石油资源直接制约着社会经济和社会生产力的发展,如何高效地从自然界中钻采石油资源成为当下的研究热点。其中,最关键的问题在于提升石油钻采设备的科技水品。钻具的自动操作系统是钻井平台设备的重要组成部分,也是保证钻井工作顺利有效进行的关键部分。在钻具自动操作系统研究方面,国外起步较早,发展较好,国内发展较晚技术相对落后。目前ZJ50D陆地钻机钻杆自动操作系统中包含的设备数量过多、体积较大,不便于运输和安装,在接立根过程中还存在钻具螺纹承受附加载荷过大而导致损坏的问题。本文以ZJ50D陆地钻机为研究基础,采用理论计算与数字仿真相结合的方法,从以下几个方面进行了研究：1、以ZJ50D陆地钻机的工作要求和技术参数为基础,以精简系统设备为目的,对现有钻杆自动操作系统进行改进设计,运用Pro/ENGINEER建立了改进后系统的整体三维模型,在此基础上建立了改进后关键机构的三维模型,并详细介绍了改进后系统的工作过程。2、设计了钻杆螺纹载荷补偿机构,建立了三维模型,并对该机构功能进行描述。在此基础上,运用双向扫描算法,建立了机构的速度约束数学模型并进行计算,通过Matlab对机构的运行速度进行数字仿真分析,最终得到优化后的速度数据。3、分析系统改进后机构的受力情况,建立机构的静力学方程,通过对方程进行计算,得到系统机构选材及驱动系统选择的理论依据。运用ANSYS软件对模型进行强度、刚度分析,得到模型应力云图及形变云图,验证机构设计的可靠性。4、将改进后垂直钻杆操作系统中桅杆行走装置模型进行简化,运用D-H坐标法建立模型的运动学方程,在正向及逆向运动学分析的基础上求解雅可比矩阵,利用Adams进行运动学仿真分析,得到机构速度及加速度曲线图,验证了系统改进设计的可行性。5、运用拉格朗日法建立简化后系统模型的动力学方程,对方程进行计算,得到模型各关节输出力的大小,比对运算结果,分析出合理的系统工作过程,在此基础上选择并设计出驱动系统。