1、東北石油大學本科生畢業設計（論文）第1章 概述1.1 課題研究主要內容本課題研究的主要內容是設計石油鉆修井模擬實驗平臺的頂驅系統。首先要明確頂驅裝置的分類、組成結構和工作原理，收集世界主流頂驅系統產品的相關資料，加深對頂驅裝置的了解和認識；然后借助Solidworks實體制圖初步設計頂驅系統的結構，并實現該裝置的工作模擬；最后完成對頂驅裝置各個零、部件的強度校核并繪制總裝圖、部件圖和零件圖。1.2 課題研究的目的和意義通過該課題的研究，對于實現鉆修井的自動化操作，降低工人的勞動強度具有重大的意義。頂驅裝置可從井架空間上部直接旋轉鉆柱，并沿井架內專用導軌向下送進，完成鉆柱旋轉鉆進，循環鉆井液，接

2、立根，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作,它顯著提高了鉆井作業的能力和效率。從世界鉆井機械的發展趨勢上看，為適應鉆井自動化的進步需求，頂部驅動鉆井裝置，必將成為世界鉆井機械發展的重要方向，它符合鉆井自動化的歷史潮流。據悉，目前我國赴國外工作的鉆井隊，如鉆機上未安裝頂部驅動鉆井裝置者，投標競爭中將不允許中標，可見對頂部驅動鉆井裝置的研究與設計具有積極的意義。第2章 頂驅裝置的發展歷程2.1 什么是頂部驅動鉆井裝置頂部驅動鉆井裝置TDS (TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)是美國、法國、挪威近20年來相繼研制成功、正在推廣應用的一種頂部驅動鉆井系統。它可從井架空間上部直接旋轉鉆柱，并沿

3、井架內專用導軌向下送進，完成鉆柱旋轉鉆進，循環鉆井液，接立根，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作,它顯著提高了鉆井作業的能力和效率，并已成為石油鉆井行業的標準產品。目前在世界上不少國家的大、中型鉆機上，將它用于打中深井(井深L = 20004500 m )、深井(井深L = 45006000 m )、超深井(井深L =60009000 m)的日益增多。 2.2 歷史性的新跨躍20世紀初，美國人首先應用旋轉鉆井法鉆油井獲得成功，常規鉆機由轉盤帶動方鉆桿進行鉆進，較頓鉆是歷史的飛躍。據統計，在美國有63%的石油井是用旋轉鉆井法打成功的，轉盤鉆井方式立下了歷史性的巨大功勞。但在延續近百年的轉盤鉆井方式中，

4、它也有兩個突出的矛盾未能得到有效解決。其一，由于起下鉆不能及時實現循環旋轉功能，遇上復雜地層，或是巖屑沉淀，往往造成卡鉆。卡鉆成了長期困擾鉆井工人的問題。我國近千臺鉆機，每年因卡鉆造成的損失難以計數。其二，由于常規鉆機在鉆進中依靠轉盤推動方鉆桿旋轉送進，方鉆桿的長度限制了鉆進深度，故每次只能接單根，因而費工效率低，勞動強度大。而所謂的頂部驅動，則是把鉆機動力部分由下邊的轉盤移到鉆機上部的水龍頭處，直接驅動鉆具旋轉鉆進。由于取消了方鉆桿，無論在鉆進過程中，還是起下鉆過程中，鉆柱可以保持旋轉以及循環鉆井液。因而，由于各種原因引起的遇卡遇阻事故均可以得到及時有效的處理。同時，可以進行立根鉆進，大大提

5、高了鉆速，平均提高鉆井時效25%左右。國外于1982年采用頂部驅動鉆井裝置第一次成功地鉆了一口井斜320、井深2981 m的定向井，之后，迅速發展，不僅在海洋及深井、定向井采用，而且在2000 m鉆機上也開始大批應用，全世界陸續已有上千臺頂部驅動鉆井裝置在海上和陸上使用，顯示了勢不可擋的強勁勢頭。2.3 頂驅系統的特點2.3.1 頂部驅動鉆井裝置的優點2.3.1.1 節省接單根時間利用轉盤旋轉鉆進時，方鉆桿一面被轉盤推動旋轉，一面又可通過轉盤上的方補心向下送進。方鉆桿長約9m，故方鉆桿鉆完一根桿長行程后，就需將它取下再接一單根才能繼續鉆進。而頂部驅動鉆井裝置不使用方鉆桿，不受方鉆桿長度約束，也

6、就避免了鉆進9m左右接一單根的麻煩，一代之而起的是利用立根鉆進。這種使用立根鉆進的能力大大節省鉆井時間。來做一個測算，若鉆進305m中每一次連接單根的平均時間為1m分鐘，那么用立根鉆進就可減少221分鐘的連接的接單根時間。換言之，這相當于可節省約4h左右的時間用于鉆進。單根接成立根一般可以在空閑時，如注水泥候凝或換鉆頭下鉆時進行。對于撬裝鉆機來說，還可節省將立根卸成單根的時間。頂部驅動鉆井系統與立根排放器聯合使用，可以在立根內進行反向擴眼。立根排放器在井架里進行卸扣作業可以使所有鉆桿在井架中排立，同時，還能全面控制循環作業和轉動作業。除此之外，采用頂部驅動鉆井系統進行起下作業，特別是在負壓鉆井

