基于IDE技術創新方法的煤層氣車載鉆機研發過程研究

王金鳳+馮奕程+馮奕程+翟雪琪

摘要： 本文利用工業設計（ID）與工業工程（IE）融合形成的IDE技術創新方法，提升了我國礦用設備的研發制造能力，對于我國大型裝備的開發具有借鑒意義。

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.

關鍵詞： IDE；車載鉆機；技術創新；裝備制造

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

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

0 引言

煤層氣車載鉆機作為一種新型鉆探機械，具有機動性強、搬遷與運輸方便、現場就位準確便捷、自動化程度較高、勞動強度低、工作效率高等特點，且由于煤層氣車載鉆機既能完成交通運輸任務，也能夠在施工環境較差、地質條件復雜以及特殊地形地理環境中進行施工，因此，特別適合地質鉆探工程在邊遠、分散地區單機作業，能夠滿足我國煤層氣開采設備的需求[1]。但由于我國煤層氣開發起步較晚，地面抽采技術裝備相對落后，煤層氣車載鉆機處于初期試制、試用階段，鉆采設備主要依賴進口，價格高昂，耗費企業大量資金[2]。因此，創新設計開發一種適用于我國特殊地質及技術需求的煤層氣車載鉆機，可以為加快突破煤礦瓦斯治理與煤層氣開采技術瓶頸提供裝備支持，也為煤層氣企業發展提供幫助。

為研究適用于我國的煤層氣車載鉆機，眾多科研工作者進行了大量的研究。張斌等[4]研制一種用于車載鉆機二級井架的控制系統，以解決二級井架在立放時伸縮與承載模塊功能不穩定等問題；丁慶新等[5]通過對煤層氣車載鉆機頂驅的工作流程進行研究，確定頂驅齒輪減速器的優化設計目標函數與設計變量，重新設計結構參數以優化頂驅減速器；宋瑞等對煤層氣車載鉆機絞車結構、鉆臺模塊以及鉆機整體移動裝置進行改進，提高了運行效率并減少了運行成本。分析上述學者的成果可知，現有對煤層氣車載鉆機的研究多是單一對鉆機的某一模塊進行改進升級、重新設計，雖然也可提升車載鉆機的工作能力，但由于其他模塊缺乏相應的配套升級，往往造成鉆機的整體協調性差、工藝不夠優化、開發周期過長、經濟效益不顯著，甚至優化模塊也難以發揮應有功能等問題。究其原因，車載煤層氣鉆機的開發較為復雜，優化設計開發流程與選擇高效開發方法是煤層氣車載鉆機快速研發成功的保障，需要以系統的技術創新模式作為支撐。

在現有的技術創新方法中，IDE技術創新方法是將ID作為一項具有創新目的流程活動，視為綜合集成方法思維展現的載體，將IE作為系統方法論，利用其創新理論與技法對ID流程進行優化升級。利用IDE技術創新方法能從系統論角度對煤層氣鉆機進行整體優化設計，實現成本與效率、技術與管理的有機結合，進而在創新理論與技法上對車載鉆機的工業設計流程進行優化升級，使IE的具體理論與車載鉆機創新過程相結合進而指導創新，對車載鉆機進行創新再設計，實現使用目的、技術與個性特色相融合，使原高能耗大功率車載鉆機經濟指標低的情況得到極大改善，市場應用更加廣泛，前景大為提高。

1 IDE技術創新方法

隨著現代工程系統的不斷發展，企業越來越關注產品的制造環境和制造流程，積極推動傳統生產模式的轉型，創新生產機制，極大地提高了產品的生產效率，實現了資源的高效利用。同時，隨著現代制造理論與技術的廣泛應用，產品的設計流程要求也越來越高。生產企業在結合IE融合原理和ID技術的基礎上，利用IE方法研究出了一種全新的技術創新方法，詳見圖1。

2 基于IDE技術創新方法的煤層氣車載鉆機研發模型

車載鉆機是系統功能高度集成、技術高度融合的體現，其模塊化、集成性、獨立性是對創新方法的挑戰。而將IDE技術創新方法應用在車載鉆機研發過程中，其原理在設計流程與方法中得到體現：一方面從流程維完成市場調查、資料搜集與整理、產品外觀設計以及成本核算等內容，綜合考慮車載鉆機的功能、結構、材料、工藝、應用環境等因素；另一方面立足于方法維系統從車載鉆機本身及其制造過程和整個生命周期考慮鉆機的環境特性，在設計環節利用工業設計方法實現車載鉆機功能、經濟性、市場銷售等的最優化，為車載鉆機的研發提供戰略研究。

結合IDE技術創新方法，煤層氣車載鉆機開發以系統化創新理論為依據，將其從產品設計到裝備成型的整個過程進行了分解，將各要素有機整合，實現了設計、生產、管理的一體化。最終形成如圖2所示的煤層氣車載鉆機研發模型。

