动力钳装置及其使用方法与流程

动力钳装置及其使用方法
相关申请的交叉引用本技术要求于2019年8月16日提交的序列号为62/887,747的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请以引用方式并入本文。
技术领域
1.本发明涉及用于穿透地层钻井的设备，这些井包括但不限于油井和气井。更具体地，本公开涉及具有模块化部件的动力钳。


背景技术：

2.本发明涉及油气工业中常用的用以旋紧和旋松螺纹连接诸如管道、套管钻铤和钻杆上采用的螺纹连接的模块化动力钳。多年来，动力钳一直用于夹持和旋转管状构件，通常同时向所述管状构件施加显著的压缩力和扭力；在一些情况下，所述压缩力和扭力可同时施加到管状构件。
3.虽然动力钳可体现为许多不同设计，但所述钳通常共享许多共同的特征。通常，马达使齿轮系运转，该齿轮系将夹爪挤压在位于配合螺纹管段上方的螺纹连接管段的外表面上。钳将扭力施加到所述上部管段上(位于下部配合管段上方)，以使所述上部管段在顺时针或逆时针方向上旋转。同样地，另一(第二)组夹爪可围绕下部管段固定，以保持所述下部管段相对于其配合件静止，该第二组夹爪有时被称为备用钳。上述布置方式使得钳牢固地夹持管状构件，从而允许使用者相对于所述下部管段旋转上部管段，同时以给定速度施加期望的扭矩量。
4.传统动力钳通常包括具有小齿轮和至少两个空转齿轮的采用四齿轮菱形结构的开喉式旋转齿轮，其中小齿轮和旋转齿轮分别位于菱形结构的顶部和底部。两个空转齿轮以一种方式定位在菱形结构的左侧和右侧，使得当环的开喉经过空转齿轮中的一个空转齿轮时，另一个空转齿轮仍然与旋转齿轮和小齿轮啮合。然而，此构造将钳的可靠性和最大扭矩限制为空转齿轮的单个齿和小齿轮的单个齿的强度。另外，为了使两个空转齿轮跨越所述开喉的距离，空转齿轮的直径必须相对较大并且可能需要与小齿轮成线性构造的附加齿轮。
5.旋转齿轮致动笼板内的夹爪，通常是两个或三个圆柱形凹穴。夹爪将以预定方式径向地行进到管段上并离开管段。传统夹爪通常在直形径向路径上行进，或枢转到适当位置以接触待夹持的表面，夹爪的设计使得与夹爪插入件相对定位的凸轮与沿旋转齿轮的内径具有凸轮轮廓的表面相互作用，从而限定夹爪的径向行进量。
6.为了产生期望的足够的力并保持装置的实用性，钳主体及其齿轮系通常变得非常大、昂贵且笨重，并且动力钳的最终尺寸和占地面积也显著增大。在动力钳所位于的钻井钻台上，空间通常非常宝贵。因此，使用具有高最大扭矩的动力钳的能力经常受到可用空间和间隙的限制。


技术实现要素：

7.本发明整体包括一种模块化动力钳组件，其中所述动力钳的重量、尺寸和成本极大减小，而最大扭矩和强度相对于针对给定尺寸、重量和等级的管件具有类似能力的其他动力钳极大增加。应当理解，本发明的装置可通过液压流体、水、空气或电力来提供动力、能量和/或致动。因此，在本说明书中使用的术语“液压”应被理解为任选地包括使用这些方法中的任一种方法并且不旨在以任何方式进行限制。
8.本发明的变速箱壳体具有与保持在变速组件内的传动齿轮的数量所决定的一样多的速度。在一个优选实施方案中，采用两个传动齿轮：高速齿轮和低速齿轮。高速能够快速旋起管件和附带的螺纹连接，而低速能够得到在螺纹接通循环结束或断开循环开始时通常需要的高扭矩。用传统钳在高速和低速之间切换通常需要几乎停止钳的旋转并且齿轮磨削和相互作用的齿轮和/或花键的劣化是不可避免的。
9.在一个优选实施方案中，本发明还包括通过在钳门内包括空转齿轮而完全环绕旋转齿轮的齿轮系。动力钳门铰链利用旋转致动器或气缸来远程操作钳门，所有流体管线和致动机构都被保护在钳主体内。所述动力钳门铰链还可利用齿条与小齿轮系统来远程操作所述钳门，所有流体管线和致动机构都被保护在钳主体内。
10.凸轮辊组件可反向安装到笼板中并且支撑座圈可安装到顶板与底板之间的开口中，从而不需要在旋转齿轮中切割凹槽。支撑座圈用作钳板的牺牲性附加物，以避免维护凸轮辊的昂贵成本。轭辊可有利地安装在顶部和底部笼板中，以减少笼板在旋转期间的摩擦。
11.可相邻于齿轮插入填充块，以捕获并重新引导从齿轮落下的润滑脂回到所述齿轮，同时抑制噪音并减少润滑脂的误用，从而增大润滑的有效性。本发明的钳组件还包括一系列齿轮段，这些齿轮段可更换给定齿面高度的现有齿轮，从而降低更换仅其高度的一部分或其他隔离部分出现损坏的齿轮的成本。
12.本发明还包括一种用于激活通断机构的新型方法。与传统机构不同，本发明的通断致动器组件可容纳在钳主体上，使得除了在瞬间激活时，它完全不受到外部损坏的影响。旋转气缸和摆臂系统能够实现这种安全操作。摇臂组件被设计为在摇臂基座上具有坡道和传递球，这减少了摩擦、由于冲击而引起的潜在火花危险并且减小了旋转气缸尺寸以能够完全致动。本发明能够进行远程操作，从而降低了操作动力钳的人员的风险。
13.对称的旋转齿轮通过允许上下颠倒地重新安装来实现所述旋转齿轮的可逆性，从而延长所述齿轮的使用寿命。最易磨损的接通侧的前导齿轮齿面可与断开侧齿轮齿面反向并且反之亦然。断开侧凸轮表面可反向以变成接通侧凸轮表面并且反之亦然，以实现更长寿命。添加到旋转齿轮底部的通断凹槽延长了易磨损的表面的寿命。
14.旋转齿轮插入件允许对(传统的或本发明的)现有旋转齿轮上的磨损凸轮表面进行整修，以容纳代表新凸轮表面的合适低成本插入件，从而不需要报废已磨损的旋转齿轮。当需要处理比先前设计范围更小尺寸的管状构件时，可使用旋转齿轮插入件和适当的夹爪，从而不需要在库存中保有多种尺寸的动力钳以覆盖所有范围的管件尺寸。所述旋转齿轮插入件可用于通过修改凸轮表面以适合特定应用来改变动力钳的夹持特性。所述旋转齿轮插入件还可用于将凸轮表面位置改变为分开约120度，以便能够将夹爪组件完全包裹在管件周围。分段的旋转齿轮段通过仅需要更换旋转齿轮的磨损段而能够降低维护成本。
