一种承载式电机直接驱动的顶驱的制作方法

本发明涉及石油钻井行业使用的钻井驱动技术领域，具体为一种承载式电机直接驱动的顶驱。

背景技术：

目前石油钻井行业使用的顶驱，主要是通过电机驱动减速箱内的齿轮间接驱动旋转轴进行钻井作业。弊端是结构复杂，维护保养点过多，故障率高。由于钻井作业的特点是环境恶劣，工况复杂，对设备的稳定性要求高等。因此如何提高设备的可靠性、耐用性、安全性等方面越来越迫切。目前，国内外钻机大多数采用电机带动变速箱驱动，这样可以使电机出力大、体积小。但钻机结构复杂，不光有驱动电机，还有变速箱及润滑液压系统。这类钻机40%的故障，是由变速箱及其附属设备所引起的。并且寒冷地区变速箱润滑传动很困难，大大限制了该类钻机的使用。我司技术人员大胆创新推出了油田用直驱电机系列，电机直接驱动、取消齿轮箱，结构简单紧凑、维护方便，大大提高了钻机的可靠性、使用寿命和效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种承载式电机直接驱动的顶驱，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种承载式电机直接驱动的顶驱，包括鹅颈管、鹅颈管支架、冲管、电机定子、电机转子、电机下端盖、电机上端盖、提环、通风系统、编码器和液压系统，所述电机转子中间穿有中空结构的旋转轴，所述旋转轴从上至下依次配合连接有鹅颈管、冲管、上轴承、涨紧连接套、上承载环、承载轴承、电机转子、下轴承和下承载环，所述下承载环上端设有旋转轴套和轴套支座，所述涨紧连接套外部连接有连接套和刹车盘，所述刹车盘上下两侧设有盘刹油缸，所述旋转轴套外部连接有旋转密封圈和悬挂体，所述悬挂体上端设有旋转头驱动器和旋转头制动器并且安装在电机定子下端，所述电机上端盖下端设有润滑油腔。

进一步的：所述旋转轴与电机转子通过键配合固定连接，或采用涨紧联结套、锥过盈连接起到同作用的结构。

进一步的：传统的主轴设计为分体结构，分为上承载环和旋转轴两部分。所述旋转轴和上承载环构成一个承载台阶，所述旋转轴和下承载环构成另一个承载台阶，所述上承载环和下承载环都为两半环结构，并且中间设有凹槽与旋转轴配合连接，所述上承载环和下承载环的结构为螺纹结构，所述上承载环与承载轴承之间设有轴承垫片，所述下承载环与轴套支座之间设有过渡环和自润滑垫片。

进一步的：所述悬挂体、旋转轴套和旋转密封圈组成简易液压油缸结构，通过液压力控制使悬挂体沿旋转轴套上下运动，所述旋转头驱动器驱动悬挂体可以360°旋转，所述旋转头驱动器和旋转头制动器为液压驱动，所述旋转轴套上下两端配合连接有扶正环。

进一步的：所述上轴承为圆锥滚子轴承，所述下轴承为圆柱滚子轴承。

进一步的：所述液压系统包括液压泵电机组、液压油箱、液压阀组和连接管线，所述通风系统包括风机和通风管道。

进一步的：所述提环通过提环销轴铰接连接在电机上端盖上。

进一步的：所述鹅颈管外接泥浆管。

本发明对现有顶驱的特点和使用要求进行了充分的调研。采用多承载通道设计，在旋转钻进时，旋转轴承担全部载荷；在起下钻时，旋转轴和电机定子同时承担载荷。这样改善了旋转轴的受力状况，提高了寿命。本发明由电机转子直接驱动钻具钻进，没有变速装置，减少了齿轮啮合和中间轴承布置，结构简单，故障率低。本发明采用分体式主轴设计，在更换主承载轴承时，不需要对电机上盖以下结构进行拆卸。

本发明的目的是：提供一种电机直接驱动旋转轴，且多通道承载设计的顶驱；提供一种分体式主轴设计的顶驱。

本发明的顶驱主要由提环、电机、旋转轴、上承载环、悬挂体、下承载环等组成。电机的转子和旋转轴连接在一起输出扭矩。电机上盖内设置承载轴承，承载轴承通过上承载环连接于旋转轴上。旋转轴即承受扭矩又承受拉力。刹车盘设置在电机上盖内部，并通过涨紧联结套固定在旋转轴上。通过刹车油缸夹紧刹车盘来实现旋转轴的制动。

由于采用上述结构，当顶驱在钻进作业时，载荷的传递为旋转轴至上承载环至承载轴承至电机上盖至提环。提环与电机上盖为销轴铰接，在前后方向上可实现自动调节受力状况。受力均匀，安全性高。

所述电机上盖和电机下盖均通过螺栓固定在电机定子上。悬挂体安装在旋转轴套上，悬挂体与旋转轴套内部设置旋转密封，形成油缸结构。旋转轴套固定在电机下盖上。悬挂体下部设置下承载环，下承载环安装在旋转轴上。

由于采用上述结构，当顶驱在起下钻工况下，载荷的传递分为两部分，一部分是悬挂体至轴套支座至旋转轴套至电机下盖至电机定子至电机上盖至提环；另一部分是悬挂体至下承载环至旋转轴至上承载环至承载轴承至电机上盖至提环。下承载环与旋转轴之间是凹槽连接。