7、時，允許有少量的自井壁滲漏的天然氣積累。而使用單根鉆桿卸扣時，在停鉆到開鉆這段時間內，自井壁滲人的天然氣向頂部移動造成井口壓力增加，從而使鉆井作業停下，只有等到這部分天然氣循環出鉆井系統后鉆井作業才能重新進行。這是采用單根鉆柱鉆井作業耗費時間的另一方面。2.3.1.2 倒劃眼防止卡鉆由于具有可使用28 m立根倒劃眼的能力，所以該裝置可在不增加起鉆時間的前提下，順利的循環和旋轉將鉆具提出井眼。鉆桿上卸扣裝置可以在井架中間卸扣，使整個立根排放在井架上。在定向鉆井中，它具有的倒劃眼起鉆能力可以大幅度地減少起鉆總時間。2.3.1.3 下鉆劃眼該裝置具有不接方鉆桿鉆過砂橋和縮徑點的能力。下鉆中接水龍頭和

8、方鉆桿劃眼需要時間做準備工作，而鉆井人員往往忽視時間的重要性導致卡鉆事故的發生。使用TDS下鉆時，可在數秒內接好鉆柱，然后立即劃眼。這樣不花費時間，也沒有多余的工作要做，從而減少卡鉆的危險。2.3.1.4 節省定向鉆進時間該裝置可以通過28 m立根循環，相應減少井下馬達定向時間。2.3.1.5 人員安全鉆井人員最需要進行的一項工作是接單根。TDS可減少接單根次數2/3，從而大大的降低事故發生率。此外，鉆桿上卸扣裝置總成上的傾斜裝置可以使吊環、吊卡向下擺至小鼠洞或向上至二層臺指梁，大大減少了作業者工作的危險程度。2.3.1.6 井下安全在起下鉆遇阻、遇卡時，管子處理裝置可以在任何位置相接，開泵循

9、環，進行立柱劃眼作業。采用方鉆桿與轉盤時，就得卸掉1-2個單根，接方鉆桿劃眼，每次只能劃1個單根。在大位移井接單根劃眼、卡鉆、憋泵的危險性較大，特別在上提遇卡，下放遇阻時，很難使方鉆桿循環。如使用頂部驅動鉆井裝置，很容易在任何位置立即進行循環，大大減少了卡鉆等復雜情況。在下套管遇阻時，可迅速接上大小頭，邊循環邊旋轉下放，通過遇阻井段。扭矩管及托架總成起扶正作用，保證下套管作業中套管居中一。頂部驅動鉆井裝置內防噴閥及其執行機構，在發現井涌時可立即執行井控動作，其作用類似于方鉆桿旋塞。2.3.1.7 設備安全頂部驅動鉆井裝置采用馬達旋轉上扣，上扣平穩，并可從扭矩表上觀察上扣扭矩，避免上扣扭矩過盈或

10、不足。鉆井最大扭矩的設定，使鉆井中出現擎鉆扭矩超過設定范圍時馬達會自動停止旋轉，待調整鉆井參數后再正常鉆進，避免設備超負荷長時間運轉。這樣也達到了用好鉆柱和延長鉆柱使用一壽命的目的。2.3.1.8 井控安全在不穩定井眼中采用TDS起鉆時，關泵停止循環，同時頂部驅動鉆井裝置主軸與鉆柱分離。在用吊卡提升鉆柱的過程中，若發現井下異常，例如出現井噴征兆，需要接泵循環，鉆桿上卸扣裝置可在井架任何高度將主軸插人鉆柱，數秒內遙控完成旋扣和緊扣，恢復循環。雙內防噴器可安全控制鉆柱內壓力。當在一不穩定油井里進行提升作業時，采用頂部驅動系統上扣連接和遠距離循環遙控，立根排放器在數秒中之內即可實現水龍頭中心管的輸出

11、端同鉆柱在任一位置的快速對接。對鉆柱防噴閥能夠保持對鉆柱內部壓力的安全控制。2.3.1.9 便于維修鉆井馬達清晰可見，因此比單獨驅動轉盤的馬達更易維修。單獨驅動轉盤的馬達常常覆蓋著泥漿，位于鉆臺下方看不見。熟練的現場人員約12 h就可將其組裝、拆卸。整個系統由安裝在司鉆面前的控制盤控制，故操作方便、簡單、可靠。2.3.1.10 取心能夠連續取心鉆進28 m,取心中間不需接單根。這樣可以提高取心收獲率，減少起鉆次數與傳統的取心作業相比，它的優點是明顯的，污染小，質量高。 2.3.1.11 節約泥漿在上部內防噴器球閥下面接有泥漿截流閥，截流閥起保留鉆井液的作用。常規鉆井中，鉆井液滯留在方鉆桿中，卸

