CN103643890B - 顶部驱动设备 - Google Patents

Abstract

本发明专利属于能源钻井的一种顶部驱动设备。包括动力传动设备，所述动力传动设备包括交流变频电动机和行星减速机；所述交流变频电动机包括输出轴；所述行星减速机包括太阳轮轴和行星架输出轴，其特征是：所述行星减速机位于所述交流变频电动机的下端；所述行星减速机的太阳轮轴安装在所述交流变频电动机的输出轴下端；所述交流变频电动机的输出轴、所述行星减速机的输入轴和所述行星架输出轴均为完全贯通的空心轴，三者轴心线同轴，所述中心管安装在三者空心内，且同轴；所述中心管外侧面设有EXT外花键；所述行星架输出轴上设有与所述中心管外侧面的EXT外花键相配合的INT内花键；所述中心管通过所述EXT外花键和所述星架输出轴带的INT内花键配对安装。

Description

顶部驱动设备

技术领域

本发明专利涉及石油、天然气、液岩气开采钻井中的一种驱动设备，尤其涉及钻机顶部驱动钻井设备，并为钻井的钻具提供旋转动力。

背景技术

顶部驱动设备为钻井中的钻杆提供旋转动力，它可从井架上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨作上下移动，向下下放钻具或向上提升钻具。向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。顶部驱动主要组成部分是动力驱动装置(包括电机、减速机)、自动旋塞阀开关装置、背钳管子处理装置、导轨等。对于不同的地质结构、不同的钻具钻井时，动力驱动可提供不同的扭矩和转速；不需要泥浆或遇到高压井喷时，自动旋塞阀自动关断中心管的泥浆通道；钻井过程中，钻具的螺纹旋紧或旋松是由背钳管子处理装置夹紧，由动力驱动装置旋转来完成的。

现有的顶部驱动主要包括动力驱动装置(有的没有减速机、有的采用边缘啮合的减速机)、中心管、旋塞阀关断装置、背钳管子处理装置等。

然而，在实际使用中发现，顶部驱动设备的体积很大，安装它之前，先要到井队对钻机的二层台进行重新测绘、而后重新设计、制作、再到井队现场改造安装二层台，工作量极大，否则安装不上；旋塞阀使用一段时间后，关断和打开的力增大很多，开关过程中有时圆柱滚轮会从上盖板上滑出、圆柱滚轮的轴断裂，有时还将上盖板损坏；背钳使用后，锈蚀或弄脏后，背钳与中心管不垂直，严重影响钻具的螺纹旋紧和旋松，背钳不能上下移动，只能通过专用工具才能对自动旋塞阀、手动旋塞阀、保护接头、钻具等的螺纹旋紧和旋松提供夹紧；对背钳内的钳牙、钳牙座维护十分不便。

发明内容

本发明专利的发明目的在于：针对现有技术存在的上述问题，提供一种设备体积小，在钻机二层台不经过任何改造的前提下，可直接应用于各种钻机上的顶部驱动设备；进一步地，提供一种自动旋塞阀装置能有效、可靠进行开、关的顶部驱动设备。本发明专利的另一发明目的还在于提供一种背钳管子处理装置水平位置可调、背钳管子处理装置可上下移动的顶部驱动装置；进一步地，提供一种对背钳内的钳牙、钳牙座维护方便的顶部驱动装置。

一种顶部驱动设备，主要包括为钻井提供动力驱动的交流变频电动机、输入轴和输出轴中空完全贯通的行星减速机、中心管、自动旋塞阀开关装置、背钳水平调节、背钳上下移动、钳口打开装置。所述交流变频电动机输出轴的下端部上的EXT外花键与具有INT内花键的行星减速机的太阳轮轴同轴配对连接后，一起装配到交流变频电动机下端盖内的轴承内圈里，这样具有内花键的行星减速机的太阳轮轴也成为交流变频电动机主轴的一部分，这样解决了在空间受限又满足使用的条件下，太阳轮因磨损、断齿的情况下能够更换太阳轮轴；

