（秦皇島華勘鉆探機械有限公司，河北 秦皇島 066000）

如何通過設(shè)計提高鉆探機械的可靠性

喬瑞麗

（秦皇島華勘鉆探機械有限公司，河北 秦皇島 066000）

鉆探機械的可靠性直接關(guān)系著產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性能，同時也關(guān)系著工程施工過程中操作人員的安全性，因此必須提高其使用可靠性。產(chǎn)品設(shè)計的好壞直接關(guān)系著產(chǎn)品的可靠性，因此必須提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。本文就鉆探機械產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計和先進設(shè)計方法進行了探討，為鉆探機械產(chǎn)品的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

鉆探機械；可靠性；設(shè)計

鉆探機械是我國常用工程機械的一種，為我國國民經(jīng)濟的增長起到了非常重要的作用。截止到目前已經(jīng)建立了非常完善的設(shè)計和制造體系，但是由于設(shè)計過程中經(jīng)常采用安全系數(shù)來進行材料安全性能的計算和校核，由于安全系數(shù)的選取受多種因素的影響，致使鉆探機械設(shè)計完成后仍然存在著一定的風(fēng)險，使其存在著較大的危險性。為了提高鉆探機械的使用性能，我們在設(shè)計過程中引入了可靠性設(shè)計的概念。

1 鉆探機械系統(tǒng)的組成

隨著我國地質(zhì)行業(yè)的不斷發(fā)展，新的勘測技術(shù)不斷被應(yīng)用，極大的促進了鉆探機械的發(fā)展。特別是近些年來，計算機技術(shù)的發(fā)展，鉆探機械基本上實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計和制造，極大的提高了鉆探設(shè)備的技術(shù)水平。目前我國大部分鉆探機械都跟馬達(dá)配合使用，保證了鉆探機械運行的精度和安全性。一般情況下鉆探機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 傳統(tǒng)鉆探機械設(shè)計方法

傳統(tǒng)鉆探機械設(shè)計過程中采用一般機械常用的設(shè)計方法，即根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，如承載能力、性能和效率等，確定和計算其各項技術(shù)參數(shù)。產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的好壞跟設(shè)計人員的整體素質(zhì)有很大關(guān)系，因為設(shè)計過程中需要的大量參數(shù)是由設(shè)計人員按照其設(shè)計經(jīng)驗或者已有設(shè)計方案來確定的。為了能夠保證設(shè)計方案的最優(yōu)，通常需要設(shè)計人員選擇多個方案，從中選擇的能耗最低，誤差最小的一個作為最終設(shè)計方案。但是受產(chǎn)品設(shè)計周期和設(shè)計效率的影響，這種設(shè)計方法收到的限制較多，設(shè)計人員只能夠選擇一個可行性方案進行鉆探機械的設(shè)計。為了提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，我們決定采用可靠性設(shè)計方法進行鉆探機械的設(shè)計。傳統(tǒng)鉆探機械設(shè)計方法的優(yōu)缺點見表1。

3 可靠性及可靠性設(shè)計

可靠性是指機械在規(guī)定時間和條件下能夠完成預(yù)定功能的能力，它包括了結(jié)構(gòu)可靠性和機構(gòu)可靠性兩個方面。其中結(jié)構(gòu)可靠性是要保證鉆探機械在使用過程中能夠避免因各種載荷引起的疲勞、磨損和斷裂故障的產(chǎn)生，機構(gòu)可靠性則是要保證鉆探機械運動可靠性?？煽啃栽O(shè)計是通過建立極限狀態(tài)函數(shù)來保證鉆探機械在使用過程中的機構(gòu)和結(jié)構(gòu)可靠性。

機械可靠性設(shè)計方法是目前鉆探機械設(shè)計過程中經(jīng)常采用的一種設(shè)計方法，按照其產(chǎn)品以及構(gòu)成的不同，可以將其分成以下幾種不同的方法：

（1）預(yù)防性設(shè)計

鉆探機械工作環(huán)境比較差，設(shè)備發(fā)生故障的幾率較高，為了提高設(shè)備質(zhì)量，常采用預(yù)防性設(shè)計方法。行星輪系是鉆機中常用的機械結(jié)構(gòu)，為了保證其使用過程中，各個齒輪都能夠承受足夠的力，所以在設(shè)計過程中要嚴(yán)格計算各個齒輪工作過程中所受力的大小，以便提供鉆探施工操作人員使用過程中承受的最大載量，確保其能夠承受最大應(yīng)力或者彎曲強度范圍能夠超過齒輪工作過程中所受力和強度的大小，避免因過額過載造成鉆探事故的發(fā)生，且零件購置時一定要對所有齒輪的質(zhì)量進行嚴(yán)格控制，確保其質(zhì)量。在鉆探實際操作中因鉆探施工人員忽視了鉆探孔內(nèi)阻力過載問題，發(fā)生過鉆機離合器齒輪磨光跑鉆；嚴(yán)重時還因鉆桿、鉆具過載、提引器抗拉硬度不達(dá)標(biāo)造成提引籃下口外漲和提引環(huán)掛口斷裂等，從而引起跑鉆，嚴(yán)重者造成人員傷亡。因此，在鉆探機械設(shè)備的設(shè)計中必須要考慮鉆探機臺實踐操作中的各種危險因素，對產(chǎn)品關(guān)鍵部位應(yīng)給予數(shù)據(jù)質(zhì)量保證，從而避免危險的發(fā)生。