15.用于动力钳夹爪的凸轮瓦(cam shoe)插入件具有比夹爪辊销机构更小的轮廓，从
而减小动力钳的总体尺寸和重量。具有匹配的配合轮廓的凸轮瓦插入件与旋转齿轮上的凸轮表面之间的表面接触减小了两个部件上的接触应力，从而相比于辊销型夹爪设计或实心夹爪设计延长了使用寿命。此外，所述凸轮瓦插入件被设计成可更换的，从而降低了传统实心夹爪设计的更换成本。所述凸轮瓦插入件可被设计成具有不同厚度(诸如在接通侧上与断开侧上)，这使得对于给定应用能够改变管件上的夹持力。另外，凸轮瓦插入件可包括能够收集润滑脂和碎屑的凹穴和凹坑以保护配合表面免受磨损和损坏；这也有助于减小由于配合表面而在润滑脂中产生的液压并且不允许润滑脂快速分解。
16.可在旋转凸轮面的端部处设置超程(over-travel)止动件以防止凸轮瓦、夹爪辊和/或实心夹爪面行进超过凸轮面，行进超过凸轮面可导致对管状构件造成大范围且不可恢复的损坏。门对准机构允许快速调节门组件的径向和横向对准。
17.本发明的钳组件允许通过几何形状模仿夹爪模具的凸燕尾形突片来堆叠夹爪组件。与传统单件式夹爪相比，使用该方法可极大降低处理一定管件尺寸范围所需的成本和材料。与用于桥接管件上的夹爪与主支架之间的间隙的传统垫片相比，该方法使用全功能的单个夹爪作为中间垫片，从而在考虑要运行的管件的范围时降低了总拥有成本。
18.本发明的钳组件还包括具有用于模具保持器的凹槽的改进的夹爪组件。这是比传统方法更强的模具保持方法，传统方法导致模具意外脱离夹爪组件并落入井筒中。
附图说明
19.当结合本文所包含的附图和图形阅读时，可更好地理解前述发明内容以及优选实施方案的任何详细描述。为了举例说明本发明，附图和图形示出了某些优选实施方案。然而，应当理解，本发明不限于在此类附图或图形中公开的特定方法和装置。
20.图1示出了本发明的模块化动力钳组件10的等距视图。
21.图2、图2a、图2b示出了本发明的模块化动力钳组件10的各种视图。
22.图3示出了钳主体100的剖视图，显示了变速箱壳体300和变速组件350。
23.图3a示出了包括配合高速齿轮301和302及配合低速齿轮303和304的变速箱壳体300的横剖视图。
24.图4示出了空转齿轮组件400，其中齿轮轴404跨顶板101和底板102之间的整个高度。
25.图5示出了在高齿轮速度与低齿轮速度之间的过渡过程中通过同步环510利用同步机构的双速齿轮组件500。
26.图6示出了齿轮系600，其中小齿轮604通过多个空转齿轮602和603连接到旋转齿轮601。
27.图7示出了在齿轮系700内围绕对称线702的空转齿轮603和704的一系列重叠菱形图案703。
28.图8示出了齿轮系800，其中通过也将旋转齿轮803定位在钳门900内空转齿轮602和603完全环绕所述齿轮；钳门900闭合。
29.图9示出了齿轮系800，其中空转齿轮602和603通过也将旋转齿轮803定位在钳门900内而完全环绕所述齿轮；钳门900打开。
30.图10示出了具有作为铰链安装的旋转气缸1001的钳门组件1000。
31.图10a示出了旋转气缸1001的横剖视图。
32.图11示出了用于钳门组件1000的远程操作的门致动器组件1100和门闩锁组件1150。
33.图11a示出了钳门闩锁组件1150。
34.图11b示出了钳门致动器组件1100。
35.图12示出了具有笼板组件1300的笼板支撑座圈1200。
36.图13示出了安装在笼板组件1300上的一系列笼板轭辊组件1375和凸轮辊组件1350。
37.图13a示出了笼板1301的放大部分，显示了笼板轭辊组件1375和凸轮辊组件1350。
38.图13b示出了凸轮辊组件1350的分解图。
39.图14示出了安装到支撑旋转齿轮1451的底板102中的旋转轭辊组件1400的特写剖视图。
40.图14a示出了旋转轭辊组件1400的横剖视图。
41.图15示出了动力钳组件10的局部视图，其中空转齿轮603、支撑柱1507、填充块1501、1502、1503和1504位于钳主体100内。
42.图15a示出了完整的填充块1501。
43.图15b示出了支撑柱1507。
44.图16示出了在单个齿轮轴404上使用模块化可堆叠齿轮1601和1602来代替图4所示的齿轮406。
45.图17示出了钳主体10的局部视图，该钳主体具有由通断致动器组件1800和摇臂组件1900组成的通断系统1700。
46.图18示出了通断致动器组件1800的切开剖视图。
47.图18a从不同角度示出了通断致动器组件1800，显示了接通致动器端口1806和断开致动器端口1807。
48.图19以安装在笼板组件1300上的摇臂组件1900的切开视图示出了动力钳10的特写部分。
49.图19a示出了摇臂组件1900的横剖视图。
50.图20示出了可逆旋转齿轮1451。
51.图20a示出了具有相对于彼此定位的通断凹槽2001的可逆旋转齿轮1451的横剖视图。
52.图21示出了具有用于接收旋转齿轮插入件2101的配合表面的旋转齿轮803。
53.图21a示出了具有用于接收旋转齿轮插入件2102的配合表面的旋转齿轮803。
54.图21b示出了分段式旋转齿轮插入件2103。
