专利名称：一种钻杆卡夹、钳阻尼缓冲装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种石油钻井设备，特别涉及石油钻机在移运、排放钻 杆设备中的卡夹、钳阻尼、缓冲机构。
背景技术：
当前，陆地石油钻机在移运、排放钻杆作业基本依靠人力手工作业完成。 国内至今尚未出现在轻型钻杆移运、排放机械必须具备的钻杆夹持装置阻尼 缓冲机构。国外已有成套的钻杆移运、排放系统，大多配套于海洋钻机，所 设计的夹持装置或机械手主要按重型钻具考虑，对一般钻具而言动力储备和 构件强度设计都有较大余量，而在设备的阻尼、缓冲保护方面则显得不足。 对于国内陆地钻机的钻杆移运、排放主要在钻机起下钻作业中对处于垂直状 态的立根进行操作，因此功能需求比较简单，在满足结构强度的前提下设备 设计成紧凑、轻巧，灵便，适合安装于二层台或井架上的轻型设备。在对设 备进行轻量化设计的同时，设备运行的安全、平稳性也应具有更高的性能， 满足更高的要求，卡夹、钳阻尼、缓冲机构的设计正是基于此目的和背景。
发明内容
本实用新型一种钻杆卡夹、钳阻尼缓冲装置，所要解决的技术问题是克 服现有技术中夹持装置或机械手主要按重型钻具考虑，对一般钻具而言动力 储备和构件强度设计都有较大余量，而在设备的阻尼、缓冲保护方面则显得 不足。本实用新型设计一种适合与当前国内陆地钻机轻型钻杆移运、排放设 备配套的结构紧凑、组装方便、维护容易、成本低廉的石油钻杆卡夹持阻尼、 缓冲机构，使卡夹、钳与排放臂之间通常的刚性连接变为柔性连接，降低设 备在操作过程中可能出现的过载、受阻、误操等状况所引发的风险，提高钻 具提起、移动过程的平稳性，降低卡夹、钳夹取对中的要求，使夹取操作更 为容易，縮短操作时间。
为实现上述目的，本实用新型的解决方案是 一种钻杆卡夹、钳阻尼缓冲装置，其特征是所述装置由悬挂式万向连接架
3和缓冲机构组成；悬挂式万向连接架由俯仰轴、俯仰轴悬挂支架、十字正交 轴连接柱、横倾轴、横倾轴悬挂支架组成，俯仰轴悬挂支架通过俯仰轴与十 字正交轴连接柱的上轴孔铰接；横倾轴悬挂支架通过横倾轴与十字正交轴连 接柱的下轴孔铰接；俯仰轴悬挂支架通过螺栓固定在轻型钻杆移运、排放设
备排放臂上；横倾轴悬挂支架通过紧固螺栓固定在卡夹、钳n形安装支架上
部；卡夹、钳通过悬挂式万向连接架能绕俯仰轴和横倾轴进行回转，形成排 放臂与卡夹、钳之间的柔性、两维铰接结构；所述缓冲机构分别由俯仰缓冲 机构和横倾缓冲机构组成，俯仰缓冲机构由卡夹、钳支架下连接螺栓、下耳 板座、弹簧气液双向缓冲器、摇杆、摇杆轴和副臂与双向缓冲器连接轴组成，
下耳板座经卡夹、钳支架下连接螺栓固定于卡夹、钳n形安装支架下部，并
与弹簧气液双向缓冲器活塞杆端头铰接；弹簧气液双向缓冲器的另一端耳板 则铰接于副臂与双向缓冲器连接轴的中间部位；
(1) 所述横倾缓冲机构由横倾缓冲弹簧调节支架、横倾缓冲弹簧座与 调节螺旋、横倾缓冲弹簧调节螺杆和横倾弹簧组成；横倾缓冲弹簧调节支架 经螺栓固定于十字正交轴连接柱，其上安装有横倾缓冲弹簧调节螺杆，旋转 横倾缓冲弹簧座与调节螺旋对横倾弹簧的初始工作负荷进行调整。将卡夹、
钳n形安装支架上部与轻型钻杆移运、排放设备排放臂之间的连接设计成具
有柔性的两维铰接结构，使卡夹、钳夹持钻杆后，相对于排放臂能绕两个水 平正交的铰链轴回转；
(2) 在卡夹、钳n形安装支架下部经下耳板座铰接了一个双向缓冲
器，使卡夹、钳在外力作用下能分别沿纵向(活塞杆)和横向(副臂与双向 缓冲器连接轴)产生线位移；
