齿轮齿条钻机是一种在浅层钻进时能主动施加钻进所需钻压的新型钻机,与传统石油钻机相比,齿条齿轮钻机具有传动效率高、结构简单、移运方便、节能环保、作业成本低和自动化程度高等特点,能较好地解决水平井和大位移井钻井过程中的钻压问题。钻机起升系统利用齿轮与齿条的啮合运动带动顶驱上下运动,既能提供上提力又能提供下压力。采用了齿轮齿条的传动方式,使钻机具有较快的钻进速度,在浅层钻井中有较大优势。本文主要分析钻机提升系统齿轮在运行过程中与齿条的啮合性能,主要从齿轮齿条的承载能力和运动规律研究其啮合性能。分析齿轮齿条的承载能力是其啮合运动的最基本要素;分析齿轮齿条的运动规律,以研究其啮合性能。对齿轮齿条承载能力的分析,分析齿轮齿条最大应力,判断强度是否满足要求,以保证齿轮齿条正常的啮合运动。在齿轮齿条满钩载起升工况下,采用传统的齿面接触强度和齿根弯曲强度理论计算公式,计算齿轮的齿面接触应力和齿根弯曲应力。在相同工况下,采用有限元仿真软件,建立齿轮齿条有限元简化模型并施加载荷和约束,为了保证有限元分析的准确性,静态模拟齿轮旋转过程,仿真分析轮齿两个啮合周期的运动过程,分析得到一个啮合周期的应力极大值和极大值的啮合位置。并最终将理论公式计算的结果与有限元分析结果进行对比分析,分析误差原因。分析齿轮齿条啮合的运动规律,建立了齿轮齿条的啮合动力学模型;结合齿轮齿条提升系统结构和运动规律,在啮合动力学模型的基础上,建立了提升系统动力学模型。基于动力学仿真软件,建立简化的齿轮齿条提升系统的动力学仿真模型,结合钻机6种不同工况施加载荷和约束,进行动力学仿真分析,得到每个工况下的速度和接触力等仿真结果,并对结果分析齿轮齿条的啮合运动规律。研究齿轮设计参数对其承载能力的影响,分别采用了单因素分析法和正交试验法。保证分析的准确可靠,以钻机满钩载极限起升为分析工况,选取齿轮齿条的任意啮合位置。单因素分析主要分析,齿轮模数、齿数、齿宽、变位系数和压力角对齿轮承载能力的影响,得出相应的影响规律。正交试验采取5因素5水平的分析手段,共25组正交试验。对正交试验数据处理分别采用极差分析法和方程分析法,分析得出5个因素对齿轮承载能力影响的主次关系,齿轮承载能力的最优方案和5个因素中对齿轮齿条承载能力显著性影响因素。考虑齿轮齿条长期处于低速重载和频繁起下钻的情况,齿轮轮齿极易发生疲劳失效或轮齿折断的情况。因齿轮齿条在实际运行过程中,齿轮上的交变载荷次数要远大于齿条上的交变载荷次数,本文只以齿轮为研究对象,分析其疲劳寿命。依据钻机正常钻进的载荷分布规律,结合疲劳累积损伤理论,得出了齿轮出现疲劳失效的最小运行时间。本文中对齿轮齿条啮合特性的分析,分别从齿轮的承载性能和运动规律两个面进行分析研究,并得出研究结论,以期望研究结论对齿轮齿条钻机的设计具有一定的指导意义。