55.图21c示出了具有用于接收分段式旋转齿轮插入件2103的配合表面的旋转齿轮803。
56.图22示出了具有凸轮瓦2203的枢转夹爪组件2200。
57.图22a示出了枢转夹爪组件2200，显示了凸轮瓦插入件凹穴2206。
58.图23示出了具有凸轮瓦2203的滑动夹爪组件2300。
59.图24、图24a、图24b和图24c示出了具有不同宽度的凸轮瓦插入件2203、2401、2402
和2403。
60.图25示出了旋转齿轮组件，其中旋转齿轮2501具有围绕管状构件2503固定的枢转夹爪组件2200和笼板2504。
61.图26示出了具有对称的凸轮表面2005和2010及对称的中性凸轮凹穴2006的旋转齿轮1451。
62.图26a和图26b示出了超程止动件2601和2602。
63.图27示出了安装在门组件1000上的门对准组件2700的分解图。
64.图27a示出了门对准组件及其部件的分解图，部件包括可调主体板2701、调节螺钉2702、可调门板2703和锁定螺母2704。
65.图28示出了具有主夹爪组件2801、中间夹爪组件2825和最终夹爪组件2850的可堆叠夹爪组件2800。
66.图28a示出了分离的可堆叠夹爪的分解图。
67.图28b示出了用于将夹爪级联在一起的凸燕尾榫2829和2853。
具体实施方式
68.本发明整体包括一种模块化动力钳组件，其中所述动力钳的重量、尺寸和成本极大减小，而最大扭矩和强度相对于针对给定尺寸、重量和等级的管件具有类似能力的其他动力钳极大增加。应当理解，本发明的装置可通过液压流体、水、空气或电力来提供动力、能量和/或致动。因此，在本说明书中使用的术语“液压”应被理解为任选地包括使用这些方法中的任一种方法并且不旨在以任何方式进行限制。
69.图1示出了本发明的模块化动力钳组件10的等距视图，而图2、图2a和图2b示出了本发明的所述模块化动力钳组件10的各种视图。在本发明的一个实施方案中，如图3所示，模块化变速箱壳体300可选择性地安装在钳主体100上，或在使用时安装在所述钳主体的上方或下方的情况下从所述钳主体移除。此构造允许在变速器和钳主体设计中选择不同的齿轮组合，以适应给定安装和/或应用的要求。可安全且快速地改变模块化变速箱300内的档位以改变传动特性。
70.将变速箱300与动力钳组件10分开能够将传动系中所有齿轮的尺寸设定成具有几乎等于钳顶板101与钳底板102之间的内部跨度的高度，从而增强动力钳组件10中的所述齿轮传导力的能力并最小化齿轮齿上的负载。类似地，变速箱300内的齿轮可受益于具有更长轴向长度或更大面宽的齿轮，而不受钳主体100的高度的限制。本发明的模块化变速箱300使传动齿轮(由于承受应力而对钳性能至关重要的齿轮)能够容纳在密封、润滑且无污染的环境中，从而提高其性能和寿命。此外，本发明允许手边有待安装的一个或多个另外变速箱300，以满足另选应用的性能特性(诸如例如，基于管件特性或操作要求)或另选地快速地更换失效的变速器。
71.变速箱300位于钳主体100的外部并容且纳高速配合齿轮301和302及低速配合齿轮303和304。这种分离消除了容纳其他齿轮或利用半轴空转齿轮的需要，如在其中两个或多个齿轮必须在共用的垂直平面中旋转而不接触的传统动力钳齿轮系的情况下。因此，齿轮406和齿轮轴404在钳主体100内的高度可被设定成几乎等于钳顶板101与钳底板102之间的跨度，如图4所示。此外，在钳门组件1000与负载传感器安装件40之间测得减小的钳主体
100长度并且具有较短轮廓的钳主体100。这些因素促成本发明的动力钳10相比于其他可商购获得的适于接合类似尺寸的管状构件的动力钳具有更大的扭矩重量比。
72.如图4所示，齿轮轴404跨钳顶板101与钳底板102之间的整个长度，并且其尺寸被设定成适配到耐磨衬套402中，耐磨衬套压配合到钳顶板101和钳底板102中，从而得到全高度齿轮406。齿轮轴404的尺寸被设定成具有比同类螺纹齿轮轴大的外径的轴，并由此增加其可传递的扭矩量。
73.齿轮轴端部411和412与外部钳主体100平齐，没有螺栓暴露于环境中，从而避免物理损坏或腐蚀损坏的可能性。任选地，耐磨衬套402可安装在齿轮轴404与钳顶板101和钳底板102的中间，以防止钳主体100中的交接表面磨损。另外，耐磨衬套402的尺寸任选地被设定成具有与钳顶板101和钳底板102的内表面齐平形成的凸缘。在另一个实施方案中，齿轮轴404可压配合到钳顶板101和钳底板102中。
74.齿轮406、轴承408和轴承垫片405安装在齿轮轴404上。轴承垫片405用于使钳顶板101与钳底板102之间的轴承408和空转齿轮406集中。此外，轴承垫片405和相邻齿轮轴404表面形成了互补的配合斜表面，使得轴承垫片405保持齿轮轴404的轴向定位。润滑脂室410收集润滑脂以经由润滑脂端口409传送到轴承。润滑脂室410由润滑脂嘴401供给。
75.本发明的变速箱300具有与保持在变速组件500内的传动齿轮的数量所决定的一样多的速度。在一个优选实施方案中，采用两个传动齿轮：高速齿轮301和低速齿轮303。高速能够快速旋起管件和附带的螺纹连接，而低速能够得到在螺纹接通循环结束或断开循环开始时通常需要的高扭矩。用传统钳在高速和低速之间切换通常需要几乎停止钳的旋转并且齿轮磨削和相互作用的齿轮和/或花键的劣化是不可避免的。
76.通常，连接到轭的机械杠杆能够从一个速度换档到另一个速度。此类手动换档一般需要操作者在换档之前使动力钳完全停止，或者根据机械控制的反馈来设定换档时间。然而，当动力钳通过结合液压致动的轭机构而受到远程控制时，由于缺少用于检测反馈的传感器并且需要瞬时换档而使本发明成为必要。