(3) 在横倾悬挂支架与十字正交连接柱之间安装了两个横倾缓冲弹 簧，形成绕横倾轴的阻尼、缓冲结构；在卡夹、钳n形安装支架下部铰接的 双向缓冲器，形成绕俯仰轴的阻尼与缓冲结构；
本实用新型主要解决-(1)消除和缓冲在排放臂与卡夹、钳两水平轴上出现的超过额定的扭矩负 荷和过载冲击。
当轻型钻杆移运、排放设备与卡夹、钳设计成刚性连接时，长达27.5
4米立根底部水平方向上稍有外力或钻杆处于倾斜状态，即会在位于立根上端 的夹钳与排放臂形成一个很大的扭矩，极易造成构件损坏，带来安全风险。 因此要求排放臂、夹钳在绕水平方向两轴除能承受钻杆重心相对于吊点偏心 造成的扭矩负荷外，还必须考虑在钻杆上可能出现的外力和钻杆姿态所形成 的扭矩，相应构件强度设计要比正常偏大许多。这对要求在井架上部或二层 台安装的轻型钻杆移运、排放设备的自身重量不能过重是个很大的矛盾。
(2) 为使卡夹、钳夹住钻杆后具有足够提起钻杆的夹持力，卡夹、钳应 在夹持钻杆过程中自动消除卡夹、钳中心线与钻杆中心存在的偏差。
在卡夹、钳夹持钻杆的操作中很难做到将卡夹、钳中心与位于井口或钻 杆盒中的钻杆中心完全对准一致，存在的偏差将直接影响卡夹、钳夹住钻杆 后卡瓦与钻杆干表面的吻合程度，亦即影响到决定能否可靠提升的夹持力。
(3) 减小钻杆在移动、回转过程中因钻杆惯性引起的启动冲击、摇摆、 增加移运的平稳性，縮短钻杆移运、夹取操作时间。
与现有技术相比，本实用新型具有如下技术效果
本实用新型使卡夹、钳与排放臂之间通常的刚性连接变为柔性连接，降 低设备在操作过程中可能出现的过载、受阻、误操等状况所引发的风险，提 高钻具提起、移动过程的平稳性，降低卡夹、钳夹取对中的要求，使夹取操 作更为容易，缩短操作时间。
附图1是本实用新型的总体结构
附图2是本实用新型的总体结构 附图中的标号说明
1. 钻杆
2. 俯仰轴
3. 俯仰轴悬挂支架
4. 十字正交轴连接柱
5. 横倾缓冲弹簧调节支架
6. 横倾缓冲弹簧座与调节螺旋
原理主视图。 原理侧视图。
12. 卡夹、钳支架下连接螺栓
13. 下耳板座
14. 弹簧气液双向缓冲器
15. 排放臂
16. 排放臂与缓冲器紧固螺栓
17. 摇杆轴7.横倾缓冲弹簧调节螺杆
缓冲器与卡夹、钳紧固螺栓
8.横倾轴
卡夹、钳n形安装支架
9.横倾缓冲弹簧
10.横倾轴悬挂支架
排放臂副臂
ll.卡夹、钳
22.副臂与双向缓冲器连接轴
具体实施方式
以下结合附图1和附图2对本实用新型结构、原理和功能作进一步描述。 一种钻杆卡夹、钳阻尼缓冲装置，其结构特征是所述装置由悬挂式万 向连接架和缓冲机构组成;悬挂式万向连接架由俯仰轴2、俯仰轴悬挂支架3、 十字正交轴连接柱4、横倾轴8、横倾轴悬挂支架10组成，俯仰轴悬挂支架 3通过俯仰轴2与十字正交轴连接柱4的上轴孔铰接；横倾轴悬挂支架3通 过横倾轴8与十字正交轴连接柱4的下轴孔铰接；俯仰轴悬挂支架3通过螺 栓16固定在轻型钻杆移运、排放设备排放臂15上；横倾轴悬挂支架10通过 紧固螺栓18固定在卡夹、钳n形安装支架19上部；卡夹、钳11通过悬挂式 万向连接架能绕俯仰轴2和横倾轴8进行回转，形成排放臂15与卡夹、钳 ll之间的柔性、两维铰接结构。
其中的缓冲机构分别由俯仰缓冲机构和横倾缓冲机构组成，俯仰缓冲机 构由卡夹、钳支架下连接螺栓12、下耳板座13、弹簧气液双向缓冲器14、 摇杆20、摇杆轴17和副臂与双向缓冲器连接轴22组成，下耳板座13经卡 夹、钳支架下连接螺栓12固定于卡夹、钳n形安装支架19下部，并与弹簧 气液双向缓冲器14活塞杆端头铰接；弹簧气液双向缓冲器14的另一端耳板 则铰接于副臂与双向缓冲器连接轴22的中间部位。