12、扣后溢出漏失，除非花時間手動操作泥漿截流閥才能止流。2.3.1.12 使用靈活頂部驅動鉆井裝置使鉆機具有前所未有的靈活性，可以下人打撈工具、完井工具和其他設備，既可正轉又可反轉。2.3.1.13 便于拆下頂部驅動鉆井裝置很容易拆下，如果需要的話，不必將它從導軌上移下即可拆下其它設備。電、液、氣管線不需拆卸。2.3.1.14 內部防噴器功能該裝置具有內部防噴器的功能，起鉆時如有井噴跡象，可由司鉆遙控鉆桿上卸扣裝置，迅速實現水龍頭與鉆桿柱的.連接，循環鉆井一液壓井，避免事故發生，這是因為水龍頭在起鉆時不必拆下。2.3.2 結構特點（1）簡便的安裝移運性能。（2）具有較大的卸扣能力。（3）導軌安裝與

13、拆卸檢修方便，具有互換性。（4）頂驅主體可通過過渡環直接與游車連接，減少整個頂驅裝置的工作高度。（5）液壓控制的旋轉頭裝置，可帶動吊環傾斜機構360°旋轉，并有級鎖緊。（6）鉆井和起下鉆采用不同的負荷通道，延長主軸承的使用壽命。（7）背鉗采用四點浮動夾持，提高了背鉗的夾持能力，減少了對鉆具的損傷。（8）采用液壓浮動油缸平衡頂驅主體自重，可在上卸扣作用時保護鉆具接頭絲扣。（9）高強度的齒輪減速傳動。第3章 頂驅裝置的設計3.1 頂部驅動裝置設計方案的初步確定設計要求：頂驅裝置外形尺寸500*500*800mm，整體懸掛于起升橫梁上，背部由井架導軌進行定位。適應2寸半管柱旋轉與上卸扣操作

14、，上卸扣扭矩不小于500Nm，液壓系統工作壓力10MPa。本項目是鉆修井綜合實驗模擬平臺的頂部驅動裝置，鑒于簡化結構的原因，該裝置僅包括三大組成部份：水龍頭液壓馬達總成、齒輪減速箱和鉆桿上卸扣裝置總成，如圖1-1。圖3-1 頂驅裝置頂驅裝置的動力初步選定為液壓馬達，傳動方案為經一級齒輪減速箱減速將動力傳輸到主軸上。液壓馬達可以通過不同旋轉方向來實現頂驅接接單根、立根時的上扣和取出管柱時的卸扣過程。3.2 水龍頭一鉆井馬達總成水龍頭一鉆井馬達總成是頂部驅動鉆井裝置的主體部件組成見圖2-1。它由水龍頭鉆井水龍頭、馬達和一級齒輪減速器組成。圖3-2 水龍頭-鉆井馬達總成3.2.1 整體水龍頭整體水龍

15、頭的功能是整個鉆井裝置功能的集合。水龍頭主止推軸承位于大齒圈上方的變速箱內部。主軸經鍛制而成，上部臺階坐于主止推軸承上以支承鉆柱負荷。水龍頭密封總成裝在鉆井馬達上方。水龍頭密封總成裝在鉆井馬達上方由標準沖管、組合盤根和聯管螺母組成，聯管螺母使密封總成作為一個整體運動。盤根盒為快速裝卸式，與普通水龍頭的一致，只要松開上、下壓緊盤根帽，即可很快裝卸沖管和盤根。3.2.2 液壓馬達3.2.2.1 給定的系統參數液壓系統額定工作壓力10Mpa，最大工作壓力20Mpa；主軸最大轉矩1KNm，轉速約為200r/min。3.2.2.2 選擇液壓馬達根據系統的各項參數，初步選定液壓馬達的型號為BM-D200，

16、生產廠家為南京液壓機械制造廠，其主要性能參數如下：參數型號公稱排量工作壓力MPa輸出扭矩轉速重量kg額定最高額定額定最高BM-D2002001012.523832040010.5安裝尺寸如下：圖3-3 BM-D200型液壓馬達L=234(單位：mm）3.2.3 整體水龍頭整體水龍頭的功能是整個鉆井裝置功能的集合。水龍頭主止推軸承位于大齒圈上方的變速箱內部。主軸經鍛制而成，上部臺階坐于主止推軸承上以支承鉆柱負荷。水龍頭密封總成裝在鉆井馬達上方。水龍頭密封總成裝在鉆井馬達上方由標準沖管、組合盤根和聯管螺母組成，聯管螺母使密封總成作為一個整體運動。盤根盒為快速裝卸式，與普通水龍頭的一致，只要松開上、

17、下壓緊盤根帽，即可很快裝卸沖管和盤根。3.3 齒輪減速箱的設計3.3.1 給定參數主軸最大扭矩1000；液壓馬達額定輸出扭矩300。3.3.3 齒輪參數的計算3.3.3.1 .給定參數主軸最大扭矩1000；液壓馬達額定輸出扭矩300。選定齒輪類型、傳動比、精度等級、材料及齒數（1）選定傳動方案為液壓馬達驅動，經一級齒輪減速器將動力傳遞到主軸上，所以選用直齒圓柱齒輪。（2）傳動比i的計算： 傳動效率取1； ?。?）齒輪減速箱為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度。（4）材料選擇。小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45剛（調質），硬度為240HBS，二者硬度差為40H