77.图5示出了具有两个齿轮的变速组件500；选择性地由马达齿轮501驱动的高速齿轮301和低速齿轮303。高速能够快速旋起管件和附带的螺纹连接，而低速能够得到在螺纹接通循环结束或断开循环开始时通常需要的高扭矩。换档联接件504骑在传动花键502上，将扭矩传递到低速齿轮303和顶部同步花键513的低速组合或高速齿轮301和底部同步花键509的高速组合。同步磨损环510位于顶部同步花键513、中间同步花键512和底部同步花键509之间。通过由用于在位置上对准其间的中间同步花键512的同步环510产生的摩擦阻力，能够实现换档联接件504在顶部同步花键513到底部同步花键509之间的平滑过渡。
78.传统动力钳具有带开口段的旋转齿轮。由于旋转齿轮的质心围绕纵向旋转轴线偏心旋转，因此此类动力钳趋于倾斜和滚动。动力钳倾斜的趋势由分段式旋转齿轮的重量分布限定。然而，滚动的趋势主要由围绕连接小齿轮和旋转齿轮的中心的轴线的旋转齿轮上的离心力的不对称分布来控制。
79.图6示出了本发明的齿轮系600；其被构造成在连接小齿轮604和旋转齿轮601的中心的轴线的任一侧上将恒定的驱动力传递到空转齿轮603。与旋转齿轮601的位置无关，位于所述轴线的任一侧上的空转齿轮602和603传递平衡的离心力，从而减小动力钳滚动的趋势。
80.在传统动力钳中的分段式旋转齿轮的一定弧长的旋转内，旋转齿轮与配合空转齿轮之间存在齿轮接触缺失。这种接触缺失表示旋转齿轮和驱动小齿轮之间的负载路径缺失，从而在小齿轮上产生不当应力。
81.如图7所示的本发明的齿轮系700允许由三个或更多个重叠菱形图案703得到的可旋转连接。如本文所公开的，齿轮的菱形图案由与两个空转齿轮603或704直接连接或啮合的上部空转齿轮603组成，两个空转齿轮继而同样在其整个旋转范围内与旋转齿轮701啮合接触。因为每个菱形图案通过共用的空转齿轮704连接到相邻菱形图案，所以其被称为重叠图案。最后，整组啮合齿轮与围绕小齿轮604的两个或更多个空转齿轮603啮合连接。这样，齿轮系内的所有齿轮以“菊花链”方式连接在一起，始终处于恒定啮合接触，用于围绕小齿轮以及还在旋转齿轮701的对称线702的任一侧上均匀地分布负载。对称线被定义为通过穿过小齿轮604以及旋转齿轮701的中心的假想线将小齿轮604的两个半块中的任一个半块平分。当前实施方案的有益效果在不需要改变小齿轮和旋转齿轮中间的齿数比的情况下实现。
82.任选地，如图8所示的齿轮系800可被构造成基本上环绕整个旋转齿轮803，包括沿着钳门900的内周边。此构造为旋转齿轮803提供相当大的支撑，从而减小其在高扭矩下径向膨胀的趋势。选择类似于空转齿轮602和603的适当空转齿轮对于确保整个齿轮系在如图8和图9所示的钳门900的打开和闭合状态下保持啮合接触至关重要。
83.动力钳上的钳门通常是手动打开的，或使用一个端部连接到钳门并且另一个端部连接到钳主体的液压气缸打开。通过在其相应方向上致动气缸而任选地打开和/或闭合钳门。通过保持气缸的缩回侧和/或门闩锁组件上的压力，钳门保持闭合。因此，常规设计必须在钳主体的顶部和/或底部上具有突出部，这些突出部容易被外部因素损坏并且具有几个危险的夹点。
84.本发明采用安装在钳门组件1000和钳主体100的中间且完全容纳在钳主体100内的旋转致动器或气缸1001，从而不需要突出的气缸或其他机构。将通过流体端口1006和1007供给动力的所有液压管线设置在钳主体100内部保护它们免受外部操作的损坏。钳门1000围绕旋转气缸1001成形，使得在从闭合状态到打开状态的整个运动范围内，系统不存在任何夹点。此外，旋转气缸1001被设计成具有足够的旋转行程，使得门上的打开状态由气缸内部行程结束限定，而不是如传统动力钳设计的情况那样由外部止动件限定。本发明的此特征使得该机构是本质安全的。
85.门组件的另选实施方案是如图11所示的齿条与小齿轮系统。位于钳门组件1000内的门致动器组件1100的相对侧上的门闩锁组件1150固定到钳主体100。
86.为了闭合钳门组件1000，向图11b所示的门气缸1103供能以延伸齿条1104，并且其上的多个齿与小齿轮1105协作以通过门致动器销1106传递顺时针旋转力。所述销连接到钳门组件1000。图11b所示的门闩锁1157与闩锁凸轮1154接合，以在旋转齿轮1451的旋转期间将钳门组件1000保持在其闭合位置。
87.为了打开钳门组件1000，由闩锁气缸1152向闩锁杆1153供能。这导致门闩锁1157与闩锁凸轮1154分离。弹簧将闩锁凸轮1154拉到其打开位置，从而从闩锁销1156释放闩锁凸轮。向门气缸1103供能以缩回齿条1104，并且其上的多个齿与小齿轮1105协作以通过门致动器销1106传递逆时针旋转力。闩锁杆1153也被弹簧加载以将其顺时针滚动到其打开状
态。这用于将钳门组件1000延伸打开到足以允许管状构件无阻碍地进入旋转齿轮的中心的位置。该实施方案还提供了完全容纳在钳主体100内的门操作机构，使得其对于外部损坏是本质安全的。
88.与在钳门组件1000上使用的实施方案无关，使用定序器阀设定门气缸1103和闩锁气缸1152的顺序，从而允许在门气缸1103或旋转气缸1001打开钳门1000之前解锁闩锁。使用气动、电动或液压，可选择性地远程或现场操作该钳的所有控件。
