铁钻工在运行过程中存在较大的负载扰动,且特定工况下需要实现力控制,控制精度达不到期望要求,容易造成管道损坏。对此,采用阻抗控制方法控制铁钻工的运动,研究液压缸的位移与力跟踪性能。通过建立铁钻工机构运动简图,并利用解析法求得正逆运动学方程。为了提高运动轨迹柔顺性,采用五次多项式插值方法对铁钻工进行运动轨迹规划。设计阻抗控制方法,内环通过PID控制器进行位置控制,外环控制力。通过AMESim和Simulink分别建立铁钻工动力学模型、液压系统模型及阻抗控制模型,通过联合仿真模拟铁钻工运行过程。结果表明铁钻工在未与环境接触工况下及环境接触工况下均具有良好的位置控制精度,与不采用阻抗控制器相比力跟踪精度提高了42.4%。

论文以石油钻机井口钻柱冲卸扣和旋扣机械化作业设备—铁钻工冲扣钳壳体为研究对象,根据力学分析计算结果,基于Solidworks三维建模软件对冲扣钳壳体的重要组成板件进行参数化的建模,建立了壳体重要零件的结构优化数学模型,在不改变冲扣钳壳体各零件之间的配合的前提下利用ANSYS Workbench有限元软件对冲扣钳壳体尺寸参数进行了轻量化设计,同时对零件尺寸进行了敏感度分析。通过轻量化设计,在满足工作要求及强度和刚度条件下可将自重相对减小11.2%,减少了材料成本,为铁钻工冲扣钳的设计研制提供了理论依据。

针对现有铁钻工旋扣钳转矩不足、紧扣效率低的问题,对铁钻工旋扣钳滚轮和钻杆的摩擦特性进行研究,分析了铁钻工上、卸扣过程中滚动摩擦力、静摩擦力的影响因素及提高旋扣钳转矩的方法。在此基础上,开展碳纤维滚轮的旋扣摩擦转矩试验研究,得出该材料滚动摩擦、静摩擦转矩相对现有钢制滚轮摩擦转矩可提高50%,旋扣钳滚轮使用该材料对钻杆损伤小、可提高旋扣转矩、提升上卸扣效率的结论。并给出继续优化材料的配方,改善耐磨性,跟踪油田现场应用及优化旋扣钳使用程序的发展建议。

铁钻工是一种配套钻井的自动化井口工具,主要用于进行钻杆、钻铤、接头的旋扣和冲扣作业,可替代人力操作,并能有效提高生产效率和安全性。文中探讨的铁钻工冲扣钳结构为三点直推式,适用于大转矩级别的铁钻工,通过对冲扣钳壳体进行过程分析、制定加工工艺流程并完成了生产制造,为三点直推式铁钻工的壳体加工提供了技术支撑。

HIR-90型铁钻工是一种可自动拧卸钻杆的钻井辅助作业设备。为实现HIR-90型铁钻工的高精度自动定位,笔者分别用RecurDyn和AMESim软件建立该型号铁钻工的多体动力学模型和液压系统模型并设计控制信号,驱动铁钻工进行自动定位,分析了HIR-90型铁钻工伸展定位机构、升降定位机构和回转定位机构在铁钻工自动定位过程中的动态特性。通过合理设计控制参数,实现了HIR-90型铁钻工高平稳性、高精准度的自动定位。

铁钻工在伸展运动过程中,钳体运动的快速性、稳定性和定位精度取决于伸展机构的原理与结构。与伸展动作相关的驱动部件的输出力大小与该机构的动力学过程密切相关。分析了2种不同的伸展机构,并对各种伸展机构的动力学特性进行了计算。采用AMESim软件建立了伸展机构仿真模型,通过分析钳体的位移、速度和加速度曲线以及伸展油缸和升降油缸的受力曲线,将各伸展机构的动力学仿真过程进行对比,结果表明：所研究的伸展机构均可在规定的时间内完成伸展运动,但各有其优势和不足;伸展油缸倾斜安装能使伸展机构更快地跟踪阶跃输入信号;当输入斜坡信号时,伸展油缸竖直安装比伸展油缸倾斜安装可使伸展机构获得更好的工作特性。

铁钻工已广泛应用于自动化钻井过程中,文中介绍了一种采用SIEMENS S7-300PLC作为主控制器的铁钻工电控系统,通过硬件选型、软件的设计、优化,能很好地满足铁钻工实际工况,控制线路简单、安全可靠,有本地和远控两种操作模式,故障信息可通过人机界面（HMI）进行显示,智能化程度较高。

针对钻井作业过程中人员劳动强度大、危险系数高、作业环境恶劣等问题,提出适用于改造钻机的管柱自动化处理系统解决方案.主要包括：动力猫道、铁钻工、二层台机械手、液压吊卡、集成司钻等多个设备.为实现管柱处理全过程的远程自动化控制,解决多设备联动、防碰和互锁等问题,开发集成司钻控制系统（简称集控）.通过集控实现作业人员远离井口、二层台无人值守,确保人员本质安全.最后结合该系统的现场应用情况,提出改造钻机增加管柱自动化处理系统需要解决的主要问题.

具有互锁功能的气控液型伸缩臂式铁钻工是一种钻具上卸扣工具,其工作原理是能完成钻具整体快速旋上或卸开接头螺纹,同时实现了气控液型伸缩臂式铁钻工工作与顶驱工作的互锁。文中介绍了气控液型伸缩臂式铁钻工的结构、工作原理、技术参数等,也对其现场的使用情况进行了阐述,指出该铁钻工的优点。

铁钻工作为现代化钻井中重要的自动化设备之一,可实现钻杆、钻铤等钻具的旋扣连接工作,冲扣钳在铁钻工工作时起着夹紧及冲扣的作用,其上、下壳体属于铁钻工主承载件,在冲扣过程中受到滑块传递给它的转矩,通过对上、下壳体的结构分析、加工变形分析,合理设计工艺基准及切削参数,制定出合理的工艺方案。