18、BS。（5）選取小齒輪齒數24，大齒輪齒數，取803.3.3.2 .按齒面接觸強度設計由設計計算公式進行計算（1）確定公式內的各計算數值選取載荷系數1.25小齒輪傳遞的轉矩238選取齒寬系數1.0材料的彈性影響系數小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限。選取接觸疲勞壽命系數,。計算接觸疲勞許用應力，取失效概率為1%，安全系數S=1，則 （2）計算試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。計算圓周速度。計算齒寬。計算齒寬與齒高之比模數齒高計算載荷系數。根據=1.372m/s，7級等級精度，查的動載系數；直齒輪，;使用系數；7級精度、小齒輪相對支承對稱布置時，。由，查得；所以動載系數按實際

19、的載荷系數校正所得的分度圓直徑計算模數 3.3.3.3 按齒根彎曲強度計算彎曲強度的設計公式(1)確定公式內的各計算數值查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限。選取彎曲疲勞壽命系數,。計算彎曲疲勞許用應力。取彎曲疲勞安全系數S=1.4，得計算載荷系數K。齒形系數。 ;。查取應力校正系數。 ;。計算大、小齒輪的并加以比較。 大齒輪的數值較大。（2）設計計算 取m=3，則，。所以選取，。（3）尺寸計算。計算分度圓直徑，計算中心距計算齒輪寬度鑒于齒輪箱的實際情況，為了使齒輪利于散熱且減輕齒輪重量，適當減小齒輪厚度，所以選得齒輪厚度，。3.3.3.4 齒輪參數的完全確定分度圓直徑 ，

20、模數 厚度 ， 齒數 ，齒頂圓直徑 ，基圓直徑 ， 齒厚 3.3.4 齒輪減速箱主要組成（1）99齒大齒輪;（2）30齒小齒輪.;（3）上、下箱體;（4）主軸/驅動桿;（5）馬達支座機罩。變速箱是一個單級齒輪減速裝置，齒輪減速比是3.3:1，由于大齒輪的緣故，馬達中心線與主軸中心線距離為193.5mm。水龍頭主止推軸承裝在上齒輪箱內，后者固定于整體水龍頭提環上，由主止推軸承支撐的主軸/驅動桿通過一個錐形襯套連接大齒輪。兩個齒輪箱體構成齒輪的密封潤滑油室，并支撐鉆桿上卸扣裝置。3.4 鉆桿上卸扣裝置總成鉆桿上卸扣裝置如圖1-4所示，它為頂部驅動鉆井裝置提供了提放立柱.、并用馬達上卸立柱扣的能力。

21、它由下列部件組成:（1）滑動接頭（2）背鉗（3）吊環聯接器（4）吊環傾斜裝置圖3-4 鉆桿上卸扣裝置鉆桿上卸扣裝置具有1 kN m的上卸扣扭矩，它可在井架任意高度上卸扣。鉆進時，鉆桿上卸扣裝置固定不動，不妨礙鉆柱的起下。鉆井馬達通過主軸、齒輪減速箱、滑動接頭將扭矩傳給鉆柱，驅動鉆柱旋轉。當使用鉆桿吊卡起下鉆時，吊環聯接器將提升載荷轉移到主軸上。以下就上面述及的幾個主要部件進行介紹。3.4.1 滑動接頭滑動接頭由中心管、套管和橡膠圈組成（如圖3-2），中心管上部接頭帶有螺紋與主軸連接，套管下部帶有螺紋與鉆桿連接。套管上有四條導向鍵，中心管上有相應的四條鍵槽。工作時，套管與中心管能實現軸向滑動而不

22、會產生相對轉動，這樣就能實現滑動接頭一邊旋轉一邊螺紋上扣或卸扣。圖3-5 滑動接頭導向鍵長度l=150mm，滑動接頭的運動行程為s=130mm。運動行程為上扣和卸扣提供活動所需要的空間，使接頭能在轉動過程中實現伸縮（圖3-6）。 圖3-6 滑動接頭結構3.4.2 背鉗為了實現頂部驅動鉆井系統接單、立根過程中的上部上扣和起管過程中的上部卸扣，在頂驅系統中增加了一套背鉗機構，如圖3-1。背鉗機構的主要組成部分包括背鉗主體、靜卡瓦牙板、動卡瓦牙板、導向接頭和液壓缸。圖3-7 背鉗當管柱的接箍滑入背鉗時，驅動液壓缸工作使動卡瓦牙板移動，而靜卡瓦牙板不動，動、靜卡瓦牙板靠近并將管柱抱緊，然后通過主軸旋轉

23、主軸旋轉來完成上扣和卸扣。3.4.3 吊環連接器及其擺動機構在頂驅裝置中，通過一個吊環來連接水龍頭一鉆井馬達總成與吊卡，吊環通過銷子連接在水龍頭一鉆井馬達總成下方，另一端連接吊卡。如圖所示:圖3-8 水龍頭-液壓馬達總成為了實現頂驅裝置的上卸扣功能，還需要一個吊環擺動機構來完成吊環的擺動。該擺動機構包括一套連桿機構和液壓馬達組成，液壓缸提供擺動機構的動力，擺動機構能使吊環實現近60度的擺動角度，為上卸扣過程提供了足夠的空間。3.5 液壓缸的設計與計算液壓缸是將液壓能轉變為機械能的、能直線往復運動或擺動運動的液壓執行元件。它結構簡單、工作可靠。用它來實現往復運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間

