基于IDE技術(shù)創(chuàng)新方法的煤層氣車載鉆機(jī)研發(fā)過程研究

王金鳳+馮奕程+馮奕程+翟雪琪

摘要： 本文利用工業(yè)設(shè)計（ID）與工業(yè)工程（IE）融合形成的IDE技術(shù)創(chuàng)新方法，提升了我國礦用設(shè)備的研發(fā)制造能力，對于我國大型裝備的開發(fā)具有借鑒意義。

Abstract： By using IDE technology innovation method integrated of industrial design（ID） and industrial engineering（IE）， this paper promotes the research and manufacturing capabilities of mining equipment in China， which is of reference significance for the development of large scale equipment in China.

關(guān)鍵詞： IDE；車載鉆機(jī)；技術(shù)創(chuàng)新；裝備制造

Key words： IDE；car rig；technology innovation；equipment manufacturing

中圖分類號：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）29-0024-03

0 引言

煤層氣車載鉆機(jī)作為一種新型鉆探機(jī)械，具有機(jī)動性強(qiáng)、搬遷與運輸方便、現(xiàn)場就位準(zhǔn)確便捷、自動化程度較高、勞動強(qiáng)度低、工作效率高等特點，且由于煤層氣車載鉆機(jī)既能完成交通運輸任務(wù)，也能夠在施工環(huán)境較差、地質(zhì)條件復(fù)雜以及特殊地形地理環(huán)境中進(jìn)行施工，因此，特別適合地質(zhì)鉆探工程在邊遠(yuǎn)、分散地區(qū)單機(jī)作業(yè)，能夠滿足我國煤層氣開采設(shè)備的需求[1]。但由于我國煤層氣開發(fā)起步較晚，地面抽采技術(shù)裝備相對落后，煤層氣車載鉆機(jī)處于初期試制、試用階段，鉆采設(shè)備主要依賴進(jìn)口，價格高昂，耗費企業(yè)大量資金[2]。因此，創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)一種適用于我國特殊地質(zhì)及技術(shù)需求的煤層氣車載鉆機(jī)，可以為加快突破煤礦瓦斯治理與煤層氣開采技術(shù)瓶頸提供裝備支持，也為煤層氣企業(yè)發(fā)展提供幫助。

為研究適用于我國的煤層氣車載鉆機(jī)，眾多科研工作者進(jìn)行了大量的研究。張斌等[4]研制一種用于車載鉆機(jī)二級井架的控制系統(tǒng)，以解決二級井架在立放時伸縮與承載模塊功能不穩(wěn)定等問題；丁慶新等[5]通過對煤層氣車載鉆機(jī)頂驅(qū)的工作流程進(jìn)行研究，確定頂驅(qū)齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計變量，重新設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)以優(yōu)化頂驅(qū)減速器；宋瑞等對煤層氣車載鉆機(jī)絞車結(jié)構(gòu)、鉆臺模塊以及鉆機(jī)整體移動裝置進(jìn)行改進(jìn)，提高了運行效率并減少了運行成本。分析上述學(xué)者的成果可知，現(xiàn)有對煤層氣車載鉆機(jī)的研究多是單一對鉆機(jī)的某一模塊進(jìn)行改進(jìn)升級、重新設(shè)計，雖然也可提升車載鉆機(jī)的工作能力，但由于其他模塊缺乏相應(yīng)的配套升級，往往造成鉆機(jī)的整體協(xié)調(diào)性差、工藝不夠優(yōu)化、開發(fā)周期過長、經(jīng)濟(jì)效益不顯著，甚至優(yōu)化模塊也難以發(fā)揮應(yīng)有功能等問題。究其原因，車載煤層氣鉆機(jī)的開發(fā)較為復(fù)雜，優(yōu)化設(shè)計開發(fā)流程與選擇高效開發(fā)方法是煤層氣車載鉆機(jī)快速研發(fā)成功的保障，需要以系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新模式作為支撐。

