顶驱装置主体结构——动力水龙头

动力水龙头是顶驱装置的主体部件之一，其上部与钻机提升系统的游车或大钩连接，下部与管子处理装置相连。在钻井作业时为钻柱旋转钻进和上卸扣提供旋转动力，是钻井动力的来源，同时用来承受起下钻载荷、钻井载荷以及钻井扭矩。其主要结构和功能包括∶

（1）动力机，为钻井提供旋转动力。一般来说由于电驱动顶驱装置可靠性高、易维护，250tf以上的顶驱装置采用直流电动机或交流变频电动机驱动的较多。而250tf以下的顶驱装置多采用一个或多个液压马达驱动，这样可以将整个装置的体积控制在较小的范围内，对于小型钻机、车载钻机、修井机而言，这是较好的驱动方式。

（2）提升部件，包括提环、吊环等，需承受顶驱装置的额定载荷。

（3）减速箱，主要作用是将动力机的高速旋转转化为主轴的低速旋转，满足钻井工况对转速、扭矩的要求。但也可采用低速动力机（空心电动机或空心液压马达）直接驱动主轴，如DQ30Y就是采用空心马达通过键直接与主轴相连，这种传动结构简单、使用维护方便、制造成本低。

典型的电驱动顶驱装置动力水龙头由提环总成与平衡系统、电动机总成和减速箱总成等组成，如图1所示。

（图1 动力水龙头）

一、提环总成与平衡系统

1、提环总成

提环在顶驱装置中是非常重要的承载部件，顶驱装置和管柱的总体重量都由其承担。各型号的提环设计虽有所不同，但都是下部与箱体相连，上部挂在游车或大钩上。

典型的提环与大钩的连接如图2所示，该结构的提环为整体式提环，即整个提环是一体式设计，结构简单，安全可靠。提环下部开口处装于箱体两侧，上部弧顶R与大钩相连。国产的顶驱装置大多采用这种结构，由于受制造因素影响，在加工工艺方面大多采用整根锻造，也可直接采用铸件。还有部分型号的顶驱装置提环弧顶R处采用焊接或销连接的方式。

（图2 提环挂大钩示意图）

另一种用于顶驱装置上的提环，称之为分体式提环，如图3所示，结构类似于常规吊环，安装时常与特制的提升系统连接。

（图3 分体式提环）

在提环设计过程中，其下端的开口尺寸通常受箱体的宽度限制，在满足设计强度的前提下，应尽量降低提环高度，以减小顶驱装置的工作高度，但应注意，为保证提环与提升系统的连接，其接口尺寸（包括上部的弯曲半径、接触面圆弧半径、连接处下平面距其垂直下方零部件上平面的距离等）应能同时满足与同系列游车或大钩的连接，符合相关标准要求，避免现场不匹配现象发生。

提环与大钩的连接应按图4所示，满足表2-1的要求。

（图4 提环与大钩的连接）

表1：提环与大钩的连接尺寸

名义钻井深度m	额定载荷 kN （tf）	提环与大钩接触表面的半径mm		其他连接尺寸（推荐） mm
		E2 max	F2 min	d2 max	e2 min
2000	1350 （150）	57.15	114.30	130	470
3000	1700 （190）	63.50	114.30	165	530
4000	2250 （250）	63.50	114.30	165	530
5000	3150 （350）	69.85	114.30	170	580
7000	4500 （500）	82.55	114.30	180	620
9000	6750 （750）	101.60	114.30	—	—
12000	9000 （1000）	127.00	127.00	—	—

提环与游车的连接应按图5所示，满足表2的要求。

（图5 提环与游车的连接）

表2：提环与游车的连接尺寸

名义钻井深度m	额定载荷 kN （tf）	提环与游车接触表面的半径mm		其他连接尺寸（推荐） mm
		A2 min	d2 max	a2 min	c2 max
2000	1350 （150）	69.85	76.20	310	190
3000	1700 （190）	101.60	76.20	350	250
4000	2250 （250）	101.60	76.20	350	250
5000	3150 （350）	101.60	76.20	350	280
7000	4500 （500）	101.60	82.55	385	320
9000	6750 （750）	152.40	82.55	—	—
12000	9000 （1000）	152.40	152.4	—	—

