高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置

摘要

本发明公开了一种高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置，其采用一组高速小扭矩液压马达驱动，并为每个液压马达配置了独立的多片盘式制动器及行星减速机，使主轴能以高速大扭矩运转，且无需配置盘刹。其结构自上而下由提升装置、主传动箱、旋转头总成、液压卡盘、可开合滑车所组成，其中提升装置上部通过提升横梁直接与游车相连，下部直接与主传动箱提升座相连，旋转头采用蜗轮蜗杆传动的回转驱动作为主要工作部件，应用电液比例闭环控制实现精确角度定位，既有自锁性，又可与主轴同时驱动钻柱回转，实现低速增扭作业。本发明液压顶驱体积小、重量轻，液压系统应用机电液一体化技术实现了大转速范围的电液比例容积调速，从而满足多种深井钻探工艺和钻进规程的需求，尤其是大陆科学钻探深井取芯钻进。

主权项

一种高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置，其特征在于：是由承受钩载的提升装置(1)、主传动箱(12)、液压卡盘(22)、旋转头总成(19)、手动和遥控内防喷器总成(13)以及冲管‑水龙头总成(23)组成，提升装置(1)用于承受钩载，提升装置(1)用于实现顶驱与钻机游车之间的联接，钻进时外部载荷由钻柱传递给主轴(14)，通过安装在主传动箱(12)内的推力轴承(42)把载荷进一步传递到箱体提升座(17)，用于传递钩载的提升臂(35)对称布置在液压顶驱主传动箱(12)两侧，下端与箱体提升座(17)以第三销轴(5)联接，提升臂(35)上端以第二销轴(4)与提升过渡座(3)联接，提升过渡座(3)与提升装置(1)以第一销轴(2)联接，其中第二销轴(4)与第三销轴(5)在平面内平行布置，第一销轴(2)和第二销轴(4)在空间上垂直布置，提升过渡座(3)处的连接为十字铰接，提升臂(35)具有前后摆动的自由度；两平衡第液压缸(7)实现了液压顶驱主轴接卸钻柱过程中的整体浮动，平衡第液压缸(7)两端耳环内安装有关节轴承，平衡第液压缸(7)的动力油及回油是由电液比例多路换向阀(30)的相应阀片提供；主传动箱(12)输入端依次为液压马达(24)、马达接盘(26)及联轴节(25)、多片盘式制动器(27)和行星减速机(28)；其中液压马达(24)为高速小扭矩变量轴向柱塞液压马达，马达接盘(26)及联轴节(25)根据制动器(27)和液压马达(28)的安装法兰及出轴连接结构设计和调整，液压马达(24)的数量为2～4，其主工作油路可通过主油路块(16)实现并联，液压马达泄油、液压马达变量控制油路以及多片盘式制动器控制油路同样是并联的，分别连接在控制泄油集成油路块(33)上；多片盘式制动器(27)安装在高速轴上；行星减速机(28)与制动器(27)和液压马达(24)同轴布置，行星减速机(28)固定在主传动箱(12)输入轴连接座上，行星减速机(28)的输出轴采用内花键或外花键与主传动箱(12)小齿轮轴(38)相联接；主传动箱(12)将液压马达输出功率传递至顶驱主轴(14)，主传动箱由2～4组小齿轮(39)和一个与顶驱主轴(14)同轴的大齿轮(40)构成多对齿轮副，其传力关系为并联叠加；所述之小齿轮(39)安装在小齿轮轴(38)上，借助于输入端过渡轴(37)，小齿轮轴(38)与各类减速机输出结构相适应；主传动箱(12)大齿轮(40)通过胀紧套(41)与顶驱主轴(14)之间实现扭矩传递；位于主传动箱(12)主轴前方的两个小齿轮轴为通轴，其一用于驱动双向润滑泵(32)，其二用于驱动测速编码器(31)；2～4个小齿轮(39)相对于顶驱主轴(14)对称且均匀地布置在圆周上，因此各小齿轮(39)作用大齿轮(40)的径向力在顶驱主轴(14)上获得平衡，由于驱动所引起的顶驱主轴(14)上定心轴承(43)、下定心轴承(44)之径向力理论上为零，于是顶驱主轴(14)运转过程中，仅承受驱动力矩和钩载，对减小振动、降低噪声和延长主轴及其定心轴承的寿命是非常有利的；主轴承(42)安装在主传动箱(12)的箱体提升座组件(17)上；主传动箱(12)