所述行星减速机的内齿圈上端面带矩形法兰，矩形四个角各有1～20个通孔，用螺栓与电机下端面四个角上的1～20个螺纹孔紧固连接。

所述交流变频电动机的空心主轴、行星减速机的太阳轮的轮轴和行星架输出轴均为完全贯通的空心轴，空心直径在Φ85～Φ300mm之间，传动比在1.5～16之间，所述行星架输出轴上的INT内花键与中心管上的EXT外花键配对连接，行星架输出轴的外圆安装在行星减速机下端盖的下端面装有轴承的内圈里。

所述交流变频电动机的空心主轴、行星减速机的太阳轮空心轴、行星架输出空心轴位于同一条中心线，中心管安装在空心内，且同轴。

所述自动旋塞阀开关装置包括两个相同尺寸的腰鼓形滚轮和上滚道圆板、下滚道圆板，腰鼓形滚轮的形状为中间大，两头小，经过轴线截面的母线为弧线，两腰鼓形滚轮呈对称分布安装，上滚道圆板、下滚道圆板的内侧端面靠近外圆处分别有一个环形滚道，环形滚道母线的弧线的曲率半径大于或等于腰鼓形滚轮弧线的曲率半径。

所述两个腰鼓形滚轮在缸的活塞杆缩回过程中向上做直线运动时，腰鼓形滚轮与上滚道贴合，通过上滚道圆板带动自动旋塞阀上安装的手柄摆动，两个腰鼓形滚轮在缸的活塞杆伸出过程中向下做直线运动时，腰鼓形滚轮与下滚道贴合，通过下滚道圆板带动自动旋塞阀上安装的手柄摆动，从而达到自动旋塞阀的可靠开通或关闭。

所述背钳装置还包括左钳口缸体、右钳口体、调节销轴、弹簧座等，左钳口缸体通过四组调节螺栓与弹簧座连接后铰接在立柱上，左钳口缸体两侧各装有两组调节螺栓，每个调节螺栓的下半部安装有1～20片碟簧和弹簧，上半部安装弹簧，上下两根弹簧被左钳口缸体隔开，所述的碟簧用于支撑左钳口缸体和右钳口体及上面装配的其它件，左钳口缸体的两侧的四组调节螺栓可调节弹簧的松紧程度，从而使背钳的姿态保持水平。

所述弹簧座上还包括调节销轴，矩形立柱上还包括5个销孔；取下调节销轴，将左钳口缸体、右钳口体和弹簧座一起沿矩形立柱上下移动，分别至5个销孔处，插入调节销轴后，便调整了背钳在竖直方向的高度，背钳位于上方的4个销孔的高度，可分别为自动旋塞阀、手动旋塞阀、保护接头、钻具等的螺纹旋紧和旋松提供夹紧，省去了专用夹紧工具，达到了方便快捷，背钳位于最下方1个销孔的高度时，取出矩形立柱上方从上往下数第二个螺栓销轴后，背钳、矩形立柱、弹簧座一起可绕矩形立柱最上部的铰链顺时针方向旋转0～30度，用于顶驱的维护。

所述左钳口缸体、右钳口体之间还包括两个活页销轴，取下其中的一个活页销轴，右钳口体便可绕另一个活页销轴转动0～90度，使右钳口体相对左钳口缸体转开，此时方便对钳牙、钳牙座等进行维护。

上述顶部驱动设备通过设计、使用输入、输出轴中空完全贯通的行星减速机，实现了管内通有泥浆或气体的中心管从行星减速机和交流变频电动机的通孔穿过，在行星减速机传递相等功率的前提下，获得了比外啮合传动的减速机更小的体积，同时由于减速机的增扭矩特性，在保持减速机输出扭矩和功率相同的前提下，有效地减小了电机和减速机的体积，同时也比边缘传动减速机的体积更小，从而可以在钻机二层台较狭窄的钻机上，二层台不经过任何改造，就能够将顶部驱动设备直接用于各种钻机上；自动旋塞阀装置能有效、可靠地进行开或关；通过左钳口缸体两侧上的四组调节螺栓调节弹簧的松紧程度，从而使背钳的姿态始终保持水平；背钳向上、向下移动，方便快捷地为螺纹进行旋紧或旋松提供夹紧或顺时针转动0～30度；右钳口体相对左钳口缸体能够转开，此时方便对钳牙、钳牙座、密封件等进行维护。

