气动控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信号的工作介质，配合气动控制系统的主要气动元件，与机械、液压、电气、电子（包括PLC控制器和微电脑）等部分或全部综合构成的控制回路，使气动元件满足了生产工艺要求的工作状况、设定的顺序或条件动作。
一、气控制系统的特点
（1）气动装置结构简单，安装维护方便，压力等级低，故使用安全。
（2）以空气作为介质，就地取材，用之不竭，排气处理简单、经济、紧凑。
（3）利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气，可短时间内释放能量，以获得间歇运动中的高速响应，可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。
（4）压缩空气工作压力低（0.7～1MPa），气控元件制造精度不是很高，易制造，好维修，操作简便，工作可靠。
（5）压缩空气不易燃烧，不污染，使用安全、卫生。
（6）可靠性高，使用寿命长。
二、钻机气控制系统的组成
如图6-1所示，钻机气控制系统主要由以下四部分组成∶
（1）供气机构。
将某种动力机（如电动机、内燃机等）的机械能转换为气体的气压能的转换设备属于供气机构，主要由空压机、储气罐及空气处理装置等组成，用以提供压缩空气。
（2）发令机构。
发令机构主要由发出控制命令的各种手柄、按钮、踏板等开关组成，可切断或接通气源，达到控制的目的。
（3）传令机构。
传令机构主要由传递控制信号的各种管线、接头、控制供气方向和大小的阀件、杠杆等组成。这是气控制的中间机构，也是钻机控制中易出故障的关键部位。
（4）执行机构。
执行机构是将输出的气体气压能转换为机械能的转换设备。气控制的各种执行机构由各种气动设备和元件组成，如离合器、刹车气缸、风动马达和摩擦猫头等。其作用是在压缩空气的推动下，使机构产生运动，从而达到执行控制的目的。
三、气源设备
气源设备是为钻机气控系统提供干燥、清洁的压缩空气的装置。为了保证各控制元件、执行元件及输气管道不卡堵、不锈蚀，在冬季不冻结，对钻机气控系统用的压缩空气必须有一定的清洁度和干燥度。气源设备由以下三部分组成。
1. 空气压缩机
空气压缩机是将机械能转换成气压能的装置。空气压缩机的种类很多，石油钻机中常用往复活塞式空气压缩机，它可单独由电动机驱动，也可与钻机动力机组联动。在现场，由电动机驱动的称为电动压风机，由钻机动力机组联动的称为自动压风机。
2.压缩空气处理装置
压缩空气处理装置主要有以下几种∶
（1）冷却器。
冷却器安装在空气压缩机出口管道上，可以冷却高温的压缩空气并除去其中所含的水分。
（2）油、水分离器。
利用离心旋转或环形回转等方式，分离压缩空气中的凝聚的水分、油分等杂质，是压缩空气的初级处理装置。
（3）干燥器。
干燥器用来进一步吸收和排除压缩空气中的水分及油分。干燥方法主要有离心分离法、吸附法和冷冻法几种。离心分离法是迫使压缩空气强烈旋转，在离心力作用下析出空气中的水滴、油滴和尘埃。吸附法是利用吸附剂的吸附能力，吸附压缩空气中的水分。冷冻法是利用制冷设备使空气冷却到较低温度，析出压缩空气中的水分。
（4）除尘器。
除尘器采用压缩空气通过过滤材料的办法，除去压缩空气中的微小尘埃颗粒，以满足压缩空气清洁度的要求。
3. 储气罐
储气罐是储存压缩空气的容器。钻机气控系统中多采用卧式储气罐，其作用是消除压力波动，保证输出气流的连续性和气压的稳定性;储存一定数量的压缩空气，以备发生故障时进行应急处理。
