CN101424164A - 顶部驱动装置的动力水龙头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力水龙头，用于钻井设备的顶部驱动装置，包括马达和减速器，所述减速器的输入齿轮轴由所述马达驱动，所述减速器的输出齿轮轴驱动所述钻井设备的钻杆，所述马达为径向柱塞液压马达。本发明提供的动力水龙头的液压马达为径向柱塞马达，在设备型号形同的情况下可以输出更大的扭矩，不但能够满足正常钻进的需要，还可以为钻杆的上扣、卸口操作提供足够的扭矩，因此就可以省略常规的顶驱增扭装置，显著降低了其设计、加工制造、运行控制等环节的复杂度，提高整个系统的可靠性，并节约了设备成本。

Description

顶部驱动装置的动力水龙头

技术领域

本发明涉及一种钻井设备的驱动装置，特别涉及一种钻井设备顶部驱动装置的动力水龙头。

背景技术

目前，在石油天然气钻井作业中，钻机的旋转动力越来越多地由设置于钻井架顶部的驱动装置(即顶驱)来提供。相对于传统的驱动形式，顶驱驱动具有安全隐患较少、作业者的劳动强度较低，以及可以节省定向钻井时间、便于维修等优点，因此其普及程度越来越高。

顶部驱动装置主要分为电动顶驱和液压顶驱。相对于电动顶驱，液压顶驱可以满足低速(主轴转速甚至可以为零)时的扭矩要求，并且可以提供较大的扭矩输出。此外，在部件的结构设计、钻井抗震、作业现场防火花等方面，液压顶驱也具有明显的优势。

动力水龙头是液压顶部驱动装置的关键组成部分，目前较常见的动力水龙头包括液压马达和由其驱动的减速器。在设备型号相同的条件下，单液压马达型和双液压马达型动力水龙头所提供的扭矩较小，因此其应用范围较窄，只能满足浅层钻井作业的要求以及较小规格钻杆的上扣、卸口需要。

众所周知，钻杆在正常钻进时所需要的扭矩，与进行上扣、卸扣等操作时所需要的扭矩存在较大的差异。进行上扣、卸扣等操作所需要提供的扭矩较大，但其所占用的工作时间却较少，因此为了保证在上扣、卸扣提供较大的扭矩，通常是另外设置一套间歇性工作的增扭装置，以便在卸扣是提供额外的扭矩。所述增扭装置通常包括专门设置的增扭马达、传动齿轮以及离合器。

请参考图1，图1为现有技术中动力水龙头减速器的结构示意图。

现有技术中动力水龙头减速器包括由液压马达驱动的两个高速级主动齿轮11(即减速器输入轴)，两者分别啮合并带动一高速级从动齿轮12。两低速级主动齿轮13分别与两高速级从动齿轮12固定连接并与之共轴。两低速级主动齿轮13同时啮合于一低速级从动齿轮14(即减速机输出轴)，后者为钻杆提供驱动力。

现有技术中动力水龙头减速器还包括由作为增扭装置的增扭马达驱动的增扭主动齿轮15，增扭主动齿轮15可以在离合装置(图中未示出)的作用下与低速级从动齿轮14相啮合或者相分离。

附图标记16表示所述减速器的箱体。

请参考图2及图3，图2为现有技术中动力水龙头液压马达的转速-扭距特性曲线；图3为现有技术中动力水龙头增扭马达的转速-扭距特性曲线。

图2中曲线171表示正常进行钻进操作时液压马达的转速-扭距特性曲线，在正常钻进时所述液压马达的工作转速位于一个恒功的范围内。曲线172表示在经过沙土层等比较松软的地层时液压马达的转速-扭距特性曲线，此时马达排量和扭矩降低、转速增加，从而实现在较低扭矩下的高速钻进。

图3中曲线18表示进行上扣、卸扣操作时增扭马达的转速-扭距特性曲线。钻杆上扣、卸扣时只需要很低的转速即可，但却要求提供较大的扭矩。由图3可见，所述增扭马达的特性曲线可以满足此时低速大扭矩的需求。

但是，在设置增扭马达的动力水龙头中，由于在正常钻进的工作时间内不需增加扭矩，此时增扭马达不需工作，因此需另外设置离合装置，使增扭马达与主传动系统相分离；当钻杆进行上扣、卸口操作时，所述离合装置再将所述增扭马达连接入主传动系统中。由于增扭操作的时间通常只占据整个工作时间的较小比例，所以整个增扭装置在很长的时间内是空置的，浪费了设备。同时，由于添加了增扭装置，在整个动力水龙头中增加了增扭传动主动齿轮、密封装置、离合器、增扭马达等结构，不但增加了其设计、加工制造、运行控制等环节的复杂度，同时也显著增加了设备的成本。

因此，如何简化动力水龙头的结构、节省生产制造成本，并且降低其设计、加工制造、运行控制等环节的复杂度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、生产制造成本较低，并且设计、加工制造、运行控制等环节的复杂度较低的动力水龙头。