基于以上两种工况下承载通道的不同。本发明通过这个特点降低了旋转轴的受力载荷。提高了使用寿命。

所述旋转轴是通过上承载环连接在承载轴承上。上承载环与旋转轴之间是凹槽结构。

对主承载轴承进行更换时，仅需要拆卸上承载环既可以实现。而不需要对整改旋转轴进行拆卸。节省了更换时间。同时这种设计主轴分体设计）减少了旋转轴的毛坯用料，降低了制造难度，节省了费用。

所述电机上端盖外部安装有液压系统，包括液压泵电机组、液压油箱、液压阀组、连接管路。给顶驱辅助机构提供动力。

由于采用上述结构。将液压系统集成在顶驱本体。相比较其他方式，如地面液压站。由于液压系统更接近执行机构，减少了液压系统反应时间，缩短了连接管线。减少了液压油的容量。体积更小，重量更轻，成本更低，安装更快捷，更方便整体运输。

本发明由电机直接驱动旋转轴进行钻井作业。电机上盖作为主要承载零件，其下部连接电机定子，内部安装承载轴承，上部连接提环。电机转子通过键与旋转轴连接。电机下端盖连接旋转机构。旋转轴为扭矩输出零件。上部通过上承载环、主承载轴承、电机上盖、提环等承担本发明装置的额定载荷。中部与电机转子通过键连接输出本发明装置的额定扭矩。电机的定子上部连接电机上盖，下部连接电机下盖，电机下盖下部连接悬挂体。通过液压力分担本发明的部分载荷。

主承载轴承采用油浸润滑，并外置油泵进行循环，使轴承工作时润滑良好。降低轴承使用时的温度，提高轴承使用寿命。

本发明采用多负荷通道承受额定载荷。改善了旋转轴的承载环境。提高了使用寿命。同时分体式主轴设计，方便更换承载轴承，提高设备使用率。从而更加适合石油钻采的需要。

综上所述，由于采用上述技术方案，本发明的突出优势是：

1.采用多载荷通道的设计，降低了旋转轴工作周期内的载荷峰值。提高了旋转轴的疲劳寿命，采用油浸润滑，并外置油泵进行循环，使轴承工作时润滑良好，降低轴承使用时的温度，提高轴承使用寿命。

2.采用分体式主轴设计，减少了旋转轴的毛坯用料，降低了制造难度，节省了费用，同时更加便于更换承载轴承。

3.集成式液压系统设计，结构紧凑，减少了液压系统反应时间，缩短了连接管线，减少了液压油的容量。体积更小，重量更轻，成本更低，更方便整体运输。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明示意图。

图中：1、鹅颈管，2、鹅颈管支架，3、冲管，4、上轴承，5、盘刹油缸，6、刹车盘，7、连接套，8、上承载环，9、承载轴承，10、电机定子，11、电机转子，12、旋转头驱动器，13、电机下端盖，14、悬挂体，15、旋转轴套，16、轴套支座，17、下承载环，18、过渡环，19、自润滑垫片，20、旋转密封圈，21、扶正环，22、旋转头制动器，23、下轴承，24、旋转轴，25、键，26、润滑油腔，27、轴承垫片，28、电机上端盖，29、涨紧连接套，30、提环销轴，31、提环，32、通风系统，33、泥浆管，34、编码器，35、液压系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图2，本发明提供一种技术方案：包括鹅颈管1、鹅颈管支架2、冲管3、电机定子10、电机转子11、电机下端盖13、电机上端盖28、提环31、通风系统32、编码器34、液压系统35，其特征在于：所述电机转子11中间穿有中空结构的旋转轴24，所述旋转轴24从上至下依次配合连接有鹅颈管1、冲管3、上轴承4、涨紧连接套29、上承载环8、承载轴承9、电机转子11、下轴承和下承载环17，所述下承载环17上端设有旋转轴套15和轴套支座16，所述涨紧连接套29外部连接有连接套7和刹车盘6，所述刹车盘6上下两侧设有盘刹油缸5，所述旋转轴套15外部连接有旋转密封圈20和悬挂体14，所述悬挂体14上端设有旋转头驱动器12和旋转头制动器22并且安装在电机转子11上，所述电机上端盖28下端设有润滑油腔26。

所述旋转轴24为分体结构，分上下两部分，所述旋转轴24与电机转子11通过键25配合固定连接，也可以采用涨紧联结套、锥过盈连接起到同作用的结构。

所述旋转轴24和上承载环8构成一个承载台阶，所述旋转轴24和下承载环17构成另一个承载台阶，所述上承载环8和下承载环17都为两半环结构，并且中间设有凹槽与旋转轴24配合连接，所述上承载环8和下承载环17的结构为螺纹结构，所述上承载环8与承载轴承9之间设有轴承垫片27，所述下承载环17与轴套支座16之间设有过渡环18和自润滑垫片19。

所述悬挂体14、旋转轴套15和旋转密封圈20组成简易液压油缸结构，通过液压力控制使悬挂体14沿旋转轴套15上下运动，所述旋转头驱动器12驱动悬挂体14可以360°旋转，所述旋转头驱动器12和旋转头制动器22为液压驱动，所述旋转轴套15上端外部配合连接有扶正环21。

所述上轴承4为圆锥滚子轴承，所述下轴承23为圆柱滚子轴承。

所述液压系统包括液压泵电机组、液压油箱、液压阀组和连接管线，所述通风系统包括风机和通风管道。

所述提环31通过提环销轴30铰接连接在电机上端盖28上。

所述鹅颈管1外接泥浆管33。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。