四、气动控制阀
1.气动控制分类
在气压传动和控制系统中，气动控制元件是用来控制和调节压缩空气的压力、流量和方向的，使气动执行机构获得必要的力、动作速度和运动方问，并按规定的程序工作。
从控制方式来分，气动控制可分为断续和连续控制两类（图6-2）。在断续控制系统中，通常要用压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀来实现程序动作。在连续控制系统中，除了要用压力、流量控制阀，还要采用比例、伺服控制阀等，以便对系统进行连续控制。
2.气动控制阀特点
（1）液压阀都有回油口，便于油箱收集用过的液压油。气动控制阀可以通过排气口直接把压缩空气向大气中排放。
（2）液压阀和气动控制阀两者对泄漏的要求根本不同。液压阀对向外的泄漏要求严格，而对元件内部的泄漏却是允许的，通常将泄漏的油回收到油箱里。气动控制阀除间隙密封的阀以外.原则上不允许泄漏。对气动管道来说，允许有少许泄漏;而液压管道的泄漏将造成压力明显下降。
（3）液压的工作介质为液压油，液压阀不存在其他的润滑要求，而气动的工作介质为空气，空气中常含有水分，无润滑性，因此气动阀本身需要油雾润滑。
（4）气动阀的工作压力比液压阀的低。
（5）一般气动阀比液压阀结构紧凑，重量轻，易于集成安装，阀的工作频率高，使用寿命长。
3.常用的气动控制阀
1）压力控制阀
调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀。它包括调压阀、安全阀（溢流阀）、顺序阀、压力比例阀、增压阀及多功能组合阀等。
（1）调压阀用于石油钻机操作要求平稳启动和有选择操作压力的控制气路上，如绞车高低速、转盘的启停、刹车气缸、柴油机油门等的控制，在钻机上常用的调压阀主要有手柄调压阀，踏板调压阀，手轮调压阀，调压继动阀等。
（2）减压阀是将较高的入口压力降低并调节到符合使用要求的出口压力，并保证调节后出口压力的稳定。其他减压装置（如节流阀）虽能降压，但无稳压能力。
（3）压力比例阀是采用开关控制方式来驱动使阀芯位移的。该阀主要由主阀、开关阀（先导控制阀）、压力传感器和电子控制回路组成，这些部件集成于一体。
2）流量控制阀
在气动自动化系统中，常需要对压缩空气的流量进行控制，如气缸的运动速度，延时阀的延时时间等。对流过管道（或元件）的流量进行控制，只需改变管道的截面积就可以了，从流体力学的角度看，流量控制是在管路中制造一种局部阻力，改变局部阻力的大小，就能控制流量的大小。
实现流量控制的方法有两种∶一种是固定的局部阻力装置，如毛细管、孔板等;另一种是可调节的局部阻力装置，如节流阀。
节流阀是依靠改变阀的流通面积来调节流量的，这就要求节流阀流量的调节范围较宽，能进行微小流量调节，调节精确，性能稳定，阀芯开度与通过的流量成正比。
可调单向节流阀是由单向阀和开度可调的节流阀组合而成的，这种阀仅对一个方向的气流进行节流控制。
3）方向控制阀
（1）按阀内气流的作用方向，分类阀可分为换向型方向控制阀（如气控阀、电磁阀等）和单向型方向控制阀两大类（如单向阀、梭阀、双压阀和快速排气阀等）。
（2）按控制方式分类，常用的有气压控制、电磁控制、人力控制和机械控制四类；
（3）按阀与气路相连通的接口数——"通数"分类，常用的有二通阀、三通阀、四通阀和五通阀等；
（4）按阀杆与阀体的不同工作位置数——"位数"分类，常用的有二位阀、三位阀等；
