技术领域
[0001] 一种顶部驱动钻井装置，采用液压源作为动
力并具有高转速范围和大扭矩范围，为可应用于油气井、
页岩气井、
煤层气井钻进的机电液一体的自动化钻井装备。
背景技术
[0002] 二十世纪八十年代顶部驱动钻井装置问世。传统的转盘驱动钻井作业必须采用主动
钻杆，存在起下钻拆装钻杆时不能及时驱动
钻柱回转、不能快速实现
钻井液循环、主动钻杆的长度限制了回次钻进深度、自动化程度不高等一系列弊端，由此导致钻井效率低下，井下事故发生几率大。
[0003] 顶部驱动钻井装置可采用立根钻进，相对于转盘的接单根钻进大幅度缩短了钻杆接卸的辅助作业时间，可在任意高度上驱动钻柱，保证钻井液连续循环，有效防止了卡钻、蹩钻等井下事故的发生，即便井下出现异常，也可及时处理。
[0004] 在满足钻井作业需求的同时，顶部驱动钻井装置通常配有钻杆上卸扣自动化操作部件，如背钳和管子操作机械手等，使其接卸钻柱简单快捷，有效降低工人劳动强度，避免人身事故发生。顶部驱动转井装置配有遥控内防喷器与手动内防喷器，可根据需要由井口人员在钻
台面直接进行防喷器的启闭操作，也可由机长在司钻房内远程遥控，一方面在接卸钻柱过程中控制钻井液循环，另一方面可对井下压力进行调控，防止井喷事故发生。
[0005] 顶部驱动钻井装置作为先进的钻井工程设备，在油气装备领域得到重视，经过不断的改良和发展，目前已在油气井工程中广泛应用。按照动力传动形式的不同，顶部驱动钻井装置有电驱动和液压驱动两大类型，电驱动顶驱可采用有直流或交流
电机驱动，较为先进的电顶驱多采用交流变频调速，其主要优势在于电力的传输是通过
电缆线来完成的，传输距离不受限制，在动力传输过程中功率损耗较小。其不足在于此类设备大多尺寸庞大且沉重，无论采用SCR还是DBS调速，其附属系统均显得复杂繁琐，综合效率低下，且不易检测和维护。
[0006] 事实上早在电传动顶驱问世之初，采用液压传动及控制技术的顶驱设计理念已经提出，由于现役油气井钻机动力配置多采用柴油
发电机组，而后整流并在直流母排上进行同期，进而采用逆变器分配给钻机的各个执行部件。电传顶驱即是在这种背景下应运而生的钻机组成部件之一。即便是电传动的顶驱，其自动化辅助作业机具也都采用液压传动，因此电顶驱还需在顶驱本体上配置独立的液压系统，以满足辅助作业机具的动作要求。如今，钻机动力配置逐步向多样化、结构化、合理化的方向发展，采用柴油机
直接驱动液压泵构成液压动力源具有成本低、结构紧凑、性能优良的技术优势。伴随着现代机电液一体化技术的发展，应用先进机电液传动控制技术构建的全液压顶驱有望替代电传动顶驱成为新一代先进钻井装备的典型设备。
[0007]
专利CN102037206A、US20090166090A1、CN102373879A所述之顶驱均为电驱动顶驱，其中专利CN102037206A采用与顶驱
主轴同轴布置的行星减速机，减速机数量为1，可采用一个或多个
马达驱动
行星轮，借助于二级行星传动驱动主轴回转，结构紧凑但传动系复杂，由于无法保证行星减速机
输入轴与主轴
同轴度，需要在结构中设置输入端径向
浮动轴承，本
发明所采用的行星减速机
输出轴与
液压马达及顶驱主传动箱小
齿轮轴同轴，均布在
小齿轮轴所在的圆周上，其数量与液压马达及小齿轮轴的数量相同，为2～4台。专利US20090166090A1所述顶驱由电机驱动一级
减速齿轮系，进而将转速和扭矩传递给顶驱主轴。专利CN102373879A所述顶驱无变速箱，由空心电机直接驱动顶驱主轴回转，并通过盘刹组件对顶驱主轴直接
制动。上述几种电顶驱旋转头转动、吊环倾斜等辅助动作都是液压系统实现的，电顶驱的液压系统集成在其内部，包括
驱动电机、
液压泵、液压泵的机械传动结构、液压油箱及
散热器。电驱动顶驱集成度较高，但结构复杂，体积庞大，
质量大。
[0008] 液压顶驱与电顶驱不同，顶驱主轴回转及其他辅助动作均由液压系统实现，其液压系统泵站一般安放于钻台面或地表。专利CN203321308U、专利CN201705200U所述之顶驱均为液压顶驱，液压马达与顶驱主轴直接相连，不通过变速箱等中间传动机构，即将液压马达的扭矩和转速直接传递到顶驱主轴上，传动结构与专利CN102373879A所述电顶驱类似；为实现钻井液循环，驱动马达为带有中空输出轴的空心液压马达。此种类型液压顶驱传动链简化，传动效率高，设备简单可靠，但是液压顶驱马达为专
门的赫格隆空心低速大扭矩径向
柱塞液压马达，驱动马达通用性差，成本提高；且存在顶驱转速调速范围、扭矩范围小的弊端，无法适应多种钻探工艺要求。
发明内容
[0009] 本发明的目的是提供一种高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置。
[0010] 本发明采用可变量高速小扭矩斜轴式轴向柱塞液压马达驱动，通过行星减速机和主传动箱降速增扭，从而实现驱动钻柱回转合理的扭矩和转速范围。全液压顶驱由独立的柴电混合驱动液压动力站作为液压油源，液压系统主要动力元件为变量