附图说明

图1为顶部驱动设备的轴侧图；

图2为顶部驱动设备的主视图；

图3为顶部驱动设备的右视图；

图4为图2的A-A剖视图；

图5为图4的B-B剖视图；

图6为本发明专利的零部件图(行星减速机爆炸图示意图)；

图7为本发明专利的零部件图(背钳管子处理装置轴视图)；

图8为图2的C-C剖视图(背钳管子处理装置左钳口缸体及弹簧座剖视图一)；

图9为图2的D-D剖视图(背钳管子处理装置左钳口缸体及弹簧座剖视图二)；

图10为本发明专利的零部件图(自动旋塞阀开关装置轴视图)；

图11为本发明专利的零部件图(自动旋塞阀开关装置俯视图)；

图12为图11的E-E剖视图；

图13为图12的局部放大图F；

图14为自动旋塞阀开关装置爆炸图示意图。

附图标记：

1-交流变频电机，2-电机下端盖，3-行星减速机，4-自动旋塞阀开关装置，5-矩形立柱，6-背钳管子处理装置，7-中心管，8-电机输出轴，9-行星减速机的输入轴，10-轴承，11-行星减速机的内齿圈，12-行星减速机下端盖，13-行星架输出轴，14-轴承，15-推力轴承，16-左钳口缸体，17-碟簧，18-弹簧，19-弹簧，20-螺栓，21-弹簧座，22-调节螺母，23-弹簧组件，24-弹簧组件，25-右钳口体，26-活页销轴，27-弹簧组件，28-弹簧组件，29-活页销，30-调节销轴，31-钳牙座，32-钳牙，33-自动旋塞阀，34-下滚道圆板，35-腰鼓形滚轮，36-上滚道圆板，37-腰鼓形滚轮，38-环形滚道，39-环形滚道，40-箱体。

具体实施方式

如图1所示。顶部驱动包括动力传动的交流变频电机1和输入、输出轴中间均中空(完全贯通)的行星减速机3；中心管7；自动旋塞阀开、关装置4；背钳管子处理装置6。

交流变频电机1为钻井的钻具提供旋转动力，图4中电机输出轴8为中间完全贯通的中空轴，电机输出轴8的下端带EXT外花键。

行星减速机3的输入轴9，输入轴9为中间完全贯通的中空轴，输入轴9的上端带INT内花键，输入轴9的下端带外啮合的齿轮，外啮合的齿轮作为太阳轮。

所述交流变频电机1电机输出轴8下端的EXT外花键与行星减速机的输入轴9上端带INT内花键成对配合装配，输入轴9的轴肩与电机输出轴8的轴肩贴合，一起装入轴承10的内圈孔内，之后一起装在电机下端盖2上，输入轴9既是电机轴的一部分，又是行星减速机的输入轴。

行星减速机的内齿圈11的上端带矩形法兰，矩形法兰的四个角上各有1～20个通孔，用螺栓与电机下端盖2上四个角处的1～20个螺孔相连接，行星减速机下端盖12的上法兰上有至少4个沉孔(贯通)，呈圆周分布，用螺栓与内齿圈11上的螺孔相连接；行星减速机下端盖12的下法兰上有至少4个沉孔(贯通)，呈圆周分布，用螺栓与箱体40上端面上的螺孔相连接。

行星架输出轴13为中间完全贯通的中空轴，轴内带INT内花键。

电机输出轴8、行星减速机的输入轴9、行星架输出轴13三者中间完全贯通的中空直径在Φ85～Φ300mm之间，行星传动的传动比在1.5～16之间，并且电机轴线与行星减速机的重合，只有一级空心行星传动。

行星减速机下端盖12的下端面装有轴承14，同时用来扶正行星架输出轴13和中心管7，并限定中心管7向上的移动。

中心管7安装在电机输出轴8、行星减速机的输入轴9、行星架输出轴13、轴承14四者的中空内，并且轴线均重合，中心管7上带EXT外花键与行星架输出轴13上的INT内花键成对配合装配，中心管7由箱体40内的推力轴承15支撑。

交流变频电机1、中空(贯通)轴行星减速机3、中心管7一起构成顶部驱动设备的动力传动，中空(贯通)轴行星减速机3的设计引入大大减小了交流变频电机1的体积和顶部驱动设备的整体体积。