横倾缓冲机构由横倾缓冲弹簧调节支架5、横倾缓冲弹簧座与调节螺旋 6、横倾缓冲弹簧调节螺杆7、横倾弹簧9组成；横倾缓冲弹簧调节支架5经 螺栓固定于十字正交轴连接柱4，其上安装有横倾缓冲弹簧调节螺杆7，旋转 横倾缓冲弹簧座与调节螺旋6对横倾弹簧9的初始工作负荷进行调整。
本实用新型由悬挂式万向连接架和缓冲机构组成；悬挂式万向连接架实 现卡夹、钳11与排放臂15之间的柔性两维铰接结构；缓冲机构则实现对横 倾轴8和俯仰轴2的阻尼、缓冲功能。悬挂式万向连接架由俯仰轴2、俯仰轴悬挂支架3、十字正交轴连接柱4、 横倾轴8、横倾轴悬挂支架10组成。俯仰轴悬挂支架3通过俯仰轴2与十字 正交轴连接柱4的上轴孔铰接；横倾轴悬挂支架3通过横倾轴8与十字正交 轴连接柱4的下轴孔铰接；俯仰轴悬挂支架3通过螺栓16固定在轻型钻杆移 运、排放设备排放臂15上;横倾轴悬挂支架10通过紧固螺栓18固定在卡夹、 钳n形安装支架19上部；卡夹、钳11通过悬挂式万向连接架能绕俯仰轴2 和横倾轴8进行回转，形成排放臂15与卡夹、钳ll之间的柔性、两维铰接 结构。
柔性、两维铰接结构使卡夹、钳11夹持钻杆1后，能绕相互正交的俯仰 轴2和横倾轴8回转，亦即允许钻杆1通过本实用新型在纵向和横向摆动。 当钻杆l被提起后，在重力作用下钻杆重心能自动与中心线重合，避免产生 因重心偏离而产生作用在卡夹、钳11和排放臂15上的附加扭矩；即使钻杆 未被提起离开钻台面，无论钻杆处于何种姿态，在卡夹、钳ll端的铰链支承 2和8上都不会出现扭矩。本实用新型的两维铰接结构连接，消除了由于钻 杆上可能出现的外力和钻杆姿态不垂直在卡钳11和排放臂15上所形成的扭 矩。
缓冲机构由分别由俯仰缓冲机构和横倾缓冲机构组成。俯仰缓冲机构由 卡夹、钳支架下连接螺栓12、下耳板座13、弹簧气液双向缓冲器14、摇杆 20、摇杆轴17、和副臂与双向缓冲器连接轴22组成。下耳板座13经卡夹、 钳支架下连接螺栓12固定于卡夹、钳n形安装支架19下部，并于弹簧气液 双向缓冲器14活塞杆端头铰接；弹簧气液双向缓冲器14的另一端耳板则铰 接于副臂与双向缓冲器连接轴22的中间部位。当卡夹、钳ll纵向受到冲击 载荷后，在副臂21和连接轴22的支撑下弹簧气液双向缓冲器14活塞杆瞬间 发生位移，吸收储能减缓冲击。摇杆20与排放臂15、卡夹、钳ll、本实用 新型的悬挂式万向连接架组成平行连杆机构，以维持卡夹、钳11的垂直。
横倾缓冲机构由横倾缓冲弹簧调节支架5、横倾缓冲弹簧调节螺旋6、横 倾缓冲弹簧座7、横倾弹簧9组成；横倾缓冲弹簧调节支架5经螺栓固定于 十字正交轴连接柱4，其上安装有横倾缓冲弹簧调节螺杆7，通过旋转调节嫘 旋6可对横倾弹簧9的初始工作负荷进行调整，使横倾轴悬挂支架10相对于十字正交轴连接柱4居中。当卡夹、钳ll在横向受到冲击载荷后，横倾轴悬 挂支架10随同卡夹、钳11 一起绕横倾轴8回转，处于横倾轴悬挂支架10 和横倾缓冲弹簧调节支架5间一侧距离减小，该侧横倾缓冲弹簧9在被压縮 过程中吸收储能，对横倾轴悬挂支架10进行阻尼、缓冲；当外部冲击负荷减 小或消失时，缓冲弹簧9释放所储存的能量，促使横倾轴悬挂支架10恢复原 状。
同样，上述缓冲机构同时也能对卡夹、钳11夹住一根垂直状态的立根平 移或回转启动、停止时所产生的惯性力矩进行缓冲，减小立根在移运中的摇 摆，使移运更加平稳。