斜盘式轴向柱塞液压泵，辅助动力元件为负载敏感轴向柱塞液压泵。液压顶驱主液压系统采用闭式容积调速回路，辅助功能采用负载敏感多路
阀构建的各开式回路。
[0011] 本发明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19、手动和遥控内防喷器13以及
水龙头冲管23部件所组成，所发明的液压顶驱可配备常规手动吊卡或液压自动吊卡，具有完整的电液控制系统和润滑冷却系统。
[0012] 高速大扭矩全液压顶驱的提升装置用于承受钩载，图1所示的提升装置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。通常由于顶驱滑车15沿固定在钻塔上的顶驱
导轨滑动时会引起液压顶驱主轴和游车提升力作用线之间的不同轴误差，为避免所发明液压顶驱的提升部件因承受重载后发生弯曲和扭转
变形，这种传力结构是必要的，于是提升过渡座3处的连接为十字铰接，提升臂35则在合适的
角度范围内保留了前后摆动的
自由度。两平衡
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，通过特殊设计的液压集成控制实现上卸扣时的平衡和卸扣时的弹跳功能。平衡液压缸两端
耳环内安装有关节轴承，使其在吊臂存在装配误差或因外部载荷变化引起的前后左右振摆过程中保持良好的受力状态。平衡液压缸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。
[0013] 图2所示的高速大扭矩全液压顶驱主传动箱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，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可根据
选定制动器27、液压马达28的安装
法兰及出轴连接结构灵活设计和调整，液压马达24的数量通常为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。所采用的多片盘式制动器27替代传动顶驱的钳式盘刹，因其安装在高速轴上，故可以选用较小的制动力矩，多片盘式制动器通常采用
弹簧夹紧液压松开的作用方式以确保可靠制动，多片盘式制动器的控制方式有两种，一种是根据输入端液压马达A口和B口工作压力的变化自动启闭，实施过程中需要在液压马达A口或B口之间连接一梭阀，而后将梭阀控制油出口串接一减压阀，以使控制油压力满足制动器控制压力要求，该控制油路可直接连到多片盘式制动器的控制口；另一种控制方式为先导电液联合控制，需要独立的控制油源，先导电液联合控制有两种操作模式，其一是液压马达正常驱动时，可提取液压马达正反转控制
信号以操纵电液比例减压式
先导阀对制动器进行控制，其二是无论液压马达是否工作，直接施加
电信号操纵电液比例减压式先导阀对制动器进行强制打开操作。图2所示的行星减速机28与制动器27、液压马达24同轴布置，行星减速机28固定在顶驱主传动箱输入轴连接座上，其输出轴采用内
花键或外花键与主传动箱小齿轮轴38相联接。
[0014] 所发明液压顶驱的主传动箱12最终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，小齿轮轴可灵活地与各类减速机输出结构相适应。主传动箱大齿轮通过胀紧套41与顶驱主轴14之间实现扭矩传递，其在过载情况下打滑的特性有利于防止钻具失效或顶驱传动结构受损，有效实现了过载保护。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。
[0015] 采用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事实上是安装在主传动箱的箱体提升座组件17上，即主传动箱并不承受钩载，而由分体设计的箱体提升座套17来承受钩载。由此带来的好处体现在两个方面：其一是实现了钻柱与游车之间钩载传递的最短传动链，其二是主传动箱体仅承受驱动钻柱的反扭矩，因此可以设计得轻便。
[0016] 全液压顶驱主传动箱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，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，用于实现顶驱主传动箱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。
[0017] 所发明液压顶驱采用回转驱动48作为旋转头总成19的动力元件。所述回转驱动采用蜗轮
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120kN.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。外部设计有吊环21、吊耳及吊环倾斜机构20，可承受与钩载相当的重力荷载。旋转头设计有