2、平衡系统

大多数顶驱装置都装有平衡系统，它通常由平衡油缸、蓄能器及相应的液压控制阀组构成。主要作用有两个∶一是在上卸扣时平衡顶驱装置本体（或顶驱装置本体与一个立根）的重量，保护螺纹在上卸扣过程中不至于磨损，尤其在卸扣时可帮助上端螺纹从下端螺纹中弹出;二是在钻井过程中，作为液压弹簧为系统提供了一个减振冲程，具有缓冲功能，避免提环与大钩或游车的刚性连接，减小冲击载荷对提环等的影响。

平衡油缸是平衡系统重要的悬重件，如图6（单个平衡油缸）、图7 （双平衡油缸）、图8（双平衡油缸）所示。

（图6 单个平衡油缸的平衡系统）

（图7 双平衡油缸与大钩吊耳连接图）

（图8 双平衡油缸与游车连接图）

平衡油缸下部固定在提环或其他部位，上端与钻机提升系统连接，调试时可通过调节系统中减压阀的压力，使平衡油缸的提升力F与顶驱装置本体（或顶驱装置本体与一个立根）的重量G₁相平衡，即F₁=G₁，此时提环与提升系统会分开一小段距离，锁定减压阀压力。上扣过程中，由于钻柱接头螺纹连接，相当于对顶驱装置本体突然施加了向下的轴向力F₂，此时F₂+G₁>F₁，打破了原有的平衡状态，整个顶驱装置被下拉，提环与提升系统接触，大部分轴向力不再由平衡油缸承受，而是作用在提环上。卸扣过程中，当钻柱接头螺纹突然松开时，轴向力F₂消失，顶驱装置本体（或顶驱装置本体与一个立根）的重量G₁又与平衡油缸提升力F₁平衡，平衡油缸再次起作用，提环与提升系统分开，通常称之为顶驱装置'上跳'。

平衡系统的平衡效果与液压系统功能和压力设置有密切关系。

图6为安装单个平衡油缸的连接示意图，大钩或游车直接装入即可实现平衡系统功能。

双平衡油缸同时作用的平衡系统与钻机提升系统之间的连接方式通常有两种∶一是直接与大钩吊耳相连（如图7所示），此时平衡油缸带有连接环，安装时只需将连接环挂在大钩两侧的吊耳上即可，连接环开口尺寸应足够大，满足不同规格的大钩吊耳尺寸;二是考虑安全高度，某些钻机会拆掉大钩，平衡系统直接与游车相连（如图8所示），此时平衡油缸不带连接环，而是通过销子直接安装在平衡油缸悬挂梁上，安装时只要将提环和平衡油缸悬挂梁直接装入游车即可实现平衡系统功能。由于顶驱装置在井架内部高空浮动作业，平衡油缸除了承受轴向拉力外，在空中仍然会有摆动的趋势与动作，若采用平衡油缸悬挂梁这种连接方式，应注意保证其连接销的前后左右摆动的自由度，改善平衡油缸该处的受力情况。

二、电机总成

目前使用的顶驱装置多采用交流变频电动机作为动力机，以单电动机布置和双电动机布置为主。

单电动机布置方式通常将电动机放在左后侧，经二级齿轮减速，将动力传递给主轴，右后侧布置滑车、导轨或控制单元等，如图9所示为DQ50BC 顶驱装置的电动机布置。还有将单电动机布置在主轴前侧的情况，如图10所示。若采用空心轴电动机直接驱动主轴，将电动机置于中心也是可行的，如图11所示。

                

（图9 单电动机左后侧布置）   （图10 单电动机前侧布置）

             

（图11 单电动机居中布置）  （图12 双电动机后侧对称布置）

                    

双电动机布置方式通常是将电动机安装在主轴后侧，对称布置，经二级齿轮减速传递动力给主轴，以DQ70BSC 顶驱装置最具代表性，如图12所示。

无论是电动机左后侧、前侧或后侧对称布置，都会面临一个问题∶整个顶驱装置在装有电动机的一侧偏重，而提升用的提环均装在中心，它所带来的主要问题就是主通道偏斜，对于主轴偏磨及受力、导轨受力等均有不良影响，设计时应予以充分考虑。