在現(xiàn)有的技術(shù)創(chuàng)新方法中，IDE技術(shù)創(chuàng)新方法是將ID作為一項具有創(chuàng)新目的流程活動，視為綜合集成方法思維展現(xiàn)的載體，將IE作為系統(tǒng)方法論，利用其創(chuàng)新理論與技法對ID流程進(jìn)行優(yōu)化升級。利用IDE技術(shù)創(chuàng)新方法能從系統(tǒng)論角度對煤層氣鉆機(jī)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)成本與效率、技術(shù)與管理的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而在創(chuàng)新理論與技法上對車載鉆機(jī)的工業(yè)設(shè)計流程進(jìn)行優(yōu)化升級，使IE的具體理論與車載鉆機(jī)創(chuàng)新過程相結(jié)合進(jìn)而指導(dǎo)創(chuàng)新，對車載鉆機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新再設(shè)計，實現(xiàn)使用目的、技術(shù)與個性特色相融合，使原高能耗大功率車載鉆機(jī)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低的情況得到極大改善，市場應(yīng)用更加廣泛，前景大為提高。

1 IDE技術(shù)創(chuàng)新方法

隨著現(xiàn)代工程系統(tǒng)的不斷發(fā)展，企業(yè)越來越關(guān)注產(chǎn)品的制造環(huán)境和制造流程，積極推動傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型，創(chuàng)新生產(chǎn)機(jī)制，極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了資源的高效利用。同時，隨著現(xiàn)代制造理論與技術(shù)的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品的設(shè)計流程要求也越來越高。生產(chǎn)企業(yè)在結(jié)合IE融合原理和ID技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用IE方法研究出了一種全新的技術(shù)創(chuàng)新方法，詳見圖1。

2 基于IDE技術(shù)創(chuàng)新方法的煤層氣車載鉆機(jī)研發(fā)模型

車載鉆機(jī)是系統(tǒng)功能高度集成、技術(shù)高度融合的體現(xiàn)，其模塊化、集成性、獨立性是對創(chuàng)新方法的挑戰(zhàn)。而將IDE技術(shù)創(chuàng)新方法應(yīng)用在車載鉆機(jī)研發(fā)過程中，其原理在設(shè)計流程與方法中得到體現(xiàn)：一方面從流程維完成市場調(diào)查、資料搜集與整理、產(chǎn)品外觀設(shè)計以及成本核算等內(nèi)容，綜合考慮車載鉆機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、應(yīng)用環(huán)境等因素；另一方面立足于方法維系統(tǒng)從車載鉆機(jī)本身及其制造過程和整個生命周期考慮鉆機(jī)的環(huán)境特性，在設(shè)計環(huán)節(jié)利用工業(yè)設(shè)計方法實現(xiàn)車載鉆機(jī)功能、經(jīng)濟(jì)性、市場銷售等的最優(yōu)化，為車載鉆機(jī)的研發(fā)提供戰(zhàn)略研究。

結(jié)合IDE技術(shù)創(chuàng)新方法，煤層氣車載鉆機(jī)開發(fā)以系統(tǒng)化創(chuàng)新理論為依據(jù)，將其從產(chǎn)品設(shè)計到裝備成型的整個過程進(jìn)行了分解，將各要素有機(jī)整合，實現(xiàn)了設(shè)計、生產(chǎn)、管理的一體化。最終形成如圖2所示的煤層氣車載鉆機(jī)研發(fā)模型。

該研發(fā)模式將煤層氣車載鉆機(jī)的設(shè)計與制造有機(jī)結(jié)合起來，將開放式創(chuàng)新的優(yōu)勢發(fā)揮至最大化，從橫向和縱向兩個層面進(jìn)行制造，充分體現(xiàn)了創(chuàng)新的連續(xù)性、整體性和系統(tǒng)性。

3 實證研究

某煤層氣開發(fā)單位近些年隨著工程服務(wù)范圍擴(kuò)展，需增加新的車載鉆機(jī)以滿足需求，但從國外購置不僅要耗費大量資金，而且在維修、保養(yǎng)等方面也存在極大不便，因此該公司決定自主研發(fā)符合公司鉆探需要的煤層氣車載鉆機(jī)。煤層氣車載鉆機(jī)作為大型工程設(shè)備，極其復(fù)雜，為更好更快地設(shè)計出車載鉆機(jī)，公司引入IDE技術(shù)創(chuàng)新方法，從流程維和方法維對車載鉆機(jī)進(jìn)行解構(gòu)與重構(gòu)，剖析重點，分清主次，設(shè)計出車載鉆機(jī)研發(fā)技術(shù)路線，如圖3所示。endprint

3.1 車載鉆機(jī)需求發(fā)現(xiàn)分析

在需求分析階段，對車載鉆機(jī)的研究背景分析。需求分析既是車載鉆機(jī)設(shè)計成功的基礎(chǔ)，也是開發(fā)設(shè)計的最終要求。該階段：