表1 傳統(tǒng)設(shè)計方法優(yōu)缺點

圖1 鉆探機械的組成

圖2 鉆井泵機架模型

（2）余度設(shè)計方法

余度是機械設(shè)計中多余或者重復(fù)的結(jié)構(gòu)，它能夠在鉆探機械系統(tǒng)中某個機構(gòu)出現(xiàn)故障或者失效時，保證鉆探機械系統(tǒng)的功能仍然能夠?qū)崿F(xiàn)。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計雖然能夠在一定程度上提高整個機械系統(tǒng)完成任務(wù)的可靠性，但是降低了機械系統(tǒng)的基本可靠性，因此在設(shè)計時要慎重選擇。例如鉆探機械液壓系統(tǒng)中常用的各種電磁閥，主要起到換向和開關(guān)油路的作用，設(shè)計時采用單線圈電磁閥，不能保證系統(tǒng)運行的可靠性。為此設(shè)計中可采用雙線圈設(shè)計方法，正常工作情況下，二者相互獨立，當(dāng)一個線圈發(fā)生故障時，另一個線圈能夠保證電磁閥正常工作。

（3）人機工程設(shè)計方法

鉆探機械設(shè)計完成后，需要有人操作來完成其相關(guān)功能，操作人員的技術(shù)水平在一定程度上間接影響了機械性能的實現(xiàn)。人機工程設(shè)計是一種新型的設(shè)計方法，在機械設(shè)計過程中認(rèn)真考慮人的操作方便性和便捷性，將誤操作的可能性盡量降低。該設(shè)計方法從人和機械兩個方面來進行鉆探機械設(shè)計的優(yōu)化。如鉆探機械中各個控制按鈕、操作桿等設(shè)計必須嚴(yán)格按照人機工程學(xué)的方法進行，一旦遇到突發(fā)情況，人們能夠根據(jù)自己的正常思維意識，找到相應(yīng)的控制操作位置。此外，還有結(jié)合鉆探機臺施工中人機操作的實際情況，由于孔內(nèi)鉆探情況很難預(yù)測，取芯鉆具設(shè)計時通過增加尼龍材質(zhì)的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其在實際鉆進過程中如發(fā)生過水不暢、堵水等情況發(fā)生是，調(diào)節(jié)閥因水量回流返堵引起膨脹致使泥漿泵泵壓值急速變化，以此提醒鉆探操作者井下堵水馬上提鉆避免燒鉆井故發(fā)生造成相應(yīng)經(jīng)濟損失。

（4）模擬設(shè)計方法

隨著圖形造型技術(shù)和應(yīng)力分析技術(shù)的不斷進步，通過計算機人們能夠?qū)⒃O(shè)計好的鉆探機械通過造型完成其整機的裝配和運行的模型，如下圖2所示，然后將使用過程中機械可能受到的力以及力的大小通過應(yīng)力分析軟件施加到鉆探機械的受力部位，通過軟件模擬其實際使用過程中構(gòu)件的受力情況，并且對設(shè)計的強度和剛度進行校核，發(fā)現(xiàn)問題及時進行修改，將設(shè)計問題控制在機械制造之前，提高設(shè)計的可靠性。

在鉆探機械設(shè)計過程中可以采用模擬設(shè)計方法，設(shè)計人員按照設(shè)計好的圖紙，繪制鉆探機械的各個零部件，然后將所有零部件裝配到一塊，得到鉆探機械整機三維圖形。設(shè)計人員可以采用三維軟件中自帶的功能，檢查設(shè)計中是否出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，保證各個零部件制造完成后能夠準(zhǔn)確的裝入到系統(tǒng)中。同時利用先進的有限元分析軟件Analysis，可以對鉆探設(shè)備的鉆頭以及其他部件施加工程中該部件所受力的大小，觀察期各個部門的應(yīng)力和應(yīng)變情況。如果鉆頭在模擬過程中變形量較大，設(shè)計人員可以隨時進行修正。

結(jié)語

隨著市場競爭的逐漸加劇，鉆探企業(yè)經(jīng)營過程中也面臨著較大的風(fēng)險，為了能夠使企業(yè)能夠獲得較強的競爭力，大多數(shù)企業(yè)都通過優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和使用可靠性。本文主要介紹了鉆探機械的幾個主要組成部分，并且就目前市場上應(yīng)用較多的鉆探機械設(shè)計方法進行了介紹，分析了設(shè)計方法的特點。鉆探產(chǎn)品設(shè)計過程中可以根據(jù)產(chǎn)品的功能和設(shè)計要點選擇合理的設(shè)計方法或者將幾種設(shè)計方法綜合到一塊使用，以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。

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