锻造高强度配流轴55，配流轴具有整体式和分体式两种结构。配流轴55与回转驱动48采用高强度
螺栓组联接，并安装有传力销承受上卸扣扭矩。旋转头整体采用另一组高强度螺栓连接于箱体提升座17。其极限承载能力约为钩载的1.2～1.5倍。旋转头与配流轴通过内置液压管线50实现旋转配流功能，通过配流轴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
控制阀置于顶驱主传动箱体
支架上，便于安装、维护。旋转头19整体能进行360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。旋转头壳体设计有背钳部件的连接座，采用四个销轴联接背钳立架53，即可安装图5所示的分体式背钳54，也能够安装本发明所提及的卡盘式背钳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。
[0018] 所述遥控防喷器总成由遥控防喷器及遥控防喷器驱动两部分组成。所述遥控防喷器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，由防喷器支架、冲管支架74、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。
[0019] 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。
[0020] 所述液压顶驱其滑车由滑车支架69、承载滚轮71、导向滚轮70组成。滑车支架设置上下左右设置四个承载滚轮71，支架两侧面设置四组导向滚轮70，滑车支架背侧设置两纵向、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。
[0021] 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等部件组成，挠性连接于顶驱主轴14后端。所述顶驱上轴83下端设计有标准钻杆锁接头螺纹与遥控内防喷器联接，上端通过梯形螺纹与下盘根盒盖81相连，所提及的螺纹均为左旋。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，定位于顶驱主轴后端。所述标准冲管组件79上部与鹅颈管相连；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；于是冲管
摩擦力矩由冲管支架74传递至主传动箱12，限制了鹅颈管等非旋转零部件的转动自由度。通过冲管总成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。
附图说明
[0022] 图1是本发明的总装图。
[0023] 图2是本发明的主传动箱示意图。
[0024] 图3是本发明的主传动箱轴向剖视图。
[0025] 图4是本发明的主传动箱
斜齿轮副及润滑系统示意图。
[0026] 图5是本发明的旋转头总成示意图。
[0027] 图6是本发明的遥控内防喷器总成示意图。
[0028] 图7是本发明的液压卡盘示意图。
[0029] 图8是本发明的顶驱滑车示意图。
[0030] 图9是本发明的冲管-水龙头总成立体示意图。
[0031] 图10是本发明的冲管-水龙头总成半剖视图。
具体实施方式
[0032] 本发明采用可变量高速小扭矩斜轴式轴向柱塞液压马达驱动，通过行星减速机和主传动箱降速增扭，从而实现驱动钻柱回转合理的扭矩和转速范围。全液压顶驱由独立的柴电混合驱动液压动力站作为液压油源，液压系统主要动力元件为变量斜盘式轴向柱塞液压泵，辅助动力元件为负载敏感轴向柱塞液压泵。液压顶驱主液压系统采用闭式容积调速回路，辅助功能采用负载敏感多路阀构建的各开式回路。
[0033] 如图1所示，本发明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19、手动和遥控内防喷器13以及水龙头冲管23部件所组成，此外，所发明的液压顶驱可配备常规手动吊卡或液压自动吊卡，具有完整的电液控制系统和润滑冷却系统。
[0034] 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。通常由于顶驱滑车15沿固定在钻塔上的顶驱导轨滑动时会引起液压顶驱主轴和游车提升力作用线之间的不同轴误差，为避免所发明液压顶驱的提升部件因承受重载后发生弯曲和扭转变形，这种传力结构是必要的，于是提升过渡座3处的连接为十字铰接，提升臂35则在合适的角度范围内保留了前后摆动的自由度。两平衡液压缸7实现了液压顶驱主轴接卸钻柱过程中的整体浮动，通过特殊设计的液压集成控制实现上卸扣时的平衡和卸扣时的弹跳功能。平衡液压缸两端耳环内安装有关节轴承，使其在吊臂存在装配误差或因外部载荷变化引起的前后左右振摆过程中保持良好的受力状态。平衡液压缸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。
