如何通過設計提高鉆探機械的可靠性

（秦皇島華勘鉆探機械有限公司，河北 秦皇島 066000）

如何通過設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系著產品的質量和使用性能，同時也關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。產品設計的好壞直接關系著產品的可靠性，因此必須提高產品設計質量。本文就鉆探機械產品的傳統(tǒng)設計和先進設計方法進行了探討，為鉆探機械產品的設計提供了參考依據。

鉆探機械；可靠性；設計

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

1 鉆探機械系統(tǒng)的組成

隨著我國地質行業(yè)的不斷發(fā)展，新的勘測技術不斷被應用，極大的促進了鉆探機械的發(fā)展。特別是近些年來，計算機技術的發(fā)展，鉆探機械基本上實現了計算機輔助設計和制造，極大的提高了鉆探設備的技術水平。目前我國大部分鉆探機械都跟馬達配合使用，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)的結構如圖1所示。

2 傳統(tǒng)鉆探機械設計方法

傳統(tǒng)鉆探機械設計過程中采用一般機械常用的設計方法，即根據產品的功能需求，如承載能力、性能和效率等，確定和計算其各項技術參數。產品設計質量的好壞跟設計人員的整體素質有很大關系，因為設計過程中需要的大量參數是由設計人員按照其設計經驗或者已有設計方案來確定的。為了能夠保證設計方案的最優(yōu)，通常需要設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計方案。但是受產品設計周期和設計效率的影響，這種設計方法收到的限制較多，設計人員只能夠選擇一個可行性方案進行鉆探機械的設計。為了提高產品的設計質量，我們決定采用可靠性設計方法進行鉆探機械的設計。傳統(tǒng)鉆探機械設計方法的優(yōu)缺點見表1。

3 可靠性及可靠性設計

可靠性是指機械在規(guī)定時間和條件下能夠完成預定功能的能力，它包括了結構可靠性和機構可靠性兩個方面。其中結構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生，機構可靠性則是要保證鉆探機械運動可靠性。可靠性設計是通過建立極限狀態(tài)函數來保證鉆探機械在使用過程中的機構和結構可靠性。

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

（1）預防性設計

鉆探機械工作環(huán)境比較差，設備發(fā)生故障的幾率較高，為了提高設備質量，常采用預防性設計方法。行星輪系是鉆機中常用的機械結構，為了保證其使用過程中，各個齒輪都能夠承受足夠的力，所以在設計過程中要嚴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量進行嚴格控制，確保其質量。在鉆探實際操作中因鉆探施工人員忽視了鉆探孔內阻力過載問題，發(fā)生過鉆機離合器齒輪磨光跑鉆；嚴重時還因鉆桿、鉆具過載、提引器抗拉硬度不達標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，嚴重者造成人員傷亡。因此，在鉆探機械設備的設計中必須要考慮鉆探機臺實踐操作中的各種危險因素，對產品關鍵部位應給予數據質量保證，從而避免危險的發(fā)生。

表1 傳統(tǒng)設計方法優(yōu)缺點

圖1 鉆探機械的組成

圖2 鉆井泵機架模型

（2）余度設計方法

余度是機械設計中多余或者重復的結構，它能夠在鉆探機械系統(tǒng)中某個機構出現故障或者失效時，保證鉆探機械系統(tǒng)的功能仍然能夠實現。該結構的設計雖然能夠在一定程度上提高整個機械系統(tǒng)完成任務的可靠性，但是降低了機械系統(tǒng)的基本可靠性，因此在設計時要慎重選擇。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油路的作用，設計時采用單線圈電磁閥，不能保證系統(tǒng)運行的可靠性。為此設計中可采用雙線圈設計方法，正常工作情況下，二者相互獨立，當一個線圈發(fā)生故障時，另一個線圈能夠保證電磁閥正常工作。

（3）人機工程設計方法

鉆探機械設計完成后，需要有人操作來完成其相關功能，操作人員的技術水平在一定程度上間接影響了機械性能的實現。人機工程設計是一種新型的設計方法，在機械設計過程中認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。該設計方法從人和機械兩個方面來進行鉆探機械設計的優(yōu)化。如鉆探機械中各個控制按鈕、操作桿等設計必須嚴格按照人機工程學的方法進行，一旦遇到突發(fā)情況，人們能夠根據自己的正常思維意識，找到相應的控制操作位置。此外，還有結合鉆探機臺施工中人機操作的實際情況，由于孔內鉆探情況很難預測，取芯鉆具設計時通過增加尼龍材質的調節(jié)閥結構設計，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)生造成相應經濟損失。

（4）模擬設計方法

隨著圖形造型技術和應力分析技術的不斷進步，通過計算機人們能夠將設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件的受力情況，并且對設計的強度和剛度進行校核，發(fā)現問題及時進行修改，將設計問題控制在機械制造之前，提高設計的可靠性。

在鉆探機械設計過程中可以采用模擬設計方法，設計人員按照設計好的圖紙，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。設計人員可以采用三維軟件中自帶的功能，檢查設計中是否出現干涉現象，保證各個零部件制造完成后能夠準確的裝入到系統(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力和應變情況。如果鉆頭在模擬過程中變形量較大，設計人員可以隨時進行修正。

結語

隨著市場競爭的逐漸加劇，鉆探企業(yè)經營過程中也面臨著較大的風險，為了能夠使企業(yè)能夠獲得較強的競爭力，大多數企業(yè)都通過優(yōu)化產品設計，提高產品的質量和使用可靠性。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用較多的鉆探機械設計方法進行了介紹，分析了設計方法的特點。鉆探產品設計過程中可以根據產品的功能和設計要點選擇合理的設計方法或者將幾種設計方法綜合到一塊使用，以達到最優(yōu)的設計結果。

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