89.许多传统动力钳包括所谓的“笼板”，该笼板与旋转齿轮同心并支撑或保持夹爪枢转销。传统笼板通常通过一系列凸轮辊保持同心，凸轮辊通常是固定到螺纹连接轴并安装到顶板和底板中的轴承，从而延伸到形成于笼板中的凹槽中。另选地，凸轮辊安装在笼板中，从而延伸到形成于旋转齿轮中的凹槽中。许多凸轮辊具有在其相应板的下方突出的螺母，由此必须在旋转齿轮中形成间隙凹槽，从而降低其强度。传统凸轮辊也可直接拧入顶板或底板中，这通常会降低其强度。两种安装模式都限制了钳的实用性。当达到高扭矩时，旋转齿轮或钳主体可致使笼板中的变形槽膨胀和/或对凸轮辊轴施加剪切负载。这可导致凸轮辊和轴弯曲或断裂。为了控制变形，必须限制钳的最大扭矩。
90.在本发明中，凸轮辊组件1350反向安装在笼板组件1300中，如图12所示。位于钳顶板101和钳底板102中的径向开口增大并且支撑座圈1200被添加到该开口的内径。凸轮辊组件1350在所述支承座圈1200上滚动。这样，笼板的强度因此增大，因为没有形成凹槽，形成凹槽将原本减小横截面积。另外，如图13b所示的较大凸轮辊轴1351可在凸轮辊组件1350中使用，从而增大凸轮辊1352的强度。此外，由于笼板1301的口部具有较大的相对横截面，因此本发明的凸轮辊1352在高扭矩下不易弯曲或断裂。
91.传统旋转齿轮和笼板可通过若干方法悬挂在钳内，这些方法包括但不限于：(a)使旋转齿轮和笼板在润滑脂床上滑动，(b)使旋转齿轮的边缘骑在导辊上，所述辊旋转到水平平面并使齿轮居中，(c)将耐磨盘或衬套放置在齿轮或笼板下方，和/或使齿轮变薄，或(d)在齿轮中放置或形成凹槽以供轮骑在其上。所有上述方法都通过引入摩擦和阻力和/或从旋转齿轮上去除材料从而降低其强度、扭矩和可靠性来降低动力钳的最大扭矩。
92.如图13a所示，本发明采用笼板轭辊1375，即，包括具有弯曲或圆顶表面的辊的轴承。笼板轭辊1375安装在插入到钳顶板101和钳底板102的笼板1301内；所述笼板1301被设计成保持笼板轭辊1375在与旋转齿轮1451相同的方向上滚动并且位于旋转齿轮1451的正上方或正下方。笼板1301也恰好在相应钳板101和102的上方或下方突出、等距间隔开并且数量足以充分减小旋转齿轮1451与笼板1301之间的滚动摩擦。薄型冠状轭辊1375消除了从旋转齿轮1451去除非常必要的材料并因此削弱强度的需求。另外，旋转齿轮1451的高度现在可被制成略小于顶板101和底板102的高度。另外选择性地结合到笼板1301中的可以是一系列弹簧和/或允许本发明向上或向下移动的材料，以便吸收冲击并使钳主体100内的旋转齿轮1451水平。
93.如图14所示的本发明采用压配合到钳顶板101和钳底板102中的旋转轭辊1400，该旋转轭辊位于旋转齿轮1451的正上方或正下方、等距间隔开并且数量足以充分减小旋转齿轮1451与钳底板102之间的摩擦。图14a示出了旋转轭辊1400，该旋转轭辊包括轭辊1402、具有经由轭辊销1403悬挂在轭辊壳体1401中的弯曲或圆顶表面的厚型加硬外环。定位面1404使旋转轭辊1400能够径向定位在钳顶板101和钳底板102中，使得轭辊1402在旋转齿轮1451
的旋转方向上对准。薄型旋转轭辊1400进一步减小了从旋转齿轮1451去除材料并因此削弱强度的需求。同样，旋转轭辊1400可进一步减小旋转齿轮1451与钳顶板101和钳底板102之间的距离。
94.典型的钳壳体在钳后部的齿轮系周围具有较大空区域。一般来讲，该区域填充有润滑脂；所需润滑脂的总体积取决于钳的尺寸。一般来讲，当操作钳时，润滑脂从齿轮离心地落到钳的壁上，从而在齿轮与润滑脂之间留下空隙并且提供很少润滑或不提供润滑。
95.如图15所示，本发明在空转齿轮603周围引入了填充块1501、1502、1503和1504并且填充了钳主体100内的许多空的空间。这极大减少了填充和润滑钳所需的润滑脂体积。填充块1501、1502、1503和1504被定位成紧邻空转齿轮603，并且填充块1501、1502、1503和1504的与齿轮外径相邻的侧面采用倾斜的润滑脂槽1506。因此，此构造提供了一种用于捕获并重新引导从空转齿轮603的齿落下的润滑脂回到空转齿轮603的齿的装置。另外，朝向齿轮倾斜的槽区域可通过定位在所述槽上方的润滑脂嘴401填充。在需要的地方，新的润滑脂将朝向空转齿轮表面603沿斜坡向下移动。另外，由于每个空转齿轮603曲折地连接到齿轮系周围的每隔一个齿轮，因此通过位于任何填充块1501、1502、1503或1504上方的任何润滑脂嘴401添加润滑脂将可靠地润滑齿轮系600内的每个齿轮。填充块1501、1502、1503和1504的安装所提供的附加有益效果是用作声音隔离屏障，从而减小钳在操作期间的总分贝输出。
96.图15还示出了一系列沉入钳顶板101和钳底板102中的支撑柱1507。所述支撑柱1507使用较小的平头螺钉将填充块1501、1502、1503和1504固定到钳顶板101和钳底板102上，从而消除突出部。此外，轴上的润滑脂嘴401包括齐平安装类型，从而进一步消除来自钳顶板101和钳底板102的小突出部，此类表面易损坏。
97.典型的钳具有大量齿轮，这些齿轮可承受大量应力。此类齿轮存在许多失效模式，包括引入外来碎屑、不适当的润滑和超过设计极限的过度负载。无论哪种失效模式，最常见的是齿轮在局部区域失效。然而，整个齿轮必须被移除并更换。这通常是昂贵的主张。
