如何通過(guò)設(shè)計(jì)提高鉆探機(jī)械的可靠性

（秦皇島華勘鉆探機(jī)械有限公司，河北 秦皇島 066000）

如何通過(guò)設(shè)計(jì)提高鉆探機(jī)械的可靠性

喬瑞麗

（秦皇島華勘鉆探機(jī)械有限公司，河北 秦皇島 066000）

鉆探機(jī)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(shí)也關(guān)系著工程施工過(guò)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(jì)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(jì)質(zhì)量。本文就鉆探機(jī)械產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和先進(jìn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，為鉆探機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

鉆探機(jī)械；可靠性；設(shè)計(jì)

鉆探機(jī)械是我國(guó)常用工程機(jī)械的一種，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)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(jì)和制造體系，但是由于設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常采用安全系數(shù)來(lái)進(jìn)行材料安全性能的計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)完成后仍然存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，使其存在著較大的危險(xiǎn)性。為了提高鉆探機(jī)械的使用性能，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中引入了可靠性設(shè)計(jì)的概念。

1 鉆探機(jī)械系統(tǒng)的組成

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

2 傳統(tǒng)鉆探機(jī)械設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)鉆探機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中采用一般機(jī)械常用的設(shè)計(jì)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(jì)算其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞跟設(shè)計(jì)人員的整體素質(zhì)有很大關(guān)系，因?yàn)樵O(shè)計(jì)過(guò)程中需要的大量參數(shù)是由設(shè)計(jì)人員按照其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或者已有設(shè)計(jì)方案來(lái)確定的。為了能夠保證設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)，通常需要設(shè)計(jì)人員選擇多個(gè)方案，從中選擇的能耗最低，誤差最小的一個(gè)作為最終設(shè)計(jì)方案。但是受產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)效率的影響，這種設(shè)計(jì)方法收到的限制較多，設(shè)計(jì)人員只能夠選擇一個(gè)可行性方案進(jìn)行鉆探機(jī)械的設(shè)計(jì)。為了提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，我們決定采用可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行鉆探機(jī)械的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)鉆探機(jī)械設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

3 可靠性及可靠性設(shè)計(jì)

可靠性是指機(jī)械在規(guī)定時(shí)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(jī)構(gòu)可靠性兩個(gè)方面。其中結(jié)構(gòu)可靠性是要保證鉆探機(jī)械在使用過(guò)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(jī)構(gòu)可靠性則是要保證鉆探機(jī)械運(yùn)動(dòng)可靠性。可靠性設(shè)計(jì)是通過(guò)建立極限狀態(tài)函數(shù)來(lái)保證鉆探機(jī)械在使用過(guò)程中的機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)可靠性。

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方法是目前鉆探機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常采用的一種設(shè)計(jì)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(jì)

鉆探機(jī)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(jì)方法。行星輪系是鉆機(jī)中常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)，為了保證其使用過(guò)程中，各個(gè)齒輪都能夠承受足夠的力，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要嚴(yán)格計(jì)算各個(gè)齒輪工作過(guò)程中所受力的大小，以便提供鉆探施工操作人員使用過(guò)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(qiáng)度范圍能夠超過(guò)齒輪工作過(guò)程中所受力和強(qiáng)度的大小，避免因過(guò)額過(guò)載造成鉆探事故的發(fā)生，且零件購(gòu)置時(shí)一定要對(duì)所有齒輪的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保其質(zhì)量。在鉆探實(shí)際操作中因鉆探施工人員忽視了鉆探孔內(nèi)阻力過(guò)載問(wèn)題，發(fā)生過(guò)鉆機(jī)離合器齒輪磨光跑鉆；嚴(yán)重時(shí)還因鉆桿、鉆具過(guò)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(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)中必須要考慮鉆探機(jī)臺(tái)實(shí)踐操作中的各種危險(xiǎn)因素，對(duì)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(xiǎn)的發(fā)生。

表1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法優(yōu)缺點(diǎn)

圖1 鉆探機(jī)械的組成

圖2 鉆井泵機(jī)架模型

（2）余度設(shè)計(jì)方法

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

（3）人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法

鉆探機(jī)械設(shè)計(jì)完成后，需要有人操作來(lái)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(jī)械性能的實(shí)現(xiàn)。人機(jī)工程設(shè)計(jì)是一種新型的設(shè)計(jì)方法，在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)方法從人和機(jī)械兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行鉆探機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化。如鉆探機(jī)械中各個(gè)控制按鈕、操作桿等設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格按照人機(jī)工程學(xué)的方法進(jìn)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(shí)，找到相應(yīng)的控制操作位置。此外，還有結(jié)合鉆探機(jī)臺(tái)施工中人機(jī)操作的實(shí)際情況，由于孔內(nèi)鉆探情況很難預(yù)測(cè)，取芯鉆具設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)增加尼龍材質(zhì)的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中如發(fā)生過(guò)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(jì)損失。

（4）模擬設(shè)計(jì)方法

隨著圖形造型技術(shù)和應(yīng)力分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過(guò)計(jì)算機(jī)人們能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)好的鉆探機(jī)械通過(guò)造型完成其整機(jī)的裝配和運(yùn)行的模型，如下圖2所示，然后將使用過(guò)程中機(jī)械可能受到的力以及力的大小通過(guò)應(yīng)力分析軟件施加到鉆探機(jī)械的受力部位，通過(guò)軟件模擬其實(shí)際使用過(guò)程中構(gòu)件的受力情況，并且對(duì)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行修改，將設(shè)計(jì)問(wèn)題控制在機(jī)械制造之前，提高設(shè)計(jì)的可靠性。

在鉆探機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用模擬設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員按照設(shè)計(jì)好的圖紙，繪制鉆探機(jī)械的各個(gè)零部件，然后將所有零部件裝配到一塊，得到鉆探機(jī)械整機(jī)三維圖形。設(shè)計(jì)人員可以采用三維軟件中自帶的功能，檢查設(shè)計(jì)中是否出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，保證各個(gè)零部件制造完成后能夠準(zhǔn)確的裝入到系統(tǒng)中。同時(shí)利用先進(jìn)的有限元分析軟件Analysis，可以對(duì)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(gè)部門的應(yīng)力和應(yīng)變情況。如果鉆頭在模擬過(guò)程中變形量較大，設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)進(jìn)行修正。

結(jié)語(yǔ)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的逐漸加劇，鉆探企業(yè)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中也面臨著較大的風(fēng)險(xiǎn)，為了能夠使企業(yè)能夠獲得較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，大多數(shù)企業(yè)都通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(jī)械的幾個(gè)主要組成部分，并且就目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的鉆探機(jī)械設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，分析了設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)。鉆探產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)產(chǎn)品的功能和設(shè)計(jì)要點(diǎn)選擇合理的設(shè)計(jì)方法或者將幾種設(shè)計(jì)方法綜合到一塊使用，以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

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