顶部驱动钻井装置已经成为二十一世纪钻井技术的重要装备之一，安装了顶部驱动的钻机比传统的钻井装置更加可靠、高效和安全。近些年，国内外顶部驱动钻井装置主要往小型化和可拆卸式发展。目前，国内顶部驱动钻井装备与国外相比无论是在结构上还是可靠性方面都还存在很大的差距。钻机顶驱系统的重要组成部分背钳主要用来完成钻杆的上卸扣作业，此外也可以利用背钳更换保护接头和内防喷器。顶驱钻机的工作地点环境恶劣、工作强度大，背钳机构的故障率很高，这就急需要提高背钳机构的工作可靠性。本文对背钳机构进行改进，并在此基础上，运用ADAMS和ANSYS软件对背钳系统进行运动学和静力学分析，并利用AMESim对背钳液压系统进行仿真分析，得到液压系统动态特性，以达到提高背钳机构工作效率、工作可靠性的目的。首先，本文简要介绍了顶部驱动钻井装置的基本结构组成，详细分析了背钳在顶驱系统中的作用以及它的基本结构组成。对背钳的工作原理和现有研究所存在的一些问题作进一步的阐述，并经过设计计算，确定背钳结构基本尺寸，并以CATIA软件为设计平台建立背钳夹紧机构模型。其次，简单介绍虚拟样机技术以及在石油钻井机械中的应用。在背钳机构三维模型的基础上，运用多体动力学仿真软件ADAMS对背钳机构进行运动学和动力学仿真分析，得到背钳机构中的运动部件在背钳夹紧和松开的过程中的速度和加速度运动曲线，初步探索了背钳的运动规律，为背钳机构的液压系统设计提供理论依据。再次，运用有限元分析软件ANSYS Workbench模块对背钳关键零部件进行静力学分析，得到零部件在受力状态下的应力分布情况，为背钳关键零部件的进一步改进提供参考。最后，简要分析背钳液压系统原理，建立背钳机构液压原理图，运用AMESim软件对背钳夹紧钻杆过程进行仿真，得到其液压系统动态特性曲线图，验证了背钳液压系统的可行性与可靠性。顶部驱动钻井装置在国内的发展还很短暂，很多方面研究成果还不是很成熟，本文的研究可以为顶驱系统或者其它石油机械产品提供理论参考。