内部齿轮副采用喷溅润滑，润滑泵(47)提供润滑油并由多点分流器根据所需润滑的点数及流量进行分配；输入端多片盘式制动器(27)和行星减速机(28)的润滑油是由双向润滑泵(32)提供的，同样采用多点分流器进行分配；应用分配器剩余输出端口实现了主传动箱各轴承的润滑和冷却；润滑泵(46)为低压大排量液压泵，用于实现主传动箱(12)与储液罐(34)之间所构成的联通流场内全部油液的开式循环，开式循环的全部流量通过散热器(11)，冷却后的润滑油进入储液罐(34)，而后提供给润滑泵(47)和双向润滑泵(32)；多余的油液通过安装在主传动箱润滑油回收口处的节流阀后进入主传动箱，参与下一个冷却循环；由于多余油液进入箱体前具有背压，该背压也是储液罐内润滑油液的压力，其值在0.2～0.5MPa，该压力的存在使双向润滑泵(32)在低速时也具有良好的自吸性，同时也使润滑泵(47)吸油顺畅；串接在低压大排量润滑泵与散热器之间的过滤器实现了对润滑油液污染的控制；回转驱动(48)作为旋转头总成(19)的动力元件；所述回转驱动(48)采用蜗轮蜗杆传动型式，通过低速大扭矩液压马达(49)驱动，液压马达数量为2台；借助于蜗轮蜗杆传动的大传动比获得不低于(12)0kN.m的输出扭矩，且具有自锁性；旋转头(19)外壳为高强度铸钢件，内置配流槽、密封槽，采用旋转格莱圈组成多通道回转密封结构；外部设有吊环(21)、吊耳及吊环倾斜机构(20)，可承受与钩载相当的重力荷载；旋转头总成(19)设有配流轴(55)，配流轴(55)具有整体式和分体式两种结构；配流轴(55)与回转驱动(48)采用螺栓组联接，并安装有传力销承受上卸扣扭矩；旋转头总成(19)整体采用另一组高强度螺栓连接于箱体提升座组件(17)，旋转头总成(19)的极限承载能力约为钩载的1.2～1.5倍；旋旋转头总成(19)与配流轴(55)通过内置液压管线(50)实现旋转配流功能，通过配流轴(55)外部径向接头接硬管方式实现配流通道与电液比例负载敏感多路阀连接，该控制阀置于主传动箱体支架上；旋转头总成(19)整体能进行(36)0度回转，在卡钻、蹩钻状态下，可短时间利用其低速大扭矩工作特性辅助驱动钻柱解卡；回转驱动(48)非马达侧端盖上安装有编码器，用于检测转角，并通过电液比例闭环控制实现在任意角度上的精确定位；旋转头总成(19)的壳体设有背钳部件的连接座，采用四个销轴联接，背钳立架(53)上安装分体式背钳(54)或卡盘式背钳(22)；背钳立架(53)由背钳升降油缸驱动，沿安装在旋转头总成(19)上的箱体上下移动，可依次用于过渡接头、手动内防喷器的上卸扣操作；背钳升降油缸采用双向平衡阀锁定，以保持背钳立柱获得适合的工作高度；所述手动和遥控内防喷器总成(13)是由遥控防喷器及遥控防喷器驱动两部分组成；所述手动和遥控内防喷器总成(13)通过螺纹联接于主传动轴(14)上端，主要用于控制泥浆通断；所述遥控防喷器驱动为双液压缸导板滑块及旋转座套驱动，是由防喷器支架、冲管支架(74)和关断油缸(75)组成；左右两关断油缸(75)缸套通过销轴固定于冲管支架(74)下部，关断油缸活塞所连滑块可在冲管支架(74)槽内滑动，滑块通过上下两滚轮与防喷器支架相连，关断油缸(75)与防喷器支架滚轮接触，可保证防喷器支架随顶驱主轴转动时，防喷器支架与油缸活塞杆上的滚轮滚动运动；左右两遥控防喷器导向架分别通过螺栓固定于主传动箱体上；关断油缸活塞杆伸出或缩回，可推动防喷器支架沿防喷器轴向上下运动，从而带动防喷器摇杆推动防喷器球阀转动，打开或关闭遥控放喷器；遥控内防喷器置于主传动箱上部，不承受钩载和主轴输出扭矩，仅承受泥浆压力和甚小的摩擦阻力矩；双液压缸导板滑块及旋转座套驱动形式，采用隔膜式蓄能器通过梭阀实现双向缓冲，其寿命得以大幅度提高；防喷器关断油缸液压油无需经旋转头组件配流，液压油路简化；所述液压卡盘(22)是由背钳立柱(53)、卡盘心轴(57)、分体式卡块(58)、导向轮(60)、限位套(59)、卡盘座套(56)、弹簧导杆、复位弹簧(61)、卡盘柱塞(62)、背钳缸套(63)、联接缸座(64)、保护罩(65)等组成；所述卡盘心轴(57)上部均布开有五个轴向分布的槽，用于安放五个分体式卡块(58)，下部通过螺栓与联接缸