为保证电动机的正常运行及钻井工况要求，电动机总成均需由主电动机、冷却风机、刹车装置、编码器等组成。

1、主电动机

顶驱装置的作业区域根据SY/T10041—2002《石油设施电气设备安装一级一类和二类区域划分的推荐作法》，划分为非危险区域（二类区域），但为了保证安全，在设计时可以按危险区域考虑。对于主电动机来说，应有相应的绝缘、防爆等要求。另外鉴于顶驱装置的工作环境属野外露天、钻井震动冲击大，主电动机还应具备相应的防尘、防水、防震要求，出线方式等还应考虑到安装问题。

常见的顶驱装置主电动机采用的都是交流变频电动机，通过大功率的交流变频控制系统实现无级调速。交流变频电动机的主要优点是启动力矩大，可以连续堵转，通常具有150%的过载能力，相对应的控制系统等较成熟，易于使用和维护。

主电动机的机座外壳要求强度大，可承受振动和冲击;轴承必须有较高的使用寿命，并便于润滑；内部应装温度传感器（例如PTI00热敏电阻），用于监测电动机的温升，对电动机加以保护；还应装加热器，在通电后可对电动机内部进行加热，尤其在寒冷地带，顶驱装置作业前必须先对主电动机进行加热，再开机运行。

主电动机采用立式安装方式，一般要求为双输出轴结构。驱动端连接传动齿轮以传递扭矩，也可以带动液压泵给减速箱润滑系统供油。非驱动端联接刹车装置及编码器，以便在特定的情况下刹住主轴及得到精确的转速信息。

2 冷却风机

电动机的冷却方式通常有水冷和风冷两种。顶驱装置在井架内部需上下运动，水冷要求水管连接及独立的水冷却循环系统，较复杂，因此目前顶驱装置均采用的多是冷却风机风冷。冷却风机的电源及控制信号均可通过控制电缆或光纤给出，较易实现。

冷却风机一般采用离心式结构，由交流异步电动机驱动，可安装于主电动机的上部或侧面。图13为冷却风机在主电动机上部安装时的结构及气体流动方向示意图。风机启动后，风自吸风口吸入，流经叶轮叶片构成的流道间（简称叶道），经蜗壳将叶轮甩出的气体集中、导流，从出风管道进入主电动机内部，由主电动机下部的出风口排出，从而实现对主电动机的冷却。离心式风机的通风量主要受管网阻力、风机转速、叶轮规格尺寸等影响，设计时为使主电动机在限定的温度范围内安全运行，确保整个顶驱装置的正常作业，应充分考虑如何进一步提高通风量，避免主电动机散热不充分导致其内部温升较快，监控系统报警，甚至于不得不停机的情况发生。

（图13 主电动机和冷却风机）

为了避免冷却风机故障导致失风引起主电动机过热，一般在冷却风机的出风管道上安装风压检测装置，如风压开关等。当冷却风机出现故障导致风压下降时，风压开关会给出报警信号，通过PLC程序对顶驱装置进行操作控制。

3、刹车装置

刹车装置的主要作用是在顶驱装置停止运行或使用井下动力钻具钻井时刹住主轴，以及主电动机的快速制动和防止钻柱井下反扭矩引起的主电动机反转。通常安装在主电动机的非驱动端，通过在输出轴上安装刹车毂及刹车盘，采用液压盘式刹车实现对电动机轴的制动。

（图14 刹车装置及盘式刹车）

DQ70OBSC用盘式刹车结构如图14所示。刹车油缸单腔进油，推动摩擦片对刹车盘施以夹紧力，其制动能量与施加的压力成正比，并与刹车力矩有关。当摩擦片需要松开时，进油口卸压，刹车体上的两个复位弹簧施力，使刹车油缸复位。安装时应注意使刹车盘上下表面距摩擦片高度一致，否则易产生制动失效，而刹车摩擦片的磨损量是通过增加刹车油缸的行程来自动补偿的。

