钻机顶驱系统背钳机构设计及仿真

简要分析顶部驱动装置的性能构造与使用特点结合实际对顶部驱动装置的性能构造和使用特点进行分析，首先阐述顶驱装置组成与结构特征，其次详细讨论顶驱装置的改进优化方向，希望分析后能够给相关工作人员提供一些参考。

标签：顶部驱动；装置；性能构造；使用特点1顶驱装置组成与结构分析1.1 水龙头—钻井马达总成该部分就是顶驱装置中非常关键的组成部分，其中包含有马达、变速箱、刹车装置、水龙头等关键的部分，该部分的作用在于钻井施工中的旋转钻井、上卸扣部分的处理，可以由水龙头为整个部分提供循环井液，以保证钻井施工的顺利进行。

根据不同的工作原理，可以将马达分为电动与液动两种形式。

在整个结构中，一般需要设置一台或者两台马达，然后使用齿轮机达到减速的目的，可以有效的提升钻井动力。

某油田在进行钻井施工中选择使用的是DQ—60D1 型顶驱采用ZL490/390 直流电动机驱动，电动机立式安装，输出轴直接与齿轮轴连接起来，然后在通过驱动主轴来进行钻进施工。

因为电枢运动的转速与电枢的电压成正比，电机额定输出扭矩与电流成正比关系，所以立式中空直流电机的转速能够通过电枢电压的无极变速来进行速度的调整。

主电机的上部位置上需要安装一台冷却用的鼓风机装置，冷却的过程中可以先将风压至主电机的接线盒中，然后再通过电机与电枢定子间的间隙进行移动，在下部双层金属网的位置上直接排出到系统外。

1.2 钻杆上卸扣装置总成这是顶部驱动系统中非管关键的组成部分，其主要的组成部分有转头、背钳、内防喷器以及操作部分、取送结构部分、吊环吊卡等结构部分组成。

该部分的主要作用就是保证下钻作业的正常进行，其主要应用在取送钻杆、上卸扣两个部分功能，井喷时遥控内部的防喷器将钻柱内部的通道关闭，可以在任何的高度位置上进行电机上卸扣。

综合分析当前所应用的常见顶驱背钳结构部分，环形背钳在使用中可以自动定心，卡紧效果最好，还具备较强的应用性能，这种结构形式较为简单，后期的维护也非常的方便，是当前最常使用的结构方式。

毕业设计说明书论文(全套CAD图纸) QQ 36396305摘要在人类的机械创新的不断进步，使机械代替了人。

以前在油田修井时或者下油管时，管与管连接时是用管钳来上扣和卸扣，现在使用这种液压钳，就给人类带来很多方便，使工作效率和安全系数提高，也减少了很多井口的工作人员，因此这是油田经常使用的卸管工具。

针对修井作业中人力上卸抽油杆螺纹效率低,劳动强度大,又不能保证不同规格抽油杆所要求的上扣扭矩等问题,研制了ZQ-100型液压抽油杆钳,这种抽油杆钳由主钳,手动换向阀,液压马达,底钳,弹簧吊筒和调节弹簧等组成,在设计中省掉了转速换挡机构,同时通过改变制动板上压簧螺栓的结构,解决了制动板减薄时颚板滚子爬坡力量不足这一技术难题，介绍了这种抽油杆钳的工作原理。

目前，国外钻杆动力钳的种类很多，而且产品性能及质量都相对稳定，特别是他们产品的体积与输出扭矩不会成比例变化，即使动力钳输出扭矩相当大时，其产品的体积也不会增加多少，因而适用于现场需要。