24、隙，運動平穩，因此在各種機械的液壓系統中得到廣泛應用。 液壓缸的設計與計算是在對整個液壓系統進行工況分析，計算了最大負載，確定了工作壓力的基礎上進行的。因此，首先要根據使用要求確定結構類型，再按照負載情況、運動要求決定液壓缸的主要結構尺寸，最后進行結構設計。3.5.1 局部結構初選：3.5.1.1 缸筒的結構設計缸筒的兩端分別與缸蓋相連，構成密閉的壓力腔，因而它的結構形式往往和缸蓋及缸底密切相關。設計缸筒的結構時，也應該一起加以考慮。缸筒是液壓缸的主題，其余零件裝配其上，它的結構形式對于加工和裝配有很大影響，因此其結構必須盡量便于裝配、拆卸和維修。缸筒與缸蓋、缸底的連接形式很多，初步選定為拉桿

25、式。拉桿式連接簡單，工藝性好，通用性大，能有效的降低成本。3.5.1.2 缸筒的材料缸筒常用材料是20、35、45號無縫鋼管，當缸筒上需要焊接缸底、耳軸或管接頭時，多采用35號鋼管。該處液壓缸沒有特殊要求，所以選擇35號無縫鋼管 ，缸筒內徑為為32mm，壁厚為7.5mm。3.5.1.3 缸底和缸蓋缸底的材料常用35或45號鋼，此處采用45號鋼。缸蓋的缸口部分一般由密封圈、導向套、防塵圈和鎖緊裝置等組成，用作活塞桿的導向和密封等。缸孔和活塞桿直徑不同，缸口部分的結構也有所不同。缸蓋材料一般用35、45號鋼鍛件，此處選用45號鋼。3.5.1.4 缸體與外部的連接結構此處液壓缸缸體與外部的連接采用固

26、定連接，即法蘭連接。3.5.1.5 活塞和活塞桿活塞材料通常用鐵或鑄鋼，也有用鋁合金制成，它的結構上主要考慮的問題是活塞與缸筒的滑動和密封以及活塞和活塞桿之間的連接和密封。活塞桿是液壓缸的主要傳力零件，必須要有足夠的強度和剛度。活塞桿有實心和空心兩種，此處選用實心桿，材料是45號碳素鋼。3.5.1.6 緩沖裝置一般的油缸可以不考慮緩沖要求，當活塞的運動速度很高和運動部分質量很大時，就有很大的慣性力。在背鉗中，液壓缸運動速度要求不大且運動部分質量較小，所以可以不要求有緩沖裝置。3.5.1.7 油口油口有油口孔和油口連接螺紋。油口孔是壓力油進出的直接通到，如果孔小了，不僅造成進油時流量供不應求，影

27、響液壓缸的活塞運動速度，而且會造成回油時受阻，形成背壓，影響活塞的退回速度，減少液壓缸的負載能力。油口孔大多數屬于薄壁孔（孔的長度與直徑之比l/d0.5的孔），其流量按公式3-1計算： （3-1）式中 C流量系數，接頭處大孔與小孔之比大于7時為0.60.7，小于7時為0.70.8。 A油孔的截面積 液體的密度 油孔前腔壓力 油孔后腔壓力從式中可見，C、是常量，對流量影響最大的因素是油孔的面積A。根據此式，可以求出孔的直徑的大小，以滿足流量的需求，從而保證液壓缸的正常工作運動速度。3.5.2 計算液壓缸所需要的最小推力可以按照公式3-2來計算： （3-2）式中 主軸最大轉矩，=1000；卡瓦壓板

28、與管柱間的摩擦系數，取0.6；管柱接箍半徑，=44.5mm；計算可得=18726.6N?；钊麠U的最小直徑d可由公式3-3計算得到公式3-3： （3-3）式中 活塞桿材料45號碳素鋼的許用應力，為335MPa；計算可得。根據液壓設計手冊選取標準活塞桿直徑為16mm?；钊钚≈睆紻可以由公式3-4計算得到公式3-4： （3-4）式中 P液壓系統工作壓力，為16MPa；計算可得。根據液壓設計手冊，選取D=40mm3.6 軸承3.6.1 軸承的選擇方法軸承是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件,也可以說，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定

29、的機件。軸承是當代機械設備中一種舉足輕重的零部件,它的主要功能是支撐機械旋轉體，用以降低設備在傳動過程中的機械載荷摩擦系數。按運動元件摩擦性質的不同，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩類。選擇軸承該考慮的事項：（1）軸承的安裝空間能容納于軸承安裝空間內的軸承型由于設計軸系時注重軸的剛性和強度，因此一般先確定軸徑，即軸承內徑。但滾動軸承有多種尺寸系列和類型，應從中選擇最為合適的軸承類型。（2）內圈與外圈的相對傾斜分析使軸承內圈與外圈產生相對傾斜的因素，并選擇能適應這種使用條件的軸承類型。因此應選擇可以承受這種傾斜的軸承類型。如果內圈與外圈的相對傾斜過大，軸承會因產生內部負荷造成損傷。（3）負荷軸承負