如上所述，由于卡夹、钳11与排放臂15间采取本实用新型的悬挂式万 向连接架，使它们之间形成两维正交铰接，具有了两个回转自由度；而在卡 夹、钳n形安装支架19下部经下耳板座13铰接的双向缓冲器14，使卡夹、 钳11在外力作用下能分别沿纵向活塞杆和横向副臂与双向缓冲器连接轴产 生线位移。这样使卡夹、钳11在夹住钻杆1后，依靠夹紧力对卡夹、钳11 两个轴的四个自由度进行微调，消除卡夹、钳11对中后可能存在的角偏差和 位置偏差，使卡夹、钳11与钻杆1的中心能取得一致，方便了卡夹、钳11 在井口或钻杆盒夹取钻杆的对中操作，能有效縮短钻杆的排放、移运操作时 间。
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权利要求1. 一种钻杆卡夹、钳阻尼缓冲装置，其特征是所述装置由悬挂式万向连接架和缓冲机构组成；悬挂式万向连接架由俯仰轴(2)、俯仰轴悬挂支架(3)、十字正交轴连接柱(4)、横倾轴(8)、横倾轴悬挂支架(10)组成，俯仰轴悬挂支架(3)通过俯仰轴(2)与十字正交轴连接柱(4)的上轴孔铰接；横倾轴悬挂支架(3)通过横倾轴(8)与十字正交轴连接柱(4)的下轴孔铰接；俯仰轴悬挂支架(3)通过螺栓(16)固定在轻型钻杆移运、排放设备排放臂(15)上；横倾轴悬挂支架(10)通过紧固螺栓(18)固定在卡夹钳∏形安装支架(19)上部；卡夹钳(11)通过悬挂式万向连接架能绕俯仰轴(2)和横倾轴(8)进行回转，形成排放臂(15)与卡夹钳(11)之间的柔性、两维铰接结构；所述缓冲机构分别由俯仰缓冲机构和横倾缓冲机构组成，俯仰缓冲机构由卡夹钳支架下连接螺栓(12)、下耳板座(13)、弹簧(气液)双向缓冲器(14)、摇杆(20)、摇杆轴(17)和副臂与双向缓冲器连接轴(22)组成，下耳板座(13)经卡夹钳支架下连接螺栓(12)固定于卡夹钳∏形安装支架(19)下部，并与弹簧(气液)双向缓冲器(14)活塞杆端头铰接；弹簧(气液)双向缓冲器(14)的另一端耳板则铰接于副臂与双向缓冲器连接轴(22)的中间部位；所述横倾缓冲机构由横倾缓冲弹簧调节支架(5)、横倾缓冲弹簧座与调节螺旋(6)、横倾缓冲弹簧调节螺杆(7)、横倾弹簧(9)组成；横倾缓冲弹簧调节支架(5)经螺栓固定于十字正交轴连接柱(4)，其上安装有横倾缓冲弹簧调节螺杆(7)，旋转横倾缓冲弹簧座与调节螺旋(6)对横倾弹簧(9)的初始工作负荷进行调整。
专利摘要本实用新型涉及一种钻杆卡夹、钳阻尼缓冲装置，其由悬挂式万向连接架和缓冲机构组成；悬挂式万向连接架由俯仰轴、俯仰轴悬挂支架、十字正交轴连接柱、横倾轴、横倾轴悬挂支架组成，俯仰轴悬挂支架通过俯仰轴与十字正交轴连接柱的上轴孔铰接，横倾轴悬挂支架通过横倾轴与十字正交轴连接柱的下轴孔铰接；俯仰轴悬挂支架通过螺栓固定在轻型钻杆移运、排放设备排放臂上，缓冲机构分别由俯仰缓冲机构和横倾缓冲机构组成；横倾缓冲机构由横倾缓冲弹簧调节支架、横倾缓冲弹簧座与调节螺旋、横倾缓冲弹簧调节螺杆和横倾弹簧组成。本实用新型方便了卡(夹)钳在井口或钻杆盒夹取钻杆时的对中操作，能有效缩短钻杆的排放、移运操作时间。
文档编号E21B19/00GK201284630SQ200820059620
公开日2009年8月5日 申请日期2008年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者周声强, 鸣 姜, 张新红, 曹言悌 申请人:上海三高石油设备有限公司