而国内产品还处在研发和改进阶段，产品性能及质量都有待进一步提高，国内产品的体积和重量都随输出扭矩的增大而增大，从而导致无法适用于某些大型钻管。

近10年来，中国国内生产动力钳有所增长，但相比国外我国动力钳结构复杂不方便使用与维护，使用期短等缺点，所以我国正大力发展动力钳设计改造，达到世界水平。

关键词：石油；机械创新；性能；转杆动力钳；研发改进；设计AbstractIn recent years, with continued rapid growth of our national economy, petroleum volume of consumption of our country increase year by year. The rank has already exceeded Japan, has become the second largest petroleum following U.S.A. and consumed the country. On being pole required to pump oil, pump the oil pole pincers after developing the hydraulic pressure of Model ZQ-100, this kind pumps the oil pole pincers by the main pincers , the manual reversing valve, hydraulic motor, bottom pincers , the spring hangs tube and regulates spring ,etc. to make up , save rotational speed shift gears organization , at the same time through change , apply the brake board pigeonhole reed structure of bolt in design, solve , apply the brake board jaw board roll sub climbing strength insufficient technological difficult problem this reduce thin ,, recommend this kind pump oil pole operation principle of pincers! Main technical parameter and experimental situation in the room, employ the result to indicate live, adopt Model ZQ-100 hydraulic pressure pump oil pole pincers can reduce , release oil pole take off number of times of spiking greatly, improve and build the quality of the well and build the pace of the well. Let out difficult to avoid and fluid have a sure one but compression, so, transmission than unable and invariable, suitable for transmission than requiring strict occasion. Energy caused to leak lose, hydraulic transmission main energy is lost, in addition resistance and machinery that fluid receive among pipeline rub etc., cause sure energy to lose, cause the efficiency of hydraulic transmission to be relatively low. The viscosity of the fluid changes with temperature, as the warm change of oil, will influence the working performance of the actuator directly. In addition, have greater difficulties to adopt hydraulic transmission under the low-temperature condition or high-temperature condition. Fluid through air, will produce noise is apt to cause vibration, the ones that influenced transmission are steady. It is relatively difficult to maintain, the work load is large. At the trouble of producing, trouble reason difficult to look for, get rid of getting difficult through design, optimize, reduce, shoulder, influence as hydraulic system. At present, the kind of the motive force pincers of foreign drilling rod is numerous, and properties of product and quality are all relatively stable, especially they the products one volume and output torsion can changes proportional, even if power, when毕业设计说明书论文(全套CAD图纸) QQ 36396305pincers quite heavy to export torsion, volume of product its how much does it increase either, suitable for needing at the scene. The domestic products are still at the stage of researching and developing and improving, properties of product and quality all remain to further improve, volume and weight of the domestic products all export the increase of the torsion to increase at the same time, thus it is unable to be suitable for some to cause and bore managing large-scaly. The past 10 years, produce power pincers increase to some extent, compare foreign of our country power pincers structure complicated to use and maintain while being inconvenient in China, the shortcoming such as being short of service time, so our country is developing the motive force pincers to design and transform in a more cost-effective manner, reach the world standard. Transfer to ZQ100 type to pole power pincers carry pincers go on, design , realize, it is safe to apply the brake, it is reliable and durable. Make the hydraulic pressure control and drive the rack to clamp the steel tube effectively.Key words: Petroleum; Machinery innovates; Performance ; Transfer to the pole motive force pincers ; Research and develop and improve; Design目录1 绪论 11.1液压动力钳概述 (6)1.1.1 液压动力钳的发展状况 61.1.2 液压动力钳的应用71.2液压动力钳的结构及工作原理 (8)1.2.1 液压动力钳的结构及特点81.2.2 液压动力钳的工作原理91.3液压动力钳技术参数及特点 (10)1.3.1 ZQ-100型液压动力钳的技术参数101.3.2 液压动力钳的技术特点101.4液压动力钳的的操作说明 (11)1.4.1 液压动力钳的的安装111.4.2 液压动力钳的操作121.4.3 液压动力钳的维护与润滑121.4.4 液压动力钳的常见故障及排除方法132 ZQ-100型钻杆动力钳的背钳总体设计142.1ZQ-100型钻杆动力钳的背钳概述 (14)2.2ZQ-100型钻杆动力钳的背钳结构设计 (14)2.3背钳结构设计中的问题 (15)3 ZQ-100型钻杆动力钳的背钳液压缸设计173.1液压缸的类型和结构形式选择 (17)3.2液压缸基本参数确定 (17)3.2.1 液压缸工作负载及工作压力183.2.2 缸筒内径及柱塞杆直径183.2.3 液压缸最大工作行程和最小导向长度21毕业设计说明书论文(全套CAD图纸) QQ 363963053.3液压缸的强度及刚度校核 (22)3.3.1 缸筒壁厚的校核及外径计算223.3.2 液压缸柱塞杆强度验算233.4液压缸稳定性验算 (23)3.5液压缸的安装试验与维护 (24)4 ZQ-100型杆动力钳的背钳传动设计264.1背钳传动概述 (26)4.2背钳传动设计 (26)4.3轴的设计 (28)4.3.1 轴的结构设计284.3.2 轴的强度计算284.3.3 轴的刚度计算284.3.4 轴的稳定性324.4齿轮系的设计 (32)4.4.1 齿轮系的传动比324.4.2 齿轮的强度计算335 结论506 技术经济分析44致谢 52参考文献 53附录A译文55附录B英文文献611 绪论在人类的机械创新的不断进步，使机械代替了人。