30、荷的大小、方向和性質軸承的負荷能力用基本額定負荷表示，其數值載于軸承尺寸表軸承負荷富于變化，如負荷的大小、是否只有徑向負荷、軸向負荷是單向還是雙向、振動或沖擊的程度等等。在考慮了這些因素后，再來選擇最為合適的軸承類型。（4）安裝與拆卸定期檢查等的裝拆頻度及裝拆方法裝拆頻繁時，使用內圈與外圈可分離的圓柱滾子軸承，滾針軸承及圓錐滾子軸承較為方便。（5）轉速能適應機械轉速的軸承類型，軸承的極限轉速不僅取于軸承類型還限于軸承尺寸、保持架型式、精度等級、負荷條件和潤滑方式等，因此，選擇時必須考慮這些因素。根據以上事項，初步選擇主軸上的軸承為51316型止推軸承，大齒輪兩端的軸承為32916型圓錐滾子軸承

31、，小齒輪兩端軸承為32908型圓錐滾子軸承，頂蓋軸承為61912型深溝球軸承。圖3-9 齒輪減速箱3.6.2 軸承的校核3.5.2.1 基本額定壽命計算軸承或軸承組的基本額定壽命為可靠度90%時的壽命，它以軸承工作表面出現疲勞剝落之前所完成的工作轉數，或一定轉速下的工作小時數來計算?；绢~定動載荷為C（Cr或Ca）值的軸承，當其當量動載荷P=C時，則該軸承的基本額定壽命，其單位為轉；若時，其額定壽命將隨載荷增大而降低，壽命與載荷之間的關系可以用疲勞曲線表示。由于=常數，所以的公式3-5。 （3-5）式中 壽命指數，球軸承，滾子軸承。計算軸承壽命，用小時表示壽命有時更方便，令n為轉速（），軸承每

32、小時旋轉次數為60n，則有式3-6： （h） （3-6）式中 基本額定壽命，單位為h。L-P方程以材料強度具有組織敏感性為前提，同時考慮外載荷引發材料內部最大應力的交變應力幅及該應力在材料應力體積內的影響。這種立足與材料破壞原則的觀點至今有效。L-P理論建立在源于次表面的疲勞裂紋的基礎上，其認識實踐受到當時軸承技術和制造水平的限制，因此其適用性有限。如僅適用90%可靠度的壽命評估和淬火硬度至少為58HRC的普通軸承鋼，并假定內、外圈為剛性支承；其軸承相互平行；運轉時軸承游隙正常；軸承工作中不考慮摩擦、滑動的影響；軸承接觸處于最佳狀態而不會出現應力集中等。但是，這并不意味著L-P理論不再適用了，

33、相反，經驗表明對大多數軸承壽命評估而言，L-P理論仍具有足夠的精度要求。公式中的基本額定動載荷C，一般指軸承外圈測量處的工作溫度低于120時的軸承承載能力。若溫度超過120，則滾動體與滾道接觸處的溫度超過軸承元件的回火溫度，元件將喪失原有尺寸的穩定性，此時應選用經過特殊熱處理，或用特殊材料制造的高溫軸承。若仍使用樣本中查出的C值，需加以修正，如公式3-7： （3-7）式中 高溫軸承的基本額定動載荷；溫度系數。當已知軸承轉速 (r/min)、當量動載荷P(N)及預壽命時，就可以得到公式3-8： （3-8）式中的單位為N，為軸承的預期使用壽命（見表4），應取。3.5.2.2 修正額定壽命方程然而，

34、滾動軸承的應用實踐證實，實驗所確定的軸承實際壽命與計算壽命出入很大。這是因為，軸承生產中已采用組織均勻、非金屬夾雜物含量極少的優質鋼1；通過軸承可靠性統計數據的積累，能將軸承壽命與其破壞概率（）聯系起來；接觸-流體動力學潤滑理論有了發展，而該理論能夠分析評價潤滑材料性能對軸承壽命的影響。因此，ISO提出了以L10為基礎的修正滾動軸承壽命計算方程，如事3-9： （3-9）式中 任意使用條件下的壽命，表示失效概率數； 可靠性系數；見表5； 材料性能修正系數，包括材料、設計和制造等影響因素； 工作條件修正系數，包括潤滑劑、潤滑劑清潔度、逆向溫度和裝配條件等影響因素。經過校核，軸承達到設計要求。3.7

35、 電氣控制液壓回路的設計在電氣控制液壓回路中，液壓缸的位置是由行程開關來控制的，方向控制閥則一律采用電磁閥。在該頂驅系統中，由液壓驅動工作的有液壓馬達和背鉗液壓缸兩個部分。液壓馬達驅動由正轉、反轉兩個運轉方向;而液壓缸有伸出和縮回來個運動方向,期間能停留在某個位置，所以電氣控制均為順序動作回路控制。3.7.1 電氣控制液壓回路的設計步驟在電氣控制液壓回路中，液壓缸的位置是由行程開關來控制的，方向控制閥則一律采用電磁閥。電氣液壓回路設計步驟如下：（1）畫出位移步驟圖。（2）設計液壓回路。（3）根據液壓回路設計電氣回路。3.7.2 液壓馬達控制回路設計（1）根據動作順序畫出位移步驟圖，如圖所示。圖

