動曲拐轉動，以減輕司鑽體力勞動強度。
2）加速器
在鑽機柴油機油門遙控裝置中的一種膜片式單作用氣缸，現場稱加速器。膜片代替了活塞，依靠膜片在氣壓作用下產生變形從而使活塞桿下行並輸出軸向推力。
六、典型鑽機的氣控制系統
石油鑽機的氣控制系統流程是比較複雜的，但這個複雜系統卻是由一些簡單的基本控制迴路組合而成的。整個鑽機的控制系統基本上由以下幾個迴路組成。
1. 絞車滾筒離合器和換擋離合氣控迴路
如圖6-4所示，石油鑽機系統的氣源是由二位三通氣控閥9（圖6-4）供給的。
當防碰天車起作用時，由防碰天車的鋼絲繩使控制閥9處於斷氣位置，整個系統斷氣，總離合器，滾筒離合器等摘開，起到安全保護作用。
在正常情況下，壓縮空氣經二位三通氣控閥9，分為三路：一路去換擋控制系統;一路經三位四通換向閥7控制總離合器，換擋離合器，慣性剎車離合器等；一路經二位三通旋塞閥10、手柄調壓（減壓）閥1、調壓繼動閥等控制滾筒離合器。
三位四通換向閥7處於中位時，總離合器、換擋離合器、慣性剎車離合器等均為放氣，處於摘開狀態，閥7處於左位時，二位三通氣控閥8有控制氣，處於右位，換擋離合器進氣掛合，同時閥7向二位三通轉閥6供氣，閥6處於左位不通，使二位三通氣控閥5斷氣，總離合器摘開。當閥6處於右位，向閥5提供控制氣，使閥5處於右位、向總離合器供氣，總離合器掛合；閥7處於右位時，至總離合器的氣路斷氣，總離合器摘開。同時閥7向慣性剎車離合器供氣，起到剎車的作用。
2.轉盤和鑽井泵氣控迴路
轉盤和鑽井泵的氣控迴路比較簡單。
圖6-5所示為轉盤的氣控迴路，當二位三通轉閥3處於左位時，調壓繼動閥無法控制氣，轉盤離合器放氣，摘開。當二位三通轉閥3處於右位時，有壓縮空氣輸出、經手柄調壓閥4，作為控制氣向調壓繼動閥2供氣，調壓繼動閥2向轉盤離合器供氣，離合器掛合。
如圖6-6所示，鑽井泵氣控系統是由二位三通轉閥1和2來控制的。
3.防碰天車氣控迴路
防碰天車氣控迴路如圖6-7所示。在遊動系統提升過程中，如果因為機械或人為的原因超過預先調節好的高度時，由於防碰天車鏈傳動裝置的作用，使二位三通機控閥（頂杆閥）12 開啟，主氣路的壓縮空氣經機控閥12，再經二位三通手動閥（按鈕閥）8後，氣流分為兩路∶一路控制二位三通氣控閥（常閉）1開啟，使主氣路中的壓縮空氣，經梭閥2進入剎車汽缸3，剎住旋轉的滾筒;另一路進入二位三通的氣控閥9（常開），切斷由主氣路來的氣。因此，一方面使手柄調壓閥10無輸人，調壓繼動閥11無控制氣輸入而防空，摘開滾筒離合器3；另一方面，為確保安全可靠，有二位三通氣控閥9供氣的三位四通閥和二位三通轉閥也無壓縮空氣輸出，因此二閥控制的總離合器也就摘開。
總之，當防碰天車裝置的頂杆閥起作用後，同時有三方面的情況發生，即由於剎車氣缸動作而剎車，摘開滾筒離合器和總離合器。待處理完後，按下按鈕閥2（即梭閥，或稱為轉向閥），使剎車氣缸放氣，下方遊動系統，恢復正常工作。
4.空氣壓縮機自動控制迴路
前面提到的石油鑽機氣控制系統中有一臺自動壓風機，實際上是一臺普通的空氣壓縮機配上氣控系統，實現自動停或開，其控制迴路如圖6-8所示。
當主氣路（儲氣罐）的壓力達到工作所需要的壓力（如8×10⁵Pa）時，氣體壓力克服順序閥的彈簧力將閥芯頂開，同時將螺紋套的放氣孔關閉，順序閥有氣輸到二位三通氣控閥（常開繼氣器），在控制氣作用下，閥1換向，位於右位，關閉主氣路與空氣壓縮機離合器的通道，該離合器放氣，空氣壓縮機停車。當主氣路壓力降到某一值（如6.5×10⁵Pa）時，順序閥的閥芯在彈簧作用下復位，關閉閥4的通路、閥1因無控制氣而開啟，閥1向空氣壓縮機離合器供氣，離合器掛合，空氣壓縮機工作。同時閥4絲套防空口打開，閥1控制餘氣由閥4的絲套防空口防空。如此重複循環，使主氣路始終保持在一定的壓力範圍，如（6.5～8）×10⁵Pa。
5. 柴油機油門壓控裝置氣控迴路
石油鑽機配備油門遙控裝置可使司鑽集中控制柴油機油門，根據鑽井作業需要，及時調節柴油機的鑽速，改善柴油機的工作狀況，特別是在起、下鑽作業中及時調節柴油機的轉速，改善氣胎離合器掛合時的工況，提高氣胎離合器的壽命，同時可以達到節約柴油的目的。
柴油機油門遙控迴路如圖6-9所示。
在正常鑽進時，開啟手柄調壓閥，使壓縮空氣經梭閥、節流閥、旋塞閥進入氣缸，使氣缸活塞桿伸出，推動掛壁旋轉，又通過連桿機構帶動柴油機液泵組的搖臂旋轉，使油門增大，提高柴油機轉速，並穩定在預先已調節好的某一轉速下運行。
在起下鑽作業時，首先把閥3關閉。利用腳踏調節閥4，當閥4開啟時，壓縮空氣經閥5，閥6及閥1緩緩進入汽缸，活塞伸出，使油門加大，柴油機轉速升高。當鬆開閥4時，控制器斷開，活塞桿恢復原位，柴油機轉速由高速降低到低速運轉。
在上述氣進過程中，二位三通旋轉閥應處於開啟位置。該閥可設在柴油機房旁，控制柴油機的轉速（在閥3或閥 4處於開啟狀態下）。