（5）按阀芯结构分类，常用的有截止式、滑柱式和同轴截止式三类；
（6）按连接方式分类有管式连接、扳式连接、集装式连接和法兰连接等几种。
电磁换向阀是气动控制元件中最主要的元件，品种繁多，结构各异，但原理无多大区别，按动作方式，有直动式换向阀和先导式换向阀。按阀芯结构形式，有滑柱式、截止式和滑柱截止式。按密封形式，有弹性密封和间隙密封。按使用环境，有普通型、防滴型、防爆型、防尘型等。按所用电源，有直流换向阀和交流换向阀。按功率大小，有一般功率换向阀和低功率换向阀。按润滑条件，有不给油润滑换向阀和油雾润滑换向阀等。
五、气动执行元件
1.气胎离合器
1）胎式气离合器
（1）普通型气离合器是结构最简单的一种离合器，制造、安装技术要求低，但气胎参加传递扭矩，散热条件不如通风型，寿命短些。
（2）通风型气离合器是针对普通型的不足而发展起来的一种新型气胎离合器，其结构上的主要特点是增加了一套散热传能装置。这套装置主要由扇形体、承扭杆、板簧和挡板等零件组成。
通风型气胎不参加传递扭矩，散热条件比普通型好，寿命长，其结构比普通型复杂得多，其高速工作时，离心力对离合器工作能力的影响也相应加大。因此，它适用于挂合频繁，转矩大而转速不太高的场合，如绞车滚筒的低速离合器。
普通型和通风型气离合器都具有挂合平稳、柔和，能吸收冲击和振动，补偿安装误差等优点。胎式气离合器摩擦副的工作表面都是圆柱形，工作时，摩擦片沿径向移动，故又称为径向离合器。
2）盘式离合器
这种离合器的工作表面是环状平面，工作时摩擦片沿轴向移动，故又称为轴向作用式离合器。
盘式离合器按摩擦盘数不同，可分为单盘、双盘、多盘几种;而按其气室结构型式不同，可分为隔膜型、活塞型和气囊型。
图6-3为CD2-750隔膜型盘式气胎离合器（双环气室、双盘）的结构图。它主要用于石油钻机传动机组总离合器，具有传递扭矩大、结构紧凑的优点。
2.气缸
1）刹车气缸
气缸也是石油钻机气控系统中用得较多的执行元件之一，它将压缩空气的压力能转换为机械能，使控制对象作直线运动或摆动。
刹车气缸是一种单作用气缸。连杆（活塞杆）与绞车机械刹车曲拐轴相连。当司钻在刹把上施力进行刹车时，气缸进气，活塞下行推动曲拐转动，以减轻司钻体力劳动强度。
2）加速器
在钻机柴油机油门遥控装置中的一种膜片式单作用气缸，现场称加速器。膜片代替了活塞，依靠膜片在气压作用下产生变形从而使活塞杆下行并输出轴向推力。
六、典型钻机的气控制系统
石油钻机的气控制系统流程是比较复杂的，但这个复杂系统却是由一些简单的基本控制回路组合而成的。整个钻机的控制系统基本上由以下几个回路组成。
1. 绞车滚筒离合器和换挡离合气控回路
如图6-4所示，石油钻机系统的气源是由二位三通气控阀9（图6-4）供给的。
当防碰天车起作用时，由防碰天车的钢丝绳使控制阀9处于断气位置，整个系统断气，总离合器，滚筒离合器等摘开，起到安全保护作用。
在正常情况下，压缩空气经二位三通气控阀9，分为三路：一路去换挡控制系统;一路经三位四通换向阀7控制总离合器，换挡离合器，惯性刹车离合器等；一路经二位三通旋塞阀10、手柄调压（减压）阀1、调压继动阀等控制滚筒离合器。
三位四通换向阀7处于中位时，总离合器、换挡离合器、惯性刹车离合器等均为放气，处于摘开状态，阀7处于左位时，二位三通气控阀8有控制气，处于右位，换挡离合器进气挂合，同时阀7向二位三通转阀6供气，阀6处于左位不通，使二位三通气控阀5断气，总离合器摘开。当阀6处于右位，向阀5提供控制气，使阀5处于右位、向总离合器供气，总离合器挂合；阀7处于右位时，至总离合器的气路断气，总离合器摘开。同时阀7向惯性刹车离合器供气，起到刹车的作用。