所述背钳装置6，包括图7中的矩形立柱5、调节销轴30、钳牙32、钳牙座31、图8中的弹簧座21、左钳口缸体16、右钳口体25、活页销26、图9中的活页销29。

所述弹簧座21、左钳口缸体16上还包括四组弹簧组件，分别是23、24、和(图9中的)27、28，四组完全相同，只是安装位置不同，每组弹簧组件上包括螺栓20、下半部安装有1～20片碟簧17和弹簧18，上半部安装弹簧19，上下两根弹簧被左钳口缸体隔开，调节螺母22，所述的碟簧17用于支撑左钳口缸体16和右钳口体25及上面装配的其它件，左钳口缸体16的两侧的四组调节螺栓23、24、27、28组件可调节弹簧的松紧程度，从而使背钳的整体姿态保持水平。

所述弹簧座21上还包括调节销轴30，矩形立柱5上还包括5个销孔a、b、c、d、e；取下调节销轴30，将左钳口缸体16、右钳口体25和弹簧座21一起沿矩形立柱5上下移动，分别移至5个销孔a、b、c、d、e处，插入调节销轴30后，便调整了背钳在竖直方向的高度，背钳在4个销孔a、b、c、d的高度处，分别为自动旋塞阀、手动旋塞阀、保护接头、钻具等的螺纹旋紧和旋松提供夹紧，即省去了专用夹紧工具，又达到了方便、快捷；背钳在销孔e的高度处，取出矩形立柱上方从上往下数第二个螺栓销轴后，背钳、矩形立柱5、弹簧座21一起可绕矩形立柱5最上部的铰链顺时针方向旋转30度，用于顶驱的维护。

所述左钳口缸体16、右钳口体25之间还包括活页销轴26和活页销轴29，取下活页销轴26或活页销轴29中的任一个，右钳口体25便可绕另一个活页销轴转动0～90度，使右钳口体25相对左钳口缸体16转开，此时方便对钳牙32、钳牙座31等进行维护。

所述自动旋塞阀开关装置图12包括两个相同尺寸的腰鼓形滚轮35、37和上滚道圆板36、下滚道圆板34，腰鼓形滚轮35、37的形状为中间大，两头小，经过轴线截面的母线为弧线，两腰鼓形滚轮35、37呈对称分布安装，上滚道圆板36、下滚道圆板34的内侧端面靠近外圆处分别有一个环形滚道38、39，环形滚道38、39母线的弧线的曲率半径大于或等于腰鼓形滚轮35、37弧线的曲率半径。

所述两个腰鼓形滚轮35、37在缸的活塞杆缩回过程中向上做直线运动时，腰鼓形滚轮35、37与上滚道38贴合，通过上滚道圆板36带动自动旋塞阀33上安装的手柄摆动，两个腰鼓形滚轮35、37在缸的活塞杆伸出过程中向下做直线运动时，腰鼓形滚轮35、37与下滚道39贴合，通过下滚道圆板34带动自动旋塞阀33上安装的手柄摆动，从而达到自动旋塞阀33的可靠开通或关闭。

Claims (8)

1.一种顶部驱动设备，包括动力传动设备，所述动力传动设备包括交流变频电动机和行星减速机；所述交流变频电动机包括输出轴；所述行星减速机包括太阳轮轴和行星架输出轴，其特征在于：

所述行星减速机位于所述交流变频电动机的下端；

所述行星减速机的太阳轮轴安装在所述交流变频电动机的输出轴下端；

所述交流变频电动机的输出轴、所述行星减速机的输入轴和所述行星架输出轴均为完全贯通的空心轴，所述空心轴内安装有中心管；所述交流变频电动机的输出轴、所述行星减速机的输入轴和所述行星架输出轴和所述中心管的轴心线位于同一条中心线；

所述中心管外侧面设有EXT外花键；所述行星架输出轴上设有与所述中心管外侧面的EXT外花键相配合的INT内花键；所述中心管的EXT外花键和行星架输出轴的INT内花键配合安装。