【关键字】设计高等教育自学考试毕业设计（论文）题目顶驱钻机的结构设计专业班级09级机电一体化工程姓名指导教师姓名、职称高级工程所属助学单位日目录1 绪论 (1)1．1顶驱钻机的发展和简介 (1)2 顶驱装置 (1)2．1 顶驱装置的概述 (1)2．2 顶驱装置的特点 (3)2．3 顶驱的发展、组成元件、性能特点 (3)2．3．1 顶部驱动钻井装置构成 (4)2．3．2 顶部驱动钻井装的性能特点 (4)2．4 顶驱装置的结构 (5)3 钻机 (6)3．1 钻机的概述 (6)3．2 钻机主要技术要求 (7)3．3 影响钻进的因素 (8)4 顶驱钻机虚拟样机技术研究 (8)4．1 总体方案设计系统 (8)4．2 虚拟样机TDS—VPS的功能模型 (9)4．2．1 虚拟造型系统 (9)4．2．2 顶驱钻机仿真分析设计 (10)4．3 顶驱虚拟样机TDS—VPS的关键技术 (11)4．3．1 数字化表达方式 (11)4．3．2 虚拟性能评估 (12)结论 (13)致谢 (14)参考文献 (15)摘要钻机在矿床普查勘探中,特别是有色金属稀有金属等矿床普查勘探中,坑道钻探用于追索矿床,加密勘探勘察地质构造圈定矿体及取样和验证等；钻机在矿山开凿中，常用坑道钻探技术来钻凿地下观测孔、通风孔、排水孔、瓦斯排放孔、注浆孔、爆破孔、锚定孔及开凿坑道的先导孔等；钻机在其他岩土工程施工领域中,坑道钻探的装备和工艺技术可用于坝基的边坡加固地质灾害的治理深基坑的支护,以及工业商业交通军事等方面的地下工程施工。

本文通过介绍顶驱钻机，根据机械振动理论,得出系统的运动微分方程,并针对研制的实际情况,合理的确定了顶驱系统的振幅、激振频率、激振力、偏心力矩等主要参数。

根据顶驱的振动过程,进行动力学分析,在此根底上建立虚拟样机,得到了箱体质心位置、偏心块质心位置以及激振力等随时间变化的参数曲线,实现了对顶驱系统虚拟样机的动力学仿真分析。

应用ANSYS软件对顶驱系统主要承力构件冲锤进行有限元分析,用此分析顶驱系统的设计是否满足使用要求,为研究生产样机提供了理论依据。

顶部驱动钻井装置是集机电液一体化的钻井设备，结构相对复杂，控制技术相对集中。

衡量顶部驱动钻井装备性能的一项重要指标就是其对于扭矩及转速的控制。

本文从顶驱的基本装备特点出发主要介绍了两种应用于顶驱控制的先进技术。

从中我们可以看到控制技术的创新及应用对于顶部驱动钻井装置的安全运行和制造服务有着重大的意义[1]。

1　顶部驱动钻井装置顶部驱动钻井系统按照其动力源的不同基本可以分为三大类，第一类是全液压驱动的（如Maritime Hydraulics 公司的产品），驱动主轴旋转的动力源是液压能；第二类是直流电驱动的（如美国Varco公司的产品），驱动主轴旋转的动力源是直流电，直流电源是来自电动钻机的AC-SCR系统；第三类是交流电驱动的（如挪威的DDM型），驱动主轴旋转的动力源是交流电，调速利用AC/AC变频技术。

自从1982年第一台顶部驱动装置问世，经过不断地改进和开发，顶驱装置已经在多种海洋和陆地钻机上得到了推广和应用[2]。

顶部驱动钻井装置主要由三部分组成，分别是导向滑车总成、水龙头-钻井马达总成和钻杆上卸扣装置总成。

实践表明，该系统可节省20%～25%的钻井时间，并且可以有效预防卡钻事故的发生，将其用于钻斜井、高难度定向井时，经济效果尤为显著[3]。

1.1　顶部驱动钻井装置的发展历程（1）美国Varco公司是最早研究开发顶驱系统的公司之一，从第一代TDS-3S发展到至今的最新一代产品TDS-SA系列型顶驱装置，采用双电机控制技术，装置体积较小、结构紧凑，可以在43m井架上安装运行，提升可达4500kN[4]。

