顶部驱动钻井系统(简称顶驱),是当今石油钻井装备中技术含量高、结构复杂的先进的机电液一体化设备,是当前钻井设备自动化发展更新阶段的突出成果之一,该系统与传统系统相比显著提高了钻井作业的能力和效率。目前世界上仅美国、俄罗斯、挪威、加拿大等极少数国家掌握该技术。我国于近几年加快了对该系统的研制工作,在引进、消化、吸收的基础上,成功研制出了常温顶驱。低温顶驱传动装置是在常温顶驱基础上,开发出的适应极地(-45℃)工况的产品。低温顶驱传动装置的成功研制,不但替代了设备的进口,加快了我国钻井装备国产化的进程,填补了国内在该领域的空白,同时创也造了极大的社会效益和经济效益。本文以低温顶驱传动装置的设计、开发、生产为线索,论述了低温顶驱传动装置研发的关键过程。主要研究的内容包括如下四个方面:(1)低温闭式传动装置传动件的选材。结合低温顶驱的实际使用工况,考虑低温条件下齿轮产品的承载能力、精度、可靠性、传递效率因素等,通过常、低温力学性能试验分析,确定了闭式传动部分的材料,并对其生产加工工艺进行了阐述。(2)优化设计,快速确定齿轮参数。在齿轮参数选择时,为提高设计效率,运用复合形法编制了优化设计程序,在中心距给定情况下快速确定齿轮参数,最终经强度校核,确定满足使用要求的各级传动的齿轮参数。(3)回转头材料选择及韧脆转变温度预测。针对低温顶驱传动装置外露受拉部件回转头,进行了铸造选材和力学性能试验对比分析,热处理工艺的制定和改进,通过Boltzmann回归分析预测出材料的韧脆转变温度,对结构进行有限元强度分析,确定了满足使用要求的低温顶驱传动装置关键部件回转头的材料及材料的热处理工艺。(4)外露部件选材及有限元强度分析。对低温顶驱传动装置的箱体、提环销轴、内套,进行了常、低温力学性能试验,热处理工艺制定及有限元强度分析,验证了各部件能够满足现场使用要求。通过上述的研究工作,为成功生产出合格的低温顶驱传动装置提供了可靠的科学依据,低温顶驱于2008年3月成功出口俄罗斯,使得该研究在理论与实践方面都具有十分重要的意义。