①需要采用工業(yè)工程方法，對我國車載鉆機(jī)需求分析；

②需要利用規(guī)劃方法，對我國車載鉆機(jī)使用特點分析；

③需要綜合運用評價方法，對國內(nèi)外車載鉆機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

3.2 車載鉆機(jī)功能結(jié)構(gòu)分析

在功能設(shè)計與結(jié)構(gòu)展開階段，需要在系統(tǒng)目標(biāo)引導(dǎo)下，利用“原始法則”對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破組織分解，劃分為通用結(jié)構(gòu)和專有結(jié)構(gòu)，綜合考慮各組成部分的相互作用和系統(tǒng)整體的發(fā)展變化，將車載鉆機(jī)的主體結(jié)構(gòu)分解為動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等基本子系統(tǒng)，如圖4所示。

3.3 車載鉆機(jī)工藝設(shè)計過程優(yōu)化分析

在工藝優(yōu)化過程中，企業(yè)以改進(jìn)生產(chǎn)流程和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計為基礎(chǔ)，加快技術(shù)創(chuàng)新，積極采用新材料、新工藝、新技術(shù)適應(yīng)了車載鉆井工藝生產(chǎn)的發(fā)展需要。

在材料替代過程的主要任務(wù)是在不影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)品外觀和功能的前提下，積極需求一種可替代性原料，使其符合現(xiàn)代生產(chǎn)的技術(shù)要求。該階段功能體現(xiàn)在：

通過工藝優(yōu)化及材料替代，可以完成在功能分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計階段留有的特殊結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵功能的設(shè)計，主要包括以下五個部分：

①車載鉆機(jī)動力頭。在動力頭的功率不變的前提下將所述馬達(dá)兩兩同軸相對裝配于減速箱的兩側(cè)，解決了現(xiàn)有的動力頭的體積大、重量重的問題。

②浮動裝置。通過將浮動連接頭和浮動軸套分體設(shè)置，浮動連接頭和浮動軸套通過端面齒結(jié)構(gòu)和螺栓結(jié)構(gòu)連接在一起，減少了軸套內(nèi)花鍵的加工難度、增加了軸套內(nèi)花鍵的加工精度，也保證了傳遞扭矩的需要。

③伸縮支腿。將鎖止銷釘插裝于伸縮套筒機(jī)械鎖止孔和對應(yīng)的固定套筒機(jī)械鎖止孔中進(jìn)行機(jī)械鎖止，伸縮套筒在液壓缸和鎖止銷釘?shù)墓餐饔孟骆i止，即使液壓缸突然泄壓或失去作用，鎖止銷釘仍能保證伸縮支腿的安全性，進(jìn)而保證車架的穩(wěn)定性。

④混合動力發(fā)動機(jī)。設(shè)計一種天然氣——柴油混燃發(fā)動機(jī)，減少廢氣的排放，降低了鉆井成本，在油田或煤層氣開采區(qū)域利用現(xiàn)成的天然氣以替代較難隨車運輸?shù)牟裼停苋菀诐M足車載鉆機(jī)對燃料的需求。

⑤自潤滑泥漿軸。設(shè)計自潤滑泥漿軸模塊解決了無法隨時對泥漿軸注射潤滑油的問題，避免了人力資源的不必要浪費，也提高了效率，使操作人員的人身安全得到了保證。

4 結(jié)論

由于在開發(fā)過程中對多個環(huán)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新再設(shè)計，開發(fā)出的CTZ80D千米車載鉆機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng)，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不僅能夠應(yīng)用于煤層氣勘探開發(fā)、大口徑瓦斯排放井的鉆設(shè)，還具有以下特殊功能：