2.转盘和钻井泵气控回路
转盘和钻井泵的气控回路比较简单。
图6-5所示为转盘的气控回路，当二位三通转阀3处于左位时，调压继动阀无法控制气，转盘离合器放气，摘开。当二位三通转阀3处于右位时，有压缩空气输出、经手柄调压阀4，作为控制气向调压继动阀2供气，调压继动阀2向转盘离合器供气，离合器挂合。
如图6-6所示，钻井泵气控系统是由二位三通转阀1和2来控制的。
3.防碰天车气控回路
防碰天车气控回路如图6-7所示。在游动系统提升过程中，如果因为机械或人为的原因超过预先调节好的高度时，由于防碰天车链传动装置的作用，使二位三通机控阀（顶杆阀）12 开启，主气路的压缩空气经机控阀12，再经二位三通手动阀（按钮阀）8后，气流分为两路∶一路控制二位三通气控阀（常闭）1开启，使主气路中的压缩空气，经梭阀2进入刹车汽缸3，刹住旋转的滚筒;另一路进入二位三通的气控阀9（常开），切断由主气路来的气。因此，一方面使手柄调压阀10无输人，调压继动阀11无控制气输入而防空，摘开滚筒离合器3；另一方面，为确保安全可靠，有二位三通气控阀9供气的三位四通阀和二位三通转阀也无压缩空气输出，因此二阀控制的总离合器也就摘开。
总之，当防碰天车装置的顶杆阀起作用后，同时有三方面的情况发生，即由于刹车气缸动作而刹车，摘开滚筒离合器和总离合器。待处理完后，按下按钮阀2（即梭阀，或称为转向阀），使刹车气缸放气，下方游动系统，恢复正常工作。
4.空气压缩机自动控制回路
前面提到的石油钻机气控制系统中有一台自动压风机，实际上是一台普通的空气压缩机配上气控系统，实现自动停或开，其控制回路如图6-8所示。
当主气路（储气罐）的压力达到工作所需要的压力（如8×10⁵Pa）时，气体压力克服顺序阀的弹簧力将阀芯顶开，同时将螺纹套的放气孔关闭，顺序阀有气输到二位三通气控阀（常开继气器），在控制气作用下，阀1换向，位于右位，关闭主气路与空气压缩机离合器的通道，该离合器放气，空气压缩机停车。当主气路压力降到某一值（如6.5×10⁵Pa）时，顺序阀的阀芯在弹簧作用下复位，关闭阀4的通路、阀1因无控制气而开启，阀1向空气压缩机离合器供气，离合器挂合，空气压缩机工作。同时阀4丝套防空口打开，阀1控制余气由阀4的丝套防空口防空。如此重复循环，使主气路始终保持在一定的压力范围，如（6.5～8）×10⁵Pa。
5. 柴油机油门压控装置气控回路
石油钻机配备油门遥控装置可使司钻集中控制柴油机油门，根据钻井作业需要，及时调节柴油机的钻速，改善柴油机的工作状况，特别是在起、下钻作业中及时调节柴油机的转速，改善气胎离合器挂合时的工况，提高气胎离合器的寿命，同时可以达到节约柴油的目的。
柴油机油门遥控回路如图6-9所示。
在正常钻进时，开启手柄调压阀，使压缩空气经梭阀、节流阀、旋塞阀进入气缸，使气缸活塞杆伸出，推动挂壁旋转，又通过连杆机构带动柴油机液泵组的摇臂旋转，使油门增大，提高柴油机转速，并稳定在预先已调节好的某一转速下运行。
在起下钻作业时，首先把阀3关闭。利用脚踏调节阀4，当阀4开启时，压缩空气经阀5，阀6及阀1缓缓进入汽缸，活塞伸出，使油门加大，柴油机转速升高。当松开阀4时，控制器断开，活塞杆恢复原位，柴油机转速由高速降低到低速运转。
在上述气进过程中，二位三通旋转阀应处于开启位置。该阀可设在柴油机房旁，控制柴油机的转速（在阀3或阀 4处于开启状态下）。