36、3-10 位移-步驟圖（2）設計液壓回路。在圖73中，通電后使A缸前進的線圈稱為YA1；通電后使A缸后退的線圈稱為YA0。圖3-11電磁閥的液壓回路（3）設計電氣回路。若采用目視操作，則可得如圖3-12所示的電路圖。圖3-12 電路圖3.7.3 液壓缸控制回路設計液壓缸動作順序為伸出停留退回，用單向電控換向閥設計電氣液壓回路。（1）繪制油缸的位移步驟圖，如圖所示。圖3-13 位移步驟圖（2）設計液壓回路，如圖3-14(a)所示。圖3-14（3）設計電氣控制回路，如圖3-14(b)所示。第4章 頂驅工作過程4.1 鉆進接立根鉆進是頂部驅動鉆井裝置普遍采用的鉆進方式。采用立根鉆進方法很多，對鉆從式

37、井的軌道鉆機和可帶立根運移的鉆機，鉆桿立根可立在井架上不動，留待下一口井接立根鉆進使用。若沒有立根，推薦兩種接立根方法:一是下鉆時留下一些立根豎在井架上不動，接單根下鉆到底，用留下的立根鉆完鉆頭進尺;二是在鉆進期間或休閑時，在小鼠洞內接立根。為安全起見，小鼠洞最好垂直，以保證在垂直平面內對扣，簡化接扣程序。還應當注意鉆桿接頭只要旋進鉆柱母扣即可，因為頂部驅動鉆井裝置的鉆井馬達還要施加緊扣扭矩上接頭。通常在兩種情況需要接單根鉆進。一種是新開鉆井，井架中沒有接好的立根，每9.4 m必須測一次斜另一種是利用井下馬達造斜時，吊環傾斜裝置將吊卡推向小鼠洞提起單根鉆進的效率，從而保證了接單根的安全，提高了

38、接單根鉆進的效率。鑒于本鉆修井模擬實驗平臺的實際情況，該頂驅裝置的鉆進過程如下：（1）機械手將管柱夾持到頂驅裝置下方的適當位置，吊卡擺動機構擺動，使吊卡套住管柱。（2）頂驅裝置上移，使吊卡吊住管柱，然后移開機械手。圖4-1 頂驅工作過程（3）頂驅裝置下放，使管柱下接頭放入動力卡瓦里的鉆桿柱中，管柱支在鉆桿柱上。頂驅裝置繼續下放，當管柱上接頭滑入背鉗適當位置時頂驅裝置停止運動。（4）背鉗工作，夾緊管柱。液壓馬達工作，驅動主軸旋轉完成上扣。（5）完成上接扣后，背鉗松開，主軸繼續旋轉使管柱下部與鉆桿柱完成上扣。（6）使用鐵鉆工完成接頭處的緊扣，接單根過程結束。4.2 起下鉆操作起下鉆仍采用常規方法。

39、為提高井架工扣吊卡的能力和減少起下鉆時間，可以使用吊環傾斜裝置使吊卡靠近井架工。吊環傾斜裝置有一個中停機構，通過它可調節吊卡距二層臺的距離，便于井架工操作。打開旋轉鎖定機構和旋轉鉆桿上卸扣裝置可使吊卡開口定在任一方向。如鉆柱旋轉，吊卡將回到原定位置。起鉆中遇到縮徑或鍵槽卡鉆，鉆井馬達可在井架任一高度同立根相接，立即建立循環和旋轉活動鉆具，使鉆具通過卡點。4.3 倒劃眼操作4.3.1 使用頂部驅動鉆井裝置倒劃眼可以利用頂部驅動鉆井裝置倒劃眼，從而防止鉆桿粘卡和被破壞井下鍵槽。倒劃眼并不影響正常起鉆排放立根，即不必卸單根。4.3.2 倒劃眼起升程序（1）吊卡擺動機構將吊卡擺開，頂驅裝置下行，直到滑

40、動接頭滑入卡瓦上的管柱接箍里，背鉗工作，主軸旋轉，使螺紋上扣。（2）頂驅裝置上行，提起管柱，擺動吊卡使吊卡將管柱套住。（3）吊卡套住管柱，動力卡瓦卡住管柱，再利用鐵鉆工松扣。（4）松扣后，主軸旋轉，完成下部卸扣。（5）完成下部卸扣后，提起管柱，使下部完全脫扣。（6）下放頂驅裝置，使管柱下部支在卡瓦上。（7）繼續下放頂驅裝置，使接箍處于背鉗內適當位置停止，背鉗鎖住管柱，主軸反轉完成上卸扣。（8）頂驅裝置上行，吊卡吊住管柱，提升至適當高度 。機械手將管柱夾緊，松開吊卡，機械手將管柱運至管排機構，起管過程結束。4.4 井控操作程序4.4.1 使用頂部驅動鉆井裝置進行井控的優點頂部驅動鉆井裝置可在井架