（2）加拿大Canrig公司既生产交流变频电驱动顶驱系统，又生产直流变频电驱动顶驱系统。

其生产的6027E、8035E、1050E、1165E等4种规格顶驱装置为单速传动，此外还生产6027E-2SP、1050E-2SP、1165E-2SP型等3 格双速传动顶驱装置（全部采用交流变频电驱动型式）[5]。

顶部驱动钻井系统背钳设计计算王士斌【摘要】The structure commonly used and working principle of the backup tong in the top drive drilling system are described in detail,and some core issues in the design of backup tong are pro-posed.The coefficient of friction is determined,the selection of the clamping hydraulic cylinders parameters are made to design the dental lamina.These methods have been applied to the design of the backup tong in the YDQ90 top drive drilling system,and a successful product has been manufactured.The onsite operation succeeded with ideal result.%介绍了顶部驱动钻井系统背钳的结构及工作原理，确定了背钳牙板夹持钻杆时的摩擦因数，进行了夹紧液缸参数设计、背钳牙板设计。

将这些方法应用到 YDQ90型顶驱背钳的设计中，成功地试制出产品，经过现场应用，效果良好。

【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】4页(P33-36)【关键词】顶部驱动钻井系统;背钳;液缸;牙板【作者】王士斌【作者单位】中石化江苏石油工程有限公司安徽分公司，合肥 230022【正文语种】中文【中图分类】TE922顶部驱动钻井系统（以下简称顶驱）具有较高的承载能力、良好的密封性能及足够的转矩，与传统的具有相同功能的石油钻机钻井系统相比，可节省钻井时间20%～30%，尤其在钻高难度的定向井、水平井时经济效果更加显著，并可预防卡钻事故［1］，现在已成为石油钻井行业的标准产品［2］。

轻型顶驱在40L钻机上的应用实践摘要为减少钻井作业中的井下复杂情况，增加处理手段，提高风险可控能力，提高作业效率，最终实现降低综合作业成本的目标，ZJ40L钻机配备顶部驱动装置在中海石油缅甸C2区块的应用成为选择之一。

文章在分析ZJ40L钻机作业能力及加装顶驱的必要性基础上，着重进行了顶驱配置的可行性和经济性评价，实际作业中通过对井架的部分改造和加固，实现了DQ350交流变频顶驱的安装，并在钻井作业中取得良好的应用效果。

关键词顶部驱动装置；反扭矩梁；经济性；K型井架1顶驱装置的优点[1]顶部驱动装置首先是从海洋钻井设备中开始应用，它的使用可使钻井速度提高5%～20%，减少钻井事故，它的倒划眼功能还能为钻水平井和定向井提供了有力条件，并增加了井下复杂情况处理手段。

和转盘钻井相比，顶驱装置的优点如下：1）节省接立柱时间用顶驱取代方钻杆、转盘，可以以立柱为单元钻进，而不是单根作业，减少了2/3的上卸扣工作量。

2）预防卡钻事故在起下钻过程中，动力始终与钻具连接在一起，遇阻卡时可迅速旋转钻具，建立循环进行划眼或倒划眼作业，预防卡钻事故发生。

3）改善下套管作业在下套管过程中可以实现连续灌浆；遇阻卡时可通过连接循环头实现边旋转边下放；遇砂桥情况可开泵解决。

4）降低其他作业风险在起下钻过程中，可在井架内的任何位置迅速实现顶驱与钻具的对接、上扣和循环，这种内在的防喷能力降低了井控风险。

钻进过程中也降低了方钻杆补心脱出的风险。

顶驱装置的巨大优势使得其应用范围日趋广泛，不仅仅在深井、超深井的钻进中成为必选设备，而且在海洋钻修机、陆地车载钻机、轻型钻机中也开始配置。

2待钻井的基本情况A1井是中海石油在缅甸C2区块的第一口预探井，设计井深2 780m，预测地层压力系数1.3，地层岩性为砂泥岩剖面，上部泥岩性软，易吸水膨胀造成缩径，下部地层由于挤压应力作业易失稳造成井壁垮塌。

邻井M1井在钻井作业过程中多次发生起下钻阻卡等复杂情况，并发生一起卡钻事故，造成未钻至设计井深，最终事故完钻。