98.本发明提供了如图16所示的模块化可堆叠齿轮1601和1602。在齿轮局部失效的情况下；失效的可堆叠齿轮1601或1602可由库存中保有的可堆叠齿轮1601或1602而不是整个齿轮更换。由于可堆叠齿轮1601和1602是模块化的，因此给定直径的所有齿轮可由不同数量的不同厚度的齿轮段组成，以提供适于必要负载的足够齿轮面宽。如图16所示的本发明的优选实施方案使用可更换如图6所示的空转齿轮603的两个相等厚度的齿轮1601和1602。如图16所示的模块化齿轮系统可用于更换任何经受失效的单个齿轮，本文所述的模块化可堆叠齿轮系统并不意味着限于动力钳，而是可用于任何齿轮系构造。库存中保有的此类齿轮段提供了对给定齿轮的快速且成本高效的修理。
99.通常，传统的钳具有止动销或反向销。该销用于帮助将笼板喉部与旋转齿轮喉部对齐以及从管件释放夹爪组件。该销手动地从一个位置移动到另一个位置，或通过使用液压气缸将销推到位。当需要远程致动时，两个非常大的液压气缸定位在紧邻要旋转的管状构件的相应接通位置和断开位置的正上方。操作者将启动适当的气缸以实现所需销的插入或缩回。
100.图17示出了由通断致动器组件1800和摇臂组件1900组成的通断系统1700。本发明使用如图18和图18a所示的双旋转气缸1801，其固定在安装在钳顶板101上的通断致动器组
件1800内，远离管状构件和笼板1301，位于摇臂组件1900后方。当被致动时，来自相应旋转气缸1801的摆臂1808从摆臂缩回位置1802旋转(通常为90度)到摆臂展开位置1803。当旋转气缸1801失去能量时，摆臂1808旋转回到摆臂缩回位置1802。
101.图19和图19a示出了本发明的摇臂组件1900。当摆臂1808移动到摆臂展开位置1803时，它将相应的摇臂销1901向下推入位于旋转齿轮1451上的接收通断凹槽2001中。在执行通断操作之后，所接合的摇臂销1901能够在所述操作的相反方向上进行旋转齿轮1451和笼板1301之间的分离旋转。这种分离使夹爪组件脱离管件。摇臂组件1900同时将相对的摇臂销1901缩回以离开位置进入备用位置。因为附接到枢转基座1912的枢转臂1910通过枢转销1953在摇臂基座1902上方枢转，所以发生此类同时缩回。摇臂基座1902形成有端部坡道，使得摆臂1808可枢转到摆臂展开位置1803，而没有任何可能原本阻碍完全关节运动的障碍物。此外，随着处于摆臂展开位置1803的摆臂1808开始将摇臂销1901推到位，位于枢转臂1910与摆臂1808之间的传递球1908减慢结合，从而确保摇臂销1901平滑且可靠地接合到通断凹槽2001中。通过消除通断系统1700的手动操作并将通断致动组件1800移离工作区域，此构造降低了损坏动力钳10的风险。动力钳10的远程操作也极大降低了人员受伤的风险。
102.旋转齿轮1451是动力钳10中最大且最昂贵的齿轮。施加在旋转齿轮1451上的最大应力发生在螺纹连接的接通循环期间，因为施加在旋转齿轮1451上的大多数所有旋转扭矩发生在接通循环期间，原因是需要以小得多的频率断开连接。如图20所示，与旋转齿轮1451的开口喉部的右侧相邻的第一接通齿轮齿面2003经受所有齿轮齿的最大应力，接着是第二接通齿轮齿面、第三接通齿轮齿面等。这是因为旋转的该前缘容易由于所传递的扭矩而最大程度地膨胀。与旋转齿轮1451的开放喉部的左侧相邻的第一断开齿轮齿面2004经受可归因于较不频繁的断开循环的最大应力。此外，与接通循环相关联的凸轮表面2005和2010比与断开循环相关联的凸轮表面经受更多磨损和应力。
103.本发明在旋转齿轮底部2007上形成附加的通断凹槽2001，其与在旋转齿轮顶部2002上形成的通断凹槽2001相对。随着旋转齿轮1451由于磨损和应力而接近其使用寿命，将它从钳主体100中取出并上下颠倒地重新安装。接通齿轮齿面2003和断开齿轮齿面2004改变位置以及齿轮齿前缘。底部通断凹槽2001替代顶侧通断凹槽2001，断开凸轮凹穴变成接通凸轮凹穴并且反之亦然。重要的是，用于接通的前缘齿轮齿变成用于断开的较少使用的前缘齿轮齿并且反之亦然。这将旋转齿轮1451的有效寿命周期延长几乎100％。任选地，通断凹槽2001可在所述凹槽的端部处装配有冲击负载缓冲器2008，用缓冲器螺钉2009进行固定。所安装的冲击负载缓冲器用于缓冲通断凹槽2001与摇臂销1901之间的冲击，从而降低损坏通断系统1700的风险。
104.典型的旋转齿轮具有其可容纳的有限范围的管件尺寸。如果管件尺寸小于所述范围，则传统选择将是设计和制造具有适当内径的夹爪。除了其他问题，此类夹爪组件的重量将使该选择变得不切实际。
105.本发明通过图21、图21a和图21b公开了可接收多个旋转齿轮插入件2101、2102及分段式旋转齿轮插入件2003的旋转齿轮803。附接到旋转齿轮803内径表面的所述插入件提供用于调节抓握压力的方式。多个互补的笼板将伴随多个旋转齿轮插入件，在其中模块化旋转齿轮插入件通过任意数量的装置附接到相邻旋转齿轮插入件或旋转齿轮803的实施方