[0035] 图2所示的高速大扭矩全液压顶驱主传动箱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，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可根据选定制动器27、液压马达28的安装法兰及出轴连接结构灵活设计和调整，液压马达24的数量通常为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。所采用的多片盘式制动器27替代传动顶驱的钳式盘刹，因其安装在高速轴上，故可以选用较小的制动力矩，多片盘式制动器通常采用弹簧夹紧液压松开的作用方式以确保可靠制动，多片盘式制动器的控制方式有两种，一种是根据输入端液压马达A口和B口工作压力的变化自动启闭，实施过程中需要在液压马达A口或B口之间连接一梭阀，而后将梭阀控制油出口串接一减压阀，以使控制油压力满足制动器控制压力要求，该控制油路可直接连到多片盘式制动器的控制口；另一种控制方式为先导电液联合控制，需要独立的控制油源，先导电液联合控制有两种操作模式，其一是液压马达正常驱动时，可提取液压马达正反转
控制信号以操纵电液比例减压式先导阀对制动器进行控制，其二是无论液压马达是否工作，直接施加电信号操纵电液比例减压式先导阀对制动器进行强制打开操作。图2所示的行星减速机28与制动器27、液压马达24同轴布置，行星减速机28固定在顶驱主传动箱输入轴连接座上，其输出轴采用内花键或外花键与主传动箱小齿轮轴38相联接。
[0036] 如图3、图4所示，液压顶驱的主传动箱12最终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，小齿轮轴可灵活地与各类减速机输出结构相适应。主传动箱大齿轮通过胀紧套41与顶驱主轴14之间实现扭矩传递，其在过载情况下打滑的特性有利于防止钻具失效或顶驱传动结构受损，有效实现了过载保护。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。
[0037] 如图4所示，采用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、下定心轴承43、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事实上是安装在主传动箱的箱体提升座组件17上，即主传动箱并不承受钩载，而由分体设计的箱体提升座套17来承受钩载。由此带来的好处体现在两个方面：其一是实现了钻柱与游车之间钩载传递的最短传动链，其二是主传动箱体仅承受驱动钻柱的反扭矩，因此可以设计得轻便。
[0038] 全液压顶驱主传动箱12内部齿轮副采用喷溅润滑，图4所示，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，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，用于实现顶驱主传动箱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。
[0039] 如图5所示，所发明液压顶驱采用回转驱动48作为旋转头总成19的动力元件。所述回转驱动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120kN.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。外部设计有吊环21、吊耳及吊环倾斜机构20，可承受与钩载相当的重力荷载。旋转头设计有锻造高强度配流轴55，配流轴具有整体式和分体式两种结构。配流轴55与回转驱动48采用高强度螺栓组联接，并安装有传力销承受上卸扣扭矩。旋转头整体采用另一组高强度螺栓连接于箱体提升座17。其极限承载能力约为钩载的1.2～1.5倍。旋转头与配流轴通过内置液压管线50实现旋转配流功能，通过配流轴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，该控制阀置于顶驱主传动箱体支架上，便于安装、维护。旋转头总成19整体能进行360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。旋转头壳体设计有背钳部件的连接座，采用四个销轴联接背钳立架53，即可安装图5所示的分体式背钳54，也能够安装本发明所提及的卡盘式背钳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。
[0040] 所述遥控防喷器总成由遥控防喷器及遥控防喷器驱动两部分组成，如图6所示，所述遥控防喷器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，由防喷器支架、冲管支架74、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。