座(64)、背钳缸套(63)连为一体；所述分体式卡块(58)内侧为圆柱面，外侧为圆锥面台阶，钳牙通过内六角螺钉固定于卡块体内，夹块数量为五个，在圆周上均布，角度经自然优化符合黄金分割，分析及实验验证该结构可获得最优夹紧力矩，对钻杆接头螺纹的保护效果最佳；卡块上下采用减振垫调整高度，减振垫材料为耐油橡胶；更换胶垫可适应不同夹持管径范围，且夹持钻杆过程中，胶垫的缓冲作用可有效缓解钳牙对管体的损伤；所述导向轮(60)及导向轮盖板位于液压卡盘的上部，五个导向轮均布于限位罩(59)上部的槽内，导向轮(60)与导向轮盖板、限位罩(59)通过销轴联接，导向轮与钻杆滚动接触，用于扶正、导向钻杆；所述限位罩(59)上部通过五个均布的螺栓与卡盘心轴(57)相联，下部通过八个均布的弹簧导杆与卡盘座套(56)连为一体；所述弹簧导杆与导向罩六角配合，并通过开口销固定其端部；弹簧导杆下部通过螺纹与卡盘座套(56)相连；所述复位弹簧(61)套于八个均布的弹簧导杆外，两端分别压在限位罩(59)和卡盘座套(56)孔的台肩上；所述卡盘座套(56)内部开有锥形台阶，与卡块(58)外侧锥形台阶相配合，从而将卡套上下移动转换为卡块沿卡盘主轴的径向移动；所述卡盘柱塞(62)安装于卡盘座套之下，十二个卡盘柱塞(62)分别安装于十二个卡盘柱塞缸套内，卡盘柱塞与卡盘柱塞缸套之间设置滑动密封圈；十二个卡盘柱塞缸套周向均布安装于背钳缸套(63)的十二个孔内；背钳缸套(63)与联接缸座(64)端面通过螺栓联接，其配合面设置密封圈；背钳缸套(63)、联接缸座(64)、卡盘柱塞(62)、卡盘柱塞缸套形成单作用液压油缸；所述保护罩(65)通过螺栓固定在联接缸座(64)上，用于钻杆导向、扶正；液压卡盘式背钳液压夹紧，弹簧复位，仅用一条油路，减少了回转头通道数量，使其结构得以简化；拧卸钻杆时，高压油进入背钳缸套(63)与联接缸座(64)所形成的的液压油缸内腔，作用在卡盘柱塞(62)下端面，推动卡盘柱塞(62)上移，从而推动限位罩(59)上移，实现圆周布置的卡块(58)向卡盘心轴(57)中心移动，夹紧钻杆；钻进时，背钳缸套(63)与联接缸座(64)所形成的的液压油缸腔不进油，限位罩(59)在复位弹簧(61)作用下下移，卡块(58)沿卡盘心轴(57)径向外移松开钻杆，确保钻杆正常回转不刮碰卡块；所述的顶驱滑车(15)是由滑车支架(69)、承载滚轮(71)、导向滚轮(70)组成；滑车支架(69)设置上下左右设置四个承载滚轮(71)，滑车支架(69)两侧面设置四组导向滚轮(70)，滑车支架(69)背侧设置两纵向、平行长销轴(72)，用以联接至主传动箱体(12)；利用销轴(72)实现的可开合滑车，使顶驱结构简单、安装拆卸方便，钻井过程中，可打开拆除其中一个销轴，将顶驱主体翻转到侧面让出孔口，更换为转盘驱动或进行绳索取芯作业，此功能的设置适用于科学钻探顶驱、转盘驱动切换及取芯工艺要求；所述承载滚轮(71)位于滑车支架上下左右四个位置，其作用是将顶部驱动钻井装置在钻井作业时的反扭矩传递到导轨上；所述四组导向滚轮(70)位于滑车支架两侧面的上下位置，每组导向滚轮由四个滚轮组成，嵌于顶驱导轨的导板上，使滑车的滑动方向始终沿导轨方向，避免滑车在导轨上滑动时出现遇卡的现象，保证顶部驱动钻井装置在井架内上下移动时顶驱主轴始终与钻井井口对正；所述冲管‑水龙头总成(23)由顶驱上轴(83)、标准冲管组件(79)、冲管座(77)、鹅颈管(76)组成，冲管‑水龙头总成(23)挠性连接于顶驱主轴(14)后端；顶驱上轴(83)下端设有标准钻杆锁接头螺纹与遥控内防喷器总成(13)联接，顶驱上轴(83)上端通过梯形螺纹与下盘根盒盖(81)相连，标准钻杆锁接头螺纹和梯形螺纹均为左旋；顶驱上轴(83)采用两排推力调心滚子轴承(82)克服泥浆压力引起的轴向载荷，定位于顶驱主轴(14)后端；所述标准冲管组件(79)上部与鹅颈管(76)相连；鹅颈管(76)用螺栓固定于冲管座(78)上；冲管座(78)采用螺栓安装在冲管支架(74)之上；冲管摩擦力矩由冲管支架(74)传递至主传动箱(12)，限制了鹅颈管(76)的转动自由度；通过冲管‑水龙头总成(23)下部的动密封与上部的静密封，保证钻井液正常循环且不得泄漏。