①在礦山搶險救援行動中，通過快速鉆透作業(yè)，與被困人員建立聯(lián)系，提供生活用品，輸送氧氣，爭取搶救時間；

②在減災(zāi)救災(zāi)，特別是煤礦堵水工程中，由于其鉆孔直徑大、速度快，為早日治理水害、恢復(fù)生產(chǎn)，減少損失提供有效的手段；

③可以在野外無水無電的惡劣條件下、地表復(fù)雜的礦山工業(yè)區(qū)及河道卵石層以及特殊目的限制必須空氣鉆進(jìn)的地層工作。

從IDE技術(shù)創(chuàng)新方法在煤層氣車載鉆機(jī)研發(fā)過程的成功應(yīng)用中可知，與現(xiàn)有的其它技術(shù)創(chuàng)新方法相比，IDE技術(shù)創(chuàng)新方法在設(shè)計理念上準(zhǔn)確把握車載鉆機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的要點，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度研究，確定整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而區(qū)分模塊界面，實現(xiàn)裝備系統(tǒng)全面創(chuàng)新。同時，IDE技術(shù)創(chuàng)新方法成功應(yīng)用于車載鉆機(jī)的研發(fā)，表明該方法用于復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)制造的可行性，且更易于對大型裝備的技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃，整合現(xiàn)有資源，因而對縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，加速技術(shù)進(jìn)化有巨大的提升作用，對其進(jìn)行廣泛推廣將會對我國裝備制造領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]高宏亮.車載鉆機(jī)在地質(zhì)勘探工程中的應(yīng)用[J].地質(zhì)裝備，2009，02：37-40.

[2]友強(qiáng).車載空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在煤層氣井施工中的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì)，2013，25（7）：59-61.

[3]張遂安，崔崗，胡少韻，刁文慶，張仕民，丁慶新.煤層氣鉆機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].中國煤層氣，2007，04：9-11.

[4]張斌，文永川，崔凱，劉有平，龍濤，趙明建，雍欣.修井機(jī)、車載鉆機(jī)二級井架控制系統(tǒng)研究[J].石油機(jī)械，2012，40（2）：54-56.

[5]丁慶新，劉玉娟，孫廣斌，張遂安，蘇玉莆.煤層氣車載鉆機(jī)頂驅(qū)優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2010，31（8）：54-56.endprint

3.1 車載鉆機(jī)需求發(fā)現(xiàn)分析

在需求分析階段，對車載鉆機(jī)的研究背景分析。需求分析既是車載鉆機(jī)設(shè)計成功的基礎(chǔ)，也是開發(fā)設(shè)計的最終要求。該階段：

①需要采用工業(yè)工程方法，對我國車載鉆機(jī)需求分析；

②需要利用規(guī)劃方法，對我國車載鉆機(jī)使用特點分析；

③需要綜合運用評價方法，對國內(nèi)外車載鉆機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

3.2 車載鉆機(jī)功能結(jié)構(gòu)分析

在功能設(shè)計與結(jié)構(gòu)展開階段，需要在系統(tǒng)目標(biāo)引導(dǎo)下，利用“原始法則”對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破組織分解，劃分為通用結(jié)構(gòu)和專有結(jié)構(gòu)，綜合考慮各組成部分的相互作用和系統(tǒng)整體的發(fā)展變化，將車載鉆機(jī)的主體結(jié)構(gòu)分解為動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等基本子系統(tǒng)，如圖4所示。

3.3 車載鉆機(jī)工藝設(shè)計過程優(yōu)化分析

在工藝優(yōu)化過程中，企業(yè)以改進(jìn)生產(chǎn)流程和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計為基礎(chǔ)，加快技術(shù)創(chuàng)新，積極采用新材料、新工藝、新技術(shù)適應(yīng)了車載鉆井工藝生產(chǎn)的發(fā)展需要。

在材料替代過程的主要任務(wù)是在不影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)品外觀和功能的前提下，積極需求一種可替代性原料，使其符合現(xiàn)代生產(chǎn)的技術(shù)要求。該階段功能體現(xiàn)在：

通過工藝優(yōu)化及材料替代，可以完成在功能分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計階段留有的特殊結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵功能的設(shè)計，主要包括以下五個部分：

①車載鉆機(jī)動力頭。在動力頭的功率不變的前提下將所述馬達(dá)兩兩同軸相對裝配于減速箱的兩側(cè)，解決了現(xiàn)有的動力頭的體積大、重量重的問題。

②浮動裝置。通過將浮動連接頭和浮動軸套分體設(shè)置，浮動連接頭和浮動軸套通過端面齒結(jié)構(gòu)和螺栓結(jié)構(gòu)連接在一起，減少了軸套內(nèi)花鍵的加工難度、增加了軸套內(nèi)花鍵的加工精度，也保證了傳遞扭矩的需要。

③伸縮支腿。將鎖止銷釘插裝于伸縮套筒機(jī)械鎖止孔和對應(yīng)的固定套筒機(jī)械鎖止孔中進(jìn)行機(jī)械鎖止，伸縮套筒在液壓缸和鎖止銷釘?shù)墓餐饔孟骆i止，即使液壓缸突然泄壓或失去作用，鎖止銷釘仍能保證伸縮支腿的安全性，進(jìn)而保證車架的穩(wěn)定性。