刹车装置应结构紧凑，体积小，重量轻，易于检查和维护。

4、编码器总成

主电动机的非驱动端一般还安装有测速编码器，作用是能够精确地获得主电动机的转速信号，使交流变频控制系统能对主电动机进行进一步的转速、扭矩控制。编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置，按照工作原理可分为增量式和绝对式两类，DQ70BSC选用的是增量式光电编码器。

三、减速箱总成

当动力机的转速较高，不能直接满足钻井作业的需求时，就要经过减速机构在降低其转速的同时增大扭矩，达到驱动钻柱旋转钻进的目的。对于顶驱装置，减速箱兼有承受管柱载荷和传递钻井动力两大功能，是顶驱装置中非常重要的部件。

1、箱体结构

减速箱外部通常留有与提环、滑车、主电动机等部件的接口，内部主要有传动机构及轴承等。顶驱装置减速箱的传动机构要求传递扭矩大，通常采用渐开线圆柱齿轮，其主要优点是∶传动效率高；对中心距敏感性小，即互换性好；装配和维修方便等。在早期生产的顶驱装置中也有采用空心直流电动机通过行星齿轮机构传动的，这种结构运转平稳、结构紧凑，但制造成本较高，主要零部件加工精度要求高，目前大多数顶驱装置已不采用此种方式。

图15为DQ70BSC减速箱内部结构示意图。主轴通过推力轴承作用在箱体下部，上部与齿轮相连，主轴上部一般还配置有防跳轴承，防止跳钻对系统的损坏，下部通常还会设计有扶正轴承。对各主要部件的要求是∶箱盖及上轴承盖应有足够的刚度；推力轴承要承担钻井时轴向载荷，要求性能好，使用寿命长；齿轮要求传递扭矩大，噪音低，能够适应电动机崩扣时的大扭矩;密封机构应可靠、耐用，防止钻井液等进入箱体内部，造成齿轮或轴承磨损失效。

（图15 减速箱内部结构示意图）

DQ70BSC采用的双负荷通道，主轴承（推力轴承）只承受钻井时的轴向载荷，而对于单负荷通道的顶驱装置来说，主轴承还要承受起下钻时的提升载荷。

2、润滑系统

减速箱箱体内部是一个封闭的空间，顶驱装置作业时，需要对齿轮和轴承等进行润滑及冷却，保证其正常运行。最常见的用于顶驱装置减速箱的润滑方法是喷射润滑，可以通过油泵加压来实现。油泵可由主电动机输出轴驱动、单独的电动机或马达驱动，前者结构简单，但在低转速大扭矩的情况下，如果油泵压力不足，容易造成喷射效果不良;后者需单独配置一个电动机或马达，体积大，但转速恒定，油泵压力足，不受主电动机转速影响，各种工况下均能为系统提供充足的润滑。

图16是减速箱的典型润滑系统示意图。工作时由电动机带动齿轮泵，从油箱吸油，润滑油经吸油管、齿轮泵、滤油器、流量开关、三通球阀散热器，再喷射到箱体内各轴承及齿轮啮合处，起到润滑和冷却作用，最后流回油箱，如此不断循环。在一些地区或特定条件下，当不需要对润滑油进行冷却时，可将三通球阀旋至另一位置，这样润滑油不经散热器直接进入箱体喷射到各润滑点上。

（图16 减速箱润滑系统示意图）

润滑系统如果润滑不充分将会导致箱体内齿轮或轴承磨损，严重时造成机械传动失效，因此在管路中需装有必要的传感器，用以检测油压、油温等参数，传输给控制中心，再通过PLC程序对顶驱装置进行操作控制。

减速箱外侧还应装有液位计，定期观察油位高度。油位过低，会使泵吸油不充分，造成齿轮和轴承润滑、冷却不够，加大磨损，此时应对减速箱补充润滑油。油位过高，会导致漏油。

在润滑油的选择上，冬季与夏季是不同的。冬季应选用黏度低的润滑油，主电动机启动后，应低速循环10min，再正常钻进;夏季温度高，应选用黏度高的润滑油。

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