液压动力钳是一种石油钻井井口工具,广泛适用于海洋、陆地钻井和修井作业时上卸管柱丝扣作业。目前,传统的液压动力钳虽然能适用大部分的管径范围,但须配置多套尺寸不同的牙板部件以适应不同的管径,更换流程繁琐,动力钳的移动也过于繁重和危险。本文通过对比国内传统液压动力钳和国外主流旋扣设备铁钻工的基本结构与工作方式,指出了传统液压动力钳与铁钻工各自的优缺点;进行了ZQ216-80新型液压动力钳的结构设计和优化,设计的新型夹紧机构,能够适用所有管径的钻杆,并且不需要颚板等夹紧部件;在移动方面结合了铁钻工的伸缩机构,能够安全便捷地移动液压动力钳。本文主要设计与研究内容如下:(1)分析了传统液压动力钳结构上的缺陷和使用过程中的问题,确定了ZQ216-80新型液压动力钳的性能参数;设计出新型的基于螺旋传动结构的上钳夹紧机构,提高了夹紧适用范围;借助机构运动学理论,对上下钳机构、传动系统和伸缩臂进行了结构优化设计,计算出了各机构参数使其符合设计要求,提高了钻杆上卸扣效率。(2)以液压动力钳各个机构具体工作要求为规范,确定了动力钳的系统压力,并设计了整机液压控制系统;借助液压缸载荷构成与计算理论基础,参考液压缸和液压马达选用规则,对各机构液压缸和液压马达等相关液压元件行进了计算和选型。(3)建立了上钳四联封闭齿轮系统和伸缩臂机构的运动学模型,基于Hertz接触理论在计算齿轮啮合接触力方面的应用,对上钳齿轮传动系统进行了动态特性研究;以多体系统动力学为理论依据,分析了伸缩臂在不同工况下所需要的驱动力,为伸缩臂液压缸的计算与选型提供了理论参考。(4)通过ANSYS Workbench软件对ZQ216-80新型液压动力钳的关键部件上钳U型夹紧支架和滑车体进行了静力学分析,得到了其应力应变云图和位移云图,验证了关键受力部件的可靠性。