④混合動力發(fā)動機(jī)。設(shè)計一種天然氣——柴油混燃發(fā)動機(jī)，減少廢氣的排放，降低了鉆井成本，在油田或煤層氣開采區(qū)域利用現(xiàn)成的天然氣以替代較難隨車運輸?shù)牟裼?，很容易滿足車載鉆機(jī)對燃料的需求。

⑤自潤滑泥漿軸。設(shè)計自潤滑泥漿軸模塊解決了無法隨時對泥漿軸注射潤滑油的問題，避免了人力資源的不必要浪費，也提高了效率，使操作人員的人身安全得到了保證。

4 結(jié)論

由于在開發(fā)過程中對多個環(huán)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新再設(shè)計，開發(fā)出的CTZ80D千米車載鉆機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng)，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不僅能夠應(yīng)用于煤層氣勘探開發(fā)、大口徑瓦斯排放井的鉆設(shè)，還具有以下特殊功能：

①在礦山搶險救援行動中，通過快速鉆透作業(yè)，與被困人員建立聯(lián)系，提供生活用品，輸送氧氣，爭取搶救時間；

②在減災(zāi)救災(zāi)，特別是煤礦堵水工程中，由于其鉆孔直徑大、速度快，為早日治理水害、恢復(fù)生產(chǎn)，減少損失提供有效的手段；

③可以在野外無水無電的惡劣條件下、地表復(fù)雜的礦山工業(yè)區(qū)及河道卵石層以及特殊目的限制必須空氣鉆進(jìn)的地層工作。

從IDE技術(shù)創(chuàng)新方法在煤層氣車載鉆機(jī)研發(fā)過程的成功應(yīng)用中可知，與現(xiàn)有的其它技術(shù)創(chuàng)新方法相比，IDE技術(shù)創(chuàng)新方法在設(shè)計理念上準(zhǔn)確把握車載鉆機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的要點，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度研究，確定整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而區(qū)分模塊界面，實現(xiàn)裝備系統(tǒng)全面創(chuàng)新。同時，IDE技術(shù)創(chuàng)新方法成功應(yīng)用于車載鉆機(jī)的研發(fā)，表明該方法用于復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)制造的可行性，且更易于對大型裝備的技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃，整合現(xiàn)有資源，因而對縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，加速技術(shù)進(jìn)化有巨大的提升作用，對其進(jìn)行廣泛推廣將會對我國裝備制造領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]高宏亮.車載鉆機(jī)在地質(zhì)勘探工程中的應(yīng)用[J].地質(zhì)裝備，2009，02：37-40.

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[3]張遂安，崔崗，胡少韻，刁文慶，張仕民，丁慶新.煤層氣鉆機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].中國煤層氣，2007，04：9-11.

[4]張斌，文永川，崔凱，劉有平，龍濤，趙明建，雍欣.修井機(jī)、車載鉆機(jī)二級井架控制系統(tǒng)研究[J].石油機(jī)械，2012，40（2）：54-56.

[5]丁慶新，劉玉娟，孫廣斌，張遂安，蘇玉莆.煤層氣車載鉆機(jī)頂驅(qū)優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2010，31（8）：54-56.endprint

3.1 車載鉆機(jī)需求發(fā)現(xiàn)分析

在需求分析階段，對車載鉆機(jī)的研究背景分析。需求分析既是車載鉆機(jī)設(shè)計成功的基礎(chǔ)，也是開發(fā)設(shè)計的最終要求。該階段：

①需要采用工業(yè)工程方法，對我國車載鉆機(jī)需求分析；

②需要利用規(guī)劃方法，對我國車載鉆機(jī)使用特點分析；

③需要綜合運用評價方法，對國內(nèi)外車載鉆機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

3.2 車載鉆機(jī)功能結(jié)構(gòu)分析

在功能設(shè)計與結(jié)構(gòu)展開階段，需要在系統(tǒng)目標(biāo)引導(dǎo)下，利用“原始法則”對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破組織分解，劃分為通用結(jié)構(gòu)和專有結(jié)構(gòu)，綜合考慮各組成部分的相互作用和系統(tǒng)整體的發(fā)展變化，將車載鉆機(jī)的主體結(jié)構(gòu)分解為動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等基本子系統(tǒng)，如圖4所示。