[0041] 如图7所示，所述液压卡盘式由背钳立柱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5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。
[0042] 如图8所示，所述的顶驱滑车15由滑车支架69、承载滚轮71、导向滚轮70组成。滑车支架设置上下左右设置四个承载滚轮71，支架两侧面设置四组导向滚轮70，滑车支架背侧设置两纵向、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。
[0043] 如图9和图10所示，所述冲管-水龙头总成由顶驱上轴83、标准冲管组件79、冲管座77、鹅颈管76等部件组成，挠性连接于顶驱主轴14后端。所述顶驱上轴83下端设计有标准钻杆锁接头螺纹与遥控内防喷器联接，上端通过梯形螺纹与下盘根盒盖81相连，所提及的螺纹均为左旋。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，定位于顶驱主轴后端。所述标准冲管组件79上部与鹅颈管相连；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；于是冲管摩擦力矩由冲管支架74传递至主传动箱体12，限制了鹅颈管等非旋转零部件的转动自由度。通过冲管总成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。
[0044] 本发明所述高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置所有动作均有液压驱动控制实现，以下内容为本发明液压系统具体
实施例之一。本发明所述的全液压顶驱其主液压系统采用变量液压泵与变量液压马达所构成的闭式容积调速回路，变量液压泵的变量控制方式有采用比例电磁
铁直接控制和采用电液比例联合控制等，对于要求液压动力站必须符合防爆认证的场合，变量液压泵可采用先导液控变量方式，先导液控功能的实现可选择手动比例减压先导阀进行开环手动控制，也包括单独采用电液比例减压阀实现开环电控变量，还包括采用电液比例先导式减压阀并借助于安装在液压泵伺服变量控制油口处的压力
传感器实现液压泵排量的闭环控制，以获得最优的转速范围，或保持液压顶驱转速恒定，或根据钻井工艺和井内工况实现全液压顶驱主轴输出转速的自适应调节。上述电控功能的实现既可采用司钻房以外布置的防爆电控
液压阀，也可采用不具备防爆功能的常规电液
比例阀安装在司钻房内部实现远程液控，从而降低整套液压系统的构建成本。
[0045] 所述高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置其输入端的高速小扭矩液压马达变量方式宜采用减压式比例先导阀实现的先导液控，采用手动操作的减压式比例先导阀仅能实现开环控制。采用电液比例减压阀可实现远程开环孔控制，对马达先导控制压力进行检测并作为反馈可实现液压马达排量的闭环控制，安装有比例电
磁铁或电液比例变量装置的液压马达则必须有防爆认证。高速小扭矩变量液压马达排量最大时可以获得大的输出扭矩，但此时转速最低。降低马达排量，可以实现高转速，但顶驱主轴输出扭矩也随之下降。经分析试验，液压马达适宜的排量调节范围为25％～95％，对于接近最大排量的工作状态，应采取限压或自动变量方式起到过载保护作用。由于自动变量的液压马达难以实现恒扭矩钻井作业，因此采用自动变量液压马达构建全液压顶部驱动钻井装置需要对马达排量进行越权控制。
[0046] 为获得高达300转的最高转速和不低于60kN.m的输出扭矩，所发明的高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置可由2～4台高速小扭矩变量轴向柱塞液压马达作为执行元件，在液压马达与行星减速机之间串接多片盘式制动器，为满足顶驱主轴转速扭矩设计范围的要求，行星减速机可为一级或多级。
[0047] 高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置输入轴部件中的多片盘式制动器替代了现有顶驱中的盘刹。
[0048] 高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置辅助功能的控制是由具有防爆认证的电液比例负载敏感多路换向阀30实现的，该阀通常为7～8联工作阀片，各片阀可单独设定最大流量以及各阀口工作压力以及电液比例电磁铁的控制
精度。负载敏感控制可实现顶驱辅助功能多执行器互不干扰动作，例如可满足背钳夹紧保压状态下同时对遥控内防喷器和平衡油缸进行控制，以及旋转头旋转定位的同时向前向后伸展吊环等。本发明辅助功能液压控制回路的另一实施例是采用LUDV电液比例多路阀以避免LS控制的流量饱和特性。