案中，每个旋转齿轮插入件的尺寸渐进地减小，使得所附接的表面在所有服务负载期间在它们之间不遭遇相对移动。一系列互锁配合的锥形楔块将实现此类附接。用螺栓将所述旋转齿轮插入件连接在一起或通过任何其他方式连接它们都是可接受的，只要所接合的配合表面满足本文所述的接合标准即可。由于每个旋转插入件可重复使用多于一次，因此插入件可选择性地调节凸轮凹穴，以调节用于旋转齿轮803被设计成的任何尺寸以及在任何重量或材料等级下的力的大小。典型的旋转齿轮插入件2101内径将成比例地镜像旋转齿轮803内径表面或相邻的旋转齿轮插入件。旋转齿轮插入件2102的尺寸被设定成使得当三个夹爪与管状构件的配合表面接合时，三个夹爪间隔开120度，以均匀地围绕管状构件加载。这使得夹爪组件完全包裹管件，从而降低在通断循环期间损坏管件的风险。分段式旋转齿轮插入件2103提供了在给定段损坏或不均匀磨损的情况下降低更换成本的方式。此类系统可将修复成本降低约66％。此外，可将具有已变得磨损的凸轮表面的任何旋转齿轮修整成接受形成有凸轮表面的合适旋转齿轮插入件，以替代初始旋转齿轮的初始凸轮表面几何形状。此类插入件形成为还接受多个如上所述的插入件。与更换初始旋转齿轮相比，此类修复将具有极大成本有益效果。
106.传统钳夹爪通常具有与围绕旋转齿轮内径定位的圆柱形凹穴结合的销安装式辊。辊的直径和旋转件上的凹穴的半径对于三个变量得到优化；动力钳的总体尺寸、使用钳夹持的最大尺寸管件以及当辊夹持管件外径(“od”)时辊所在的凹穴上的单个位置。在所列出的约束内，辊的直径通常成为对辊能够承受的压缩力大小的限制，并因此由于辊与旋转件之间的有限接触面积而限制可通过夹爪传递的扭矩大小。这通常导致辊或旋转件被压碎或磨损，从而显著降低钳的夹持能力。
107.实心夹爪、具有整体形成到夹爪主体中的实心不可旋转面的夹爪是克服辊式夹爪的钳尺寸限制的另选设计。夹爪面与旋转件之间的线接触意味着此实施方案上的接触压力类似于辊式夹爪。另一个限制是夹爪上的不可旋转面与旋转件凹穴滑动接触，从而增大所述表面之间的摩擦力。因此，维护、更换和制造实心夹爪要昂贵得多。在上面列出的任一实施方案中，旋转件与夹爪之间存在线接触并且在设计时处预定接触的角位置。此角位置通常被称为凸轮角并且指示作用在管件上的所得径向夹持力。
108.给定外径的管件可根据壁厚及材料屈服和强度而变化，因此需要不同的夹持力来优化管状构件的结构完整性。必须小心地用适当的力进行夹持，使得管状构件既不被钳夹爪与管状构件之间的过大径向夹持力损坏，也不被管状构件与钳夹爪之间的不足径向力损坏，使得当旋转力施加到所述管状构件时，钳夹爪围绕管状构件滑动，从而在表面上留下划痕并减小所述管状构件壁的横截面积。
109.此外，典型的动力钳采用如图22所示的枢转夹爪或如图23所示的滑动夹爪。不论所采用的夹爪重复使用多少次，约束仍然存在。
110.本发明通过使用凸轮瓦插入件2203解决了旋转齿轮1451上的凸轮表面2006和2010处的接触应力问题。图22示出了枢转夹爪组件2200，其中枢转夹爪2201形成有枢转销孔，该枢转销孔轴向地设置成更靠近枢转夹爪2201的一个端部而不是另一个端部。枢转销2502将枢转夹爪组件固定在形成枢转夹爪2201所围绕枢转的轴线的笼板2504之间。如图22a所示，安装在凸轮瓦凹穴2206中的凸轮瓦插入件2203体现了本发明。
111.凸轮瓦插入件2203的尺寸可被设定成具有与旋转齿轮1451上的圆柱形凸轮表面
2005和2010的半径匹配的半径，由此极大增大对应接触面积并极大延长这些配合表面的磨损寿命。该特征适用于如图23所示的滑动夹爪组件2300。
112.考虑到凸轮瓦插入件2203与配合凸轮表面2005和2010存在滑动接触，配合表面的润滑和清洁维护十分关键。凸轮瓦插入件2203的特征在于收集润滑脂和碎屑的收集凹穴2207，否则润滑脂和碎屑可能被截留在所述瓦与凸轮表面2005和2010之间。
113.另外，本发明通过采用如图24至图24c所示的一系列凸轮瓦插入件2203、2401、2402和2403中的一个凸轮瓦插入件来解决管状构件上的夹持压力问题。所述凸轮瓦插入件的尺寸被设定成具有不同径向宽度，其中通过枢转夹爪2201或滑动夹爪2301从旋转齿轮1451传递的用以夹持管状构件的力的径向分量可简单地通过安装不同的凸轮瓦插入件来改变。
114.任选地，可在凸轮瓦插入件2203、2401、2402和2403的表面周围形成凹坑或其他浅的润滑脂保持腔，以减小滑动摩擦系数，因为所形成的润滑脂可以液压方式抵抗与其配合表面的接触。
115.凸轮瓦插入件2203、2401、2402和2403可被制成是牺牲性的，因此所述瓦的第一次磨损和更换是低成本且快速的。因为凸轮瓦插入件2203、2401、2402和2403可选择性地设定径向尺寸，所以可针对任何尺寸、重量或等级的管件采用适当尺寸的瓦。
116.此外，由于管件接通所需的夹持力通常低于管件断开所需的夹持力，因此凸轮瓦插入件2203、2401、2402和2403都被设计成具有两个不同的表面2404和2405，如图24所示。凸轮瓦插入件的径向厚度可优选地在任一所述表面处变化，以在接通循环与断开循环期间传递不同的夹持力。
117.结合使用如本文所公开的可变尺寸的凸轮瓦的灵活性，对于任何尺寸、重量或等级的管件，现在可对接通和断开两种情况无限地调节接触压力。
118.当动力钳接通或断开螺纹连接时，夹爪模具与管状构件夹持接触。为了使模具与管状构件接合，凸轮从动件围绕旋转齿轮的凸轮表面行进，直到凸轮从动件紧紧地楔入管状构件与凸轮表面之间。凸轮表面的弧长被设计成允许旋转齿轮与凸轮从动件之间的接触位置的规定行程范围。
119.超程是凸轮从动件沿凸轮表面行进超过适当位置的状态。一旦凸轮从动件行进超过适当的表面位置，就变得很难使夹爪组件从管状构件脱离，使得必须牺牲管件才能将其与动力钳分开。
120.存在许多可能导致所述超程的情况。旋转齿轮的凸轮表面和/或滑动或滚动夹爪的凸轮从动件可能磨损、变形或断裂，使得凸轮从动件跳过其行程位置的终点。具有尺寸过小的径向厚度的夹爪模具可能意外地安装在夹爪组件上。如果管状构件的外径由于施加高扭矩或通过任何其他方式变得向内变形，则夹爪组件可能使凸轮表面超程。如果管状构件尺寸过小或不圆，则可能发生相同的情况。如果施加的扭矩超过动力钳的能力，则旋转齿轮的开口端可能扩张并且同样导致凸轮从动件超程。