3.3 車載鉆機(jī)工藝設(shè)計過程優(yōu)化分析

在工藝優(yōu)化過程中，企業(yè)以改進(jìn)生產(chǎn)流程和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計為基礎(chǔ)，加快技術(shù)創(chuàng)新，積極采用新材料、新工藝、新技術(shù)適應(yīng)了車載鉆井工藝生產(chǎn)的發(fā)展需要。

在材料替代過程的主要任務(wù)是在不影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)品外觀和功能的前提下，積極需求一種可替代性原料，使其符合現(xiàn)代生產(chǎn)的技術(shù)要求。該階段功能體現(xiàn)在：

通過工藝優(yōu)化及材料替代，可以完成在功能分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計階段留有的特殊結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵功能的設(shè)計，主要包括以下五個部分：

①車載鉆機(jī)動力頭。在動力頭的功率不變的前提下將所述馬達(dá)兩兩同軸相對裝配于減速箱的兩側(cè)，解決了現(xiàn)有的動力頭的體積大、重量重的問題。

②浮動裝置。通過將浮動連接頭和浮動軸套分體設(shè)置，浮動連接頭和浮動軸套通過端面齒結(jié)構(gòu)和螺栓結(jié)構(gòu)連接在一起，減少了軸套內(nèi)花鍵的加工難度、增加了軸套內(nèi)花鍵的加工精度，也保證了傳遞扭矩的需要。

③伸縮支腿。將鎖止銷釘插裝于伸縮套筒機(jī)械鎖止孔和對應(yīng)的固定套筒機(jī)械鎖止孔中進(jìn)行機(jī)械鎖止，伸縮套筒在液壓缸和鎖止銷釘?shù)墓餐饔孟骆i止，即使液壓缸突然泄壓或失去作用，鎖止銷釘仍能保證伸縮支腿的安全性，進(jìn)而保證車架的穩(wěn)定性。

④混合動力發(fā)動機(jī)。設(shè)計一種天然氣——柴油混燃發(fā)動機(jī)，減少廢氣的排放，降低了鉆井成本，在油田或煤層氣開采區(qū)域利用現(xiàn)成的天然氣以替代較難隨車運輸?shù)牟裼?，很容易滿足車載鉆機(jī)對燃料的需求。

⑤自潤滑泥漿軸。設(shè)計自潤滑泥漿軸模塊解決了無法隨時對泥漿軸注射潤滑油的問題，避免了人力資源的不必要浪費，也提高了效率，使操作人員的人身安全得到了保證。

4 結(jié)論

由于在開發(fā)過程中對多個環(huán)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新再設(shè)計，開發(fā)出的CTZ80D千米車載鉆機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng)，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不僅能夠應(yīng)用于煤層氣勘探開發(fā)、大口徑瓦斯排放井的鉆設(shè)，還具有以下特殊功能：

①在礦山搶險救援行動中，通過快速鉆透作業(yè)，與被困人員建立聯(lián)系，提供生活用品，輸送氧氣，爭取搶救時間；

②在減災(zāi)救災(zāi)，特別是煤礦堵水工程中，由于其鉆孔直徑大、速度快，為早日治理水害、恢復(fù)生產(chǎn)，減少損失提供有效的手段；

③可以在野外無水無電的惡劣條件下、地表復(fù)雜的礦山工業(yè)區(qū)及河道卵石層以及特殊目的限制必須空氣鉆進(jìn)的地層工作。

從IDE技術(shù)創(chuàng)新方法在煤層氣車載鉆機(jī)研發(fā)過程的成功應(yīng)用中可知，與現(xiàn)有的其它技術(shù)創(chuàng)新方法相比，IDE技術(shù)創(chuàng)新方法在設(shè)計理念上準(zhǔn)確把握車載鉆機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的要點，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度研究，確定整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而區(qū)分模塊界面，實現(xiàn)裝備系統(tǒng)全面創(chuàng)新。同時，IDE技術(shù)創(chuàng)新方法成功應(yīng)用于車載鉆機(jī)的研發(fā)，表明該方法用于復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)制造的可行性，且更易于對大型裝備的技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃，整合現(xiàn)有資源，因而對縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，加速技術(shù)進(jìn)化有巨大的提升作用，對其進(jìn)行廣泛推廣將會對我國裝備制造領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

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