为解决上述技术问题，本发明提供一种动力水龙头，用于钻井设备的顶部驱动装置，包括马达和减速器，所述减速器的输入齿轮轴由所述马达驱动，所述减速器的输出齿轮轴驱动所述钻井设备的钻杆，所述马达为径向柱塞液压马达。

优选地，所述径向柱塞液压马达的数目为2台。

优选地，所述动力水龙头取消了增扭装置。

优选地，所述减速器采用两组二级传动。

优选地，所述减速器传动比的范围为5.0至8.0。

优选地，所述减速器传动比的范围为6.9至7.0。

优选地，所述减速器的润滑管路中设有压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器分别连接警报装置。

优选地，所述径向柱塞液压马达包括压力传感器和转速传感器。

优选地，所述减速器的传动齿轮经过齿形修形。

优选地，所述减速器的传动齿轮经过齿向修形。

相对上述背景技术，本发明提供的动力水龙头的液压马达为径向柱塞马达，在设备型号形同的情况下可以输出更大的扭矩，不但能够满足正常钻进的需要，还可以为钻杆的上扣、卸口操作提供足够的扭矩，因此就可以省略常规的顶驱增扭装置。本发明提供的动力水龙头取消增扭马达、增扭传动齿轮、密封装置、离合器等结构，仅利用钻井正常钻进操作的动力驱动部分即可完成钻井钻进、上扣、卸扣等操作，显著降低了其设计、加工制造、运行控制等环节的复杂度，提高整个系统的可靠性，并节约了设备成本。

附图说明

图1为现有技术中动力水龙头减速器的结构示意图；

图2为现有技术中动力水龙头液压马达的转速-扭距特性曲线；

图3为现有技术中动力水龙头增扭马达的转速-扭距特性曲线；

图4为本发明所述动力水龙头减速器的结构示意图；

图5为本发明所述动力水龙头液压马达的转速-扭矩特性曲线；

图6为本发明所述动力水龙头减速器内部传动齿轮的齿形示意图；

图7为本发明所述动力水龙头减速器内部传动齿轮的齿向示意图。

具体实施方式

本发明核心是提供一种结构简单、生产制造成本较低，并且设计、加工制造、运行控制等环节的复杂度较低的动力水龙头。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明所提供的动力水龙头包括液压马达和减速器。

请参考图4，图4为本发明所述动力水龙头减速器的结构示意图。

本发明所述动力水龙头减速器包括分别由两个液压马达驱动的两个高速级主动齿轮21(即减速器输入轴)，两者分别啮合并带动一高速级从动齿轮22。两低速级主动齿轮23分别与两高速级从动齿轮22固定连接并与之共轴。两低速级主动齿轮23同时啮合于一低速级从动齿轮24(即减速机输出轴)，后者为钻杆提供驱动力。附图标记26表示表示所述减速器的箱体。

由图4可知，上述减速器具体采用了两组二级传动，其传动比的范围可以为5.0至8.0，具体地说，当所述传动比的范围为6.9至7.0时所述减速器的整体性能较好，比如，可以将所述传动比设计为6.91。

与现有技术相比，本发明所述动力水龙头减速器不包括由专门设置的增扭马达、传动齿轮以及离合器及其他相关配件所构成的增扭装置。

如前所述，在进行钻杆的上扣、卸扣操作时所要求提供的扭矩，须大于正常钻进时所提供的扭矩。本发明的动力水龙头虽然取消了所述增扭装置，但仍然能够满足对输出扭矩的要求。

具体地说，本发明提供的动力水龙头的液压马达为径向柱塞液压马达。相对于现有动力水龙头所采用的齿轮式液压马达、叶片式液压马达以及轴向柱塞液压马达，径向柱塞液压马达的最低转速比较低，特定场合下甚至能够省略减速装置，因此能够满足上扣、卸扣时较低的转速需要；其径向尺寸大，输出惯量也较大，可以满足上扣、卸扣时较大的输出扭矩要求。

显然，本发明提供的动力水龙头的液压马达的数目为两台。所述两台液压马达与盘式刹车并排安装在减速器的齿轮箱上，液压马达与盘式刹车连为一体。所述液压马达为双速马达，通过控制系统可以改变其排量，显著拓宽了其工作范围。

请参考图5，图5为本发明所述动力水龙头液压马达的转速-扭矩特性曲线。

本发明所述动力水龙头的液压马达在钻杆正常钻进时的转速-扭距特性曲线如图中曲线271所示，此时所述液压马达的工作转速处于一个恒功的范围。

经过沙土层等比较松软的地层时，所述液压马达的排量和输出扭矩降低，转速随之升高，如图中曲线272所示。此时即可使钻杆实现高速钻进。

由上述曲线271和曲线272可知，所述液压马达可以提供钻杆钻进时所需要的扭矩。

曲线273表示在上扣、卸扣操作时所述液压马达的转速-扭矩曲线，此时所述液压马达的输出扭矩较大，且转速较低。

比较曲线273与图3中的增扭马达的转速-扭距特性曲线18可知，两曲线具有相同的特征，因此即使取消所述增扭装置，本发明提供的动力水龙头仍然可以满足进行上扣、卸扣时较大的扭矩需求。