121.图26示出了本发明的旋转齿轮1451，其公开了具有超程止动件2601和2602的特别形成的凸轮表面，超程止动件用作支撑点以防止凸轮瓦2603超程。无论旋转齿轮1451在顺时针还是在逆时针方向上行进，超程止动件2601和2602都防止超程。超程止动件2601和2602的尺寸可被设定成与枢转夹爪组件2200或滑动夹爪组件2300协作。
122.传统动力钳装配有较大的门，该门旋转打开以将管状构件接收到旋转齿轮的中心中。此类门很重，用作钳主体的结构支柱，并且必须可靠地操作。由于门铰链机构的磨损或外部冲击，门可能变得与钳主体不对准。不可靠的闩锁机构可带来极大安全风险并妨碍动力钳的功能。传统钳可能采用叶状铰链销，使得随着凸轮销轮廓围绕圆形配合铰链销孔旋转，通过在门处于闭合位置时抵靠叶状凸轮楔入孔的凸轮表面，钳门对于钳主体闩锁而言居中。然而，铰链销孔可能容易磨损，并且叶状销表面可能同样磨损或变形。这样，钳门可能变得与旋转齿轮非同心。钳门闩锁销还可能相对于钳主体下垂或升高。
123.图27示出了结合到钳顶板101、钳底板102和钳门组件1000上的门对准组件2700。可调主体板2701固定到钳顶板101、钳底板102的门铰链侧，并且通过调节螺钉2702连接到固定到钳门组件1000的可调门板2703。调节螺钉2702形成有具有相反线程的两个段，使得旋转所述螺钉将可调主体板2701和可调门板2703拉在一起或推动分开。可在钳主体100和钳门1000的顶部和底部独立地调节门对准组件2700。因此，当钳门组件1000变得与旋转齿轮1451非同心时，可协同地调节调节螺钉2702以使钳门组件1000和旋转齿轮1451返回到同心状态。此外，当钳门组件1000相对于钳主体100下垂或升高时，调节螺钉2702可以可靠地将钳门组件1000调节为与钳主体100水平。如果钳门组件1000已相对于钳主体100下垂，则可将上部调节螺钉2702置于张紧状态并且可将下部调节螺钉2702置于压缩状态以在两侧上向钳门1000提供支撑。相反地，如果钳门组件1000已相对于钳主体100升高，则可将上部调节螺钉2702置于压缩状态并且可将下部调节螺钉2702置于张紧状态以在两侧上为钳门组件1000提供支撑。
124.希望动力钳能够组装宽泛范围的管件尺寸。传统钳采用的一种方法是制造各种径向厚度的钳夹组，使得给定夹爪组的尺寸被设定成径向向内延伸到适合于管状构件的给定直径范围的期望尺寸。虽然此类系统可满足上述要求，但涵盖所有夹爪所需的成本过高并且夹爪组的总质量使得它们在使用和运输方面较为麻烦。
125.所开发的另一种方法是使用具有夹爪组的级联垫片，其中形成有配合花键的垫片堆叠在旋转齿轮与所需尺寸的夹爪之间，垫片的量足以将夹爪定位在给定管件范围的正确直径位置。此类系统同样可满足上述要求，但也具有局限性。与先前的重复使用不同，中间垫片没有夹爪面并且不可用于直接与管件结合。管件范围的每个尺寸需要单独的夹爪组。这种重复使用是一种改进，但同样是昂贵且麻烦的。
126.图28示出了可堆叠夹爪组件2800，其中功能性夹爪组用作可堆叠垫片以将给定夹爪组定位到其预期径向位置。第一夹爪组是主夹爪组件2801，其尺寸被设定成使具有最大外径的管状构件旋转，钳针对该管状构件进行设计。作为图28a所示的示例，对于钳组件10，主夹爪2803的尺寸被设定成适合22”管件，如果要配合185/8”管件，则将通过滑动沿中间夹爪2827的外半径设置的凸燕尾榫2829来使中间夹爪2827与主夹爪2803配合，凸燕尾榫的尺寸被设定成与沿主夹爪2803的内半径设置的插入件凹穴2804协作。通过确定夹爪插入件2204和凸燕尾榫2829两者的尺寸并装配到插入件凹穴2804中，尺寸小于主夹爪2803的每个夹爪可用作垫片或用作与管状构件结合的最终夹爪组。当要通过将最终夹爪2851上的凸燕尾榫2853滑动到插入件凹穴2828中来配合14”管件时，该概念可进一步扩展。可堆叠夹爪系统可形成为如本文所述的枢转夹爪，或通过适当地单独改变主夹爪组件2801来形成滑动夹爪。此可堆叠夹爪系统比其他可商购获得的系统具有高得多的成本效益，并且因为可堆叠
夹爪系统使用显著更少的材料，所以更易于使用、储存和运输。
127.如图25所示，固定到夹爪前缘的用以夹持管状构件表面的模具可压配合到钳夹爪中。可在模具下方添加小焊道以防止模具在重负荷下从夹爪中拉出，也可使用大头螺钉来保持模具。在钳的操作过程中，在尝试固定另一个管件之前，操作者必须目视确认钳处于打开位置。常规情况是，这通常用木杆来完成，由于许多原因这不是理想的。另外，如果插入件从其安装点断裂并落入井筒中，则必须从井中捞出模具，这通常花费很大。
128.如图28a所示，本发明修改了夹爪组件2801、2825和2850以在模具上方和下方增加凹槽。然后将板2802、2826或2851附接到这些凹槽中，从而用板的强度和模具对面的夹爪中的材料两者来保持模具。
129.上述发明具有多个应优选组合使用的特定特征，但在不脱离本发明范围的情况下，每个特征也是单独有用的。虽然在本文中示出并描述了本发明的优选实施方案，但应当理解，可以不同于本文具体举例说明或描述的方式来体现本发明，并且可在本发明的基本思想或原理范围内对部件的形式和布置以及实践本发明的特定方式进行某些改变。