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齿轮齿条钻机作为一种新型钻机,将齿轮齿条结构与顶驱集成装置替换传统钻机起升系统以及旋转系统,具有传动效率高、结构紧凑、在浅层钻进时能够主动施加钻压的优点。齿轮齿条作为齿轮齿条钻机的关键构件之一,通过多个齿轮与安装在井架上的齿条啮合,驱动提升箱的上下运动。齿轮齿条在长期交变载荷作用后容易发生齿根弯曲疲劳断裂或者齿面疲劳磨损。因此提高齿轮齿条的疲劳寿命也是齿轮齿条钻机的重要设计内容,目前我国关于齿轮齿条钻机的研究还较为缓慢,齿轮齿条钻机以其高效钻井的优势,已逐渐成为钻机领域的研究热点。本文依托于国家重大专项下属子课题“井工厂高效自动化钻机组研制”开展了齿轮齿条疲劳寿命预测研究。基于Hertz接触强度理论计算了齿轮齿条的接触强度,基于齿轮齿根弯曲强度理论计算齿轮齿条齿根弯曲强度。齿轮齿根弯曲应力小于齿轮接触强度,在齿轮作业过程中应更加关注齿轮齿条啮合处损伤情况。同时发现齿轮接触强度超过齿轮材料屈服强度,齿轮应采用强度更高的材料。建立了在直井、水平井下大钩载荷计算模型,对大钩载荷的主要影响因素进行参数选择分析。分别设计了井斜角为0°、15°、30°的直井以及井眼曲率为6°/30m、20°/30m、60°/30m的水平井,以此计算了在直井以及水平井下的大钩载荷。同时以齿轮单齿为对象计算了在不同钻深下钩载作用于齿轮上的频数。建立了单齿轮齿条接触应力有限元模型,分析了在不同钩载下齿轮齿条应力分布情况,齿轮接触应力均大于齿根弯曲应力,得到了在直井以及水平井下齿轮接触应力谱。通过实验测试以及线性拟合得到了齿轮齿条材料的S-N曲线,基于miner线性疲劳损伤累计理论计算了在多口直井以及水平井下齿轮疲劳寿命。在0°、15°、30°的直井中,井斜角越大钻机齿轮疲劳寿命越小,在井斜角为0°时齿轮疲劳寿命为263天,在相同工况下钻机可连续钻进4口0°井斜角的直井,同时钻深分别达到2520m、2390m、2230m之前齿轮均处于无限疲劳寿命阶段。在6°/30m、20°/30m、60°/30m的水平井中,井眼曲率半径越大,齿轮疲劳寿命越大。在井眼曲率半径为60°/30m时,钻机齿轮疲劳寿命为2608天。在相同工况下,钻机可连续钻进43口60°/30m的水平井。同时在钻深达到2530m、2531m、2532m前齿轮均处于无限疲劳寿命阶段。本文分别计算了在多口直井以及水平井下钻机齿轮的疲劳寿命,形成一种齿轮齿条疲劳寿命预测方法,为齿轮齿条钻机设计与预先性维修保养提供参考依据。