41、任一高度同鉆柱相接，這比常規鉆井有很多優點。鉆進中遠控內防噴器始終接在鉆柱中，根據需要可立即使用。起鉆過程中，可在數秒內在井架任一高度將內防噴器接入鉆柱中。4.4.2 起下鉆井控程序（1）一旦發現鉆桿內井涌，立即坐放卡瓦，將頂部驅動鉆井裝置接人鉆柱; （2）操作旋緊扣控制閥，進行旋扣和緊扣;（3）關閉遠控內防噴器，上部內防噴器可以承受內管壓力，如果需要使用止回閥或其它鉆井設備繼續下鉆，可借用下部內防噴器將止回閥接人鉆柱；（4）在下部內防噴器的上部接人適合的轉換接頭、止回閥或循環接頭;（5）進行正常的井控程序操作。第5章 運用COSMOS對裝置進行校核5.1 COSMOS簡介COSMOSsWor

42、ks是SRAC（Structural Research & Analysis Corporation）推出的一套強大的有限元分析軟件。做為世界上最快的有限元分析軟件，COSMOS采用FFE（Fast finite Element）技術使得復雜耗時的工程分析時間大大縮短。 傳統的方法在分析裝配體時是先把零件拆散，然后一個個分別處理，耗時耗力，又存在計算結果不精確的缺點。COSMOS提供了多場、多組件的復雜裝配分析，從而大大簡化工程師的勞動，使得分析能夠更好地模擬真實情況，結果也就更精確。COSMOS/Works是完全整合在SOLIDWORKS 中設計分析系統的，提供壓力、頻率、約束、熱量

43、，和優化分析。為設計工程師在SolidWorks的環境下，提供比較完整的分析手段。憑借先進的快速有限元技術(FFE),工程師能非常迅速地實現對大規模的復雜設計的分析和驗證，并且獲得修正和優化設計所需的必要信息。分析的模型和結果和Soli -dWorks共享一個數據庫，這意味著設計與分析數據將沒有繁瑣的雙向轉換操作，分析也因而與計量單位無關。在幾何模型上，可以直接定義載荷和邊界條件，如同生成幾何特征，設計的數據庫也會相應地自動更新。計算結果也可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設計模型上。這樣的環境操作簡單、節省時間，且硬盤空間資源要求很小。COSMOS/WORKS集功能強大、計算精確和簡

44、單好用三大特點為一身，能夠讓工程師們在一天之內開始設計分析，并且迅速得到分析結果。COSMOS/WORKS能夠提供廣泛的分析工具去檢驗和分析復雜零件和裝配，它能夠進行應力分析、應變分析、變形分析、熱分析、設計優化、線性和非線性分析。使用COSMOS/WORKS，工程師可以最大限度地縮短設計周期，降低測試成本，提高產品質量，加大利潤空間。5.2 對主要承載零、部件進行校核5.2.1 下箱體下箱體支承上箱體，通過掛環連接橫梁，通過螺栓連接到導向小車，所受載荷為5噸，強度校核結果如下：圖5-1 下箱體校核從圖5-1中可以看出，最小安全系數為2.55，滿足設計要求，故不作修改。5.2.2 中箱體中箱體

45、支承在下箱體中，主軸的載荷通過止推軸承傳遞到下箱體上，載荷大小為5噸，其強度校核的結果如圖5-3：圖5-2 中箱體校核從圖5-2中可以看到，中箱體的最小安全系數為3.69，由此可知中箱體滿足設計要求。5.2.3 主軸5.2.3.1 主軸1主軸1通過下部螺紋連接在主軸2上，上部通過止推軸承支承在中箱體上，其承受的主要載荷是軸向拉伸載荷，其強度校核的結果如下：圖5-3 主軸2校核從圖5-3中可以看到，主軸1的最小安全系數是5.2，由此可知，主軸1滿足設計要求。5.3.2.2 主軸2主軸2通過上部螺紋連接在主軸1上，中部通過鍵連接在齒輪上，下部通過螺紋連接在滑動接頭上。通過分析，其承受軸向載荷，載荷大小為50KN；另外承受1KNM的扭矩載荷，其強度校核的結果如圖5-4。從圖5-4中可以看出，主軸2的最小安全系數為2.1，滿足設計要求。圖5-4 主軸2校核5.2.4 背鉗體背鉗體上部通過螺栓連接在齒輪箱箱體下部，背鉗內不有液壓缸和卡瓦牙板，載荷主要通過背鉗牙板作用在背鉗體內壁上，當液壓缸處于最大載荷時，其校核結果如下圖。圖5-5 背鉗校核校核后，由圖可知，最小安全系數為3.5，所以符合設計要求。5.2.5 分析從以上四個主要承載零件的強度校核可知，在最大載荷下主要承載零件的最小安全系數為2.1，滿足頂驅正常工作的設計要求。由于主軸2的安全系數較小，尅通過改善其結構或選用更好的材料來解決