2.根据权利要求1所述的顶部驱动设备，其特征在于：

所述交流变频电动机的输出轴的下端部设有EXT外花键；所述行星减速机输入轴的上端带INT内花键，所述行星减速机输入轴的下端带外啮合的齿轮，所述外啮合的齿轮为所述行星减速机的太阳轮；

所述行星减速机输入轴上端的INT内花键与所述交流变频电动机的输出轴下端的EXT外花键同轴配对联接后，一起装配到交流变频电动机下端部轴承内圈里，这样具有INT内花键的行星减速机的太阳轮轴既是交流变频电动机主轴的一部分，又是行星减速机的输入轴。

3.如权利要求1所述的顶部驱动设备，其特征在于：

所述行星减速机还包括内齿圈，所述行星减速机的内齿圈上端面带矩形法兰，矩形法兰四个角各有1～20个通孔；

所述交流变频电动机下端面四个角上设有与所述矩形法兰上的所述通孔对应的1～20个螺纹孔，螺栓穿过所述通孔安装在所述螺纹孔内，将所述矩形法兰与所述交流变频电动机下端盖紧固联接。

4.如权利要求1所述的顶部驱动设备，其特征在于：

所述交流变频电动机的输出轴、所述行星减速机的输入轴和所述行星架输出轴均为完全贯通的空心轴，所述空心轴内安装有中心管，且四者的轴心线位于同一条中心线；

所述行星减速机的传动比在1.5～16之间；

所述行星架输出轴的外圆安装在行星减速机下端盖的下端面装有轴承的内圈里；中心管由安装在箱体内的推力轴承支撑。

5.如权利要求1所述的顶部驱动设备，其特征在于：

所述顶部驱动设备还包括自动旋塞阀开关装置，所述自动旋塞阀开关装置包括两个相同尺寸的腰鼓形滚轮和上滚道圆板、下滚道圆板，所述腰鼓形滚轮的形状为中间大，两头小，经过轴线截面的母线为弧线；

所述上滚道圆板和所述下滚道圆板固定套接在所述自动旋塞阀上；所述上滚道圆板和所述下滚道圆板的内侧端面靠近外圆处分别有一个环形滚道，环形滚道母线的弧线的曲率半径大于或等于腰鼓形滚轮弧线的曲率半径，所述腰鼓形滚轮位于所述环形滚道内且关于自动旋塞阀中心线呈对称分布安装。

6.如权利要求1所述的顶部驱动设备，其特征在于：

所述顶部驱动设备还包括背钳管子处理装置，所述背钳管子处理装置包括左钳口缸体、右钳口体、调节销轴、弹簧座和矩形立柱；

所述左钳口缸体和所述右钳口体由两个活页销轴连接；

所述左钳口缸体通过四组调节螺栓与所述弹簧座联结后铰接在矩形立柱上，所述左钳口缸体两侧各装有两组调节螺栓，每个调节螺栓的下半部安装有1～20片碟簧和弹簧，上半部安装弹簧，两个弹簧由左钳口缸体隔开，所述的碟簧用于支撑左钳口缸体和右钳口体及上面装配的其它件，左钳口缸体的两侧的四组调节螺栓可分别调节与其对应的弹簧的松紧程度。

7.如权利要求5所述的顶部驱动设备，其特征在于：

弹簧座上还包括调节销轴，矩形立柱上还包括5个销孔；取下调节销轴，将左钳口缸体、右钳口体和弹簧座一起沿矩形立柱上下移动，分别至5个销孔处，插入调节销轴后，便调整了背钳在竖直方向的高度，背钳位于上方的4个销孔的高度，可分别为自动旋塞阀、手动旋塞阀、保护接头、钻具的螺纹旋紧和旋松提供夹紧，背钳位于最下方1个销孔的高度时，取出矩形立柱上方从上往下数第二个螺栓销轴后，背钳、矩形立柱、弹簧座一起可绕矩形立柱最上部的铰链顺时针方向旋转0～30度，用于顶驱的维护。

8.如权利要求5或6所述的顶部驱动设备，其特征在于：左钳口缸体、右钳口体之间还包括两个活页销轴，取下其中的一个活页销轴，右钳口体便可绕另一个活页销轴转动0～90度，使右钳口体相对左钳口缸体转开。