本发明提供的径向柱塞马达，在设备型号形同的情况下可以输出更大的扭矩，不但能够满足正常钻进的需要，还可以为钻杆的上扣、卸口操作提供足够的扭矩，因此就可以省略常规的顶驱增扭装置。

本发明提供的动力水龙头取消了增扭马达、增扭传动齿轮、密封装置、离合器等结构，仅利用钻井正常钻进操作的动力驱动部分即可完成钻井钻进、上扣、卸扣等操作，显著降低了其设计、加工制造、运行控制等环节的复杂度，提高整个系统的可靠性，并节约了设备成本。

为了减轻减速器中齿轮、轴承的磨损，延长整个动力水龙头的工作寿命，可以进一步在减速器的润滑管路中安装压力传感器以及温度传感器，以便能够对减速器油温和循环油泵的压力进行实时监测。为了能够及时发现减速器的异常工作状态，所述压力传感器和温度传感器应当连接报警装置。

为了能够准确计算系统的输出转速和扭矩，可以进一步在液压马达上安装压力传感器和速度传感器，以便于实时监控系统工作状态并可以随时对其进行调整。

请参考图6和图7，图6为本发明所述动力水龙头减速器内部传动齿轮的齿形示意图；图7为本发明所述动力水龙头减速器内部传动齿轮的齿向示意图。

为了增加减速器中传动齿轮的扭矩传递能力，并降低减速器的工作噪音，可以对减速器的传动齿轮进行齿形修正和齿向修正。

通常情况下轮齿两侧边被加工为渐开线曲线形，比如图6中的渐开线281。所谓齿形修形，即在齿轮齿形精加工时将轮齿顶部去除适当的部分。图6中曲线282表示经齿形修形后轮齿的轮廓线，显然，曲线281、曲线282以及轮齿顶部轮廓线283所围成的部分即是齿形修形过程中所去除的部分。

所去除的只是一个很微小的部分，被去除的部分在轮齿顶部的宽度通常仅有0.3毫米左右，一般不超过0.5毫米。

也可以进一步在齿轮轮齿的有效渐开线281的底部(附图标记284所指位置)同时进行所述齿形修形。

采用齿形修形后，轮齿之间可以避免从其顶部轮廓线283与渐开线281所形成的尖角部位开始接触，显著降低了齿轮啮合时接触应力，提高了齿轮的使用强度，延长了其使用寿命，同时也降低了齿轮的安装要求。此外，减速器的工作噪声也得到显著降低。

本发明所提供的动力水龙头减速器内部的齿轮均可以采用齿形修形。

通常情况下轮齿2的顶部为矩形平面，齿向修形就是在齿轮齿形精加工时将轮齿两端部部分去除。图中直线291、292分别为所述矩形平面相邻两边的轮廓线，直线293为齿向修形后增加的侧边的轮廓线，显然，三者所围成的范围即为齿向修行过程中所去除的部分。与齿形修形相同，齿向修形的去除量也比较为微小，通常不超过0.5毫米。

经过齿向修形，避免了齿轮之间从齿轮的端面开始相互接触，显著降低了齿轮啮合时接触应力，提高了齿轮的使用强度，延长了其使用寿命，同时也降低了齿轮的安装要求。此外，减速器的工作噪声也得到显著降低。

本实用新型液压顶驱减速器内部主动齿轮均采用齿向修形。

以上对本发明所提供的进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1、一种动力水龙头，用于钻井设备的顶部驱动装置，包括马达和减速器，所述减速器的输入齿轮轴由所述马达驱动，所述减速器的输出齿轮轴驱动所述钻井设备的钻杆，其特征在于，所述马达为径向柱塞液压马达。

2、如权利要求1所述的动力水龙头，其特征在于，所述径向柱塞液压马达的数目为两台。

3、如权利要求2所述的动力水龙头，其特征在于，取消了增扭装置。

4、如权利要求3所述的动力水龙头，其特征在于，所述减速器采用两组二级传动。

5、如权利要求4所述的动力水龙头，其特征在于，所述减速器传动比的范围为5.0至8.0。

6、如权利要求5所述的动力水龙头，其特征在于，所述减速器传动比的范围为6.9至7.0。

7、如权利要求1所述的动力水龙头，其特征在于，所述减速器的润滑管路中设有压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器分别连接警报装置。

8、如权利要求1所述的动力水龙头，其特征在于，所述径向柱塞液压马达包括压力传感器和转速传感器。

9、如权利要求1至8任一项所述的动力水龙头，其特征在于，所述减速器的传动齿轮经过齿形修形。

10、如权利要求1至8任一项所述的动力水龙头，其特征在于，所述减速器的传动齿轮经过齿向修形。

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