該研發模式將煤層氣車載鉆機的設計與制造有機結合起來，將開放式創新的優勢發揮至最大化，從橫向和縱向兩個層面進行制造，充分體現了創新的連續性、整體性和系統性。

3 實證研究

某煤層氣開發單位近些年隨著工程服務范圍擴展，需增加新的車載鉆機以滿足需求，但從國外購置不僅要耗費大量資金，而且在維修、保養等方面也存在極大不便，因此該公司決定自主研發符合公司鉆探需要的煤層氣車載鉆機。煤層氣車載鉆機作為大型工程設備，極其復雜，為更好更快地設計出車載鉆機，公司引入IDE技術創新方法，從流程維和方法維對車載鉆機進行解構與重構，剖析重點，分清主次，設計出車載鉆機研發技術路線，如圖3所示。endprint

3.1 車載鉆機需求發現分析

在需求分析階段，對車載鉆機的研究背景分析。需求分析既是車載鉆機設計成功的基礎，也是開發設計的最終要求。該階段：

①需要采用工業工程方法，對我國車載鉆機需求分析；

②需要利用規劃方法，對我國車載鉆機使用特點分析；

③需要綜合運用評價方法，對國內外車載鉆機研究現狀與發展趨勢進行分析。

3.2 車載鉆機功能結構分析

在功能設計與結構展開階段，需要在系統目標引導下，利用“原始法則”對系統結構進行破組織分解，劃分為通用結構和專有結構，綜合考慮各組成部分的相互作用和系統整體的發展變化，將車載鉆機的主體結構分解為動力系統、傳動系統、輔助系統、執行系統、控制系統等基本子系統，如圖4所示。

3.3 車載鉆機工藝設計過程優化分析

在工藝優化過程中，企業以改進生產流程和優化產品設計為基礎，加快技術創新，積極采用新材料、新工藝、新技術適應了車載鉆井工藝生產的發展需要。

在材料替代過程的主要任務是在不影響結構產品外觀和功能的前提下，積極需求一種可替代性原料，使其符合現代生產的技術要求。該階段功能體現在：

通過工藝優化及材料替代，可以完成在功能分析與結構設計階段留有的特殊結構與關鍵功能的設計，主要包括以下五個部分：

①車載鉆機動力頭。在動力頭的功率不變的前提下將所述馬達兩兩同軸相對裝配于減速箱的兩側，解決了現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置，浮動連接頭和浮動軸套通過端面齒結構和螺栓結構連接在一起，減少了軸套內花鍵的加工難度、增加了軸套內花鍵的加工精度，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械鎖止孔和對應的固定套筒機械鎖止孔中進行機械鎖止，伸縮套筒在液壓缸和鎖止銷釘的共同作用下鎖止，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，進而保證車架的穩定性。

④混合動力發動機。設計一種天然氣——柴油混燃發動機，減少廢氣的排放，降低了鉆井成本，在油田或煤層氣開采區域利用現成的天然氣以替代較難隨車運輸的柴油，很容易滿足車載鉆機對燃料的需求。

⑤自潤滑泥漿軸。設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 結論

由于在開發過程中對多個環節進行創新再設計，開發出的CTZ80D千米車載鉆機穩定性強，運轉平穩，不僅能夠應用于煤層氣勘探開發、大口徑瓦斯排放井的鉆設，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，與被困人員建立聯系，提供生活用品，輸送氧氣，爭取搶救時間；

②在減災救災，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、恢復生產，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、地表復雜的礦山工業區及河道卵石層以及特殊目的限制必須空氣鉆進的地層工作。

從IDE技術創新方法在煤層氣車載鉆機研發過程的成功應用中可知，與現有的其它技術創新方法相比，IDE技術創新方法在設計理念上準確把握車載鉆機技術創新的要點，從系統結構的角度研究，確定整體結構，進而區分模塊界面，實現裝備系統全面創新。同時，IDE技術創新方法成功應用于車載鉆機的研發，表明該方法用于復雜產品研發制造的可行性，且更易于對大型裝備的技術路線進行設計規劃，整合現有資源，因而對縮短產品研發周期，加速技術進化有巨大的提升作用，對其進行廣泛推廣將會對我國裝備制造領域產生重大影響。

參考文獻：

[1]高宏亮.車載鉆機在地質勘探工程中的應用[J].地質裝備，2009，02：37-40.

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

[3]張遂安，崔崗，胡少韻，刁文慶，張仕民，丁慶新.煤層氣鉆機的技術現狀及發展對策[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、車載鉆機二級井架控制系統研究[J].石油機械，2012，40（2）：54-56.

[5]丁慶新，劉玉娟，孫廣斌，張遂安，蘇玉莆.煤層氣車載鉆機頂驅優化設計[J].煤礦機械，2010，31（8）：54-56.endprint

3.1 車載鉆機需求發現分析

在需求分析階段，對車載鉆機的研究背景分析。需求分析既是車載鉆機設計成功的基礎，也是開發設計的最終要求。該階段：

①需要采用工業工程方法，對我國車載鉆機需求分析；

②需要利用規劃方法，對我國車載鉆機使用特點分析；

③需要綜合運用評價方法，對國內外車載鉆機研究現狀與發展趨勢進行分析。

3.2 車載鉆機功能結構分析

在功能設計與結構展開階段，需要在系統目標引導下，利用“原始法則”對系統結構進行破組織分解，劃分為通用結構和專有結構，綜合考慮各組成部分的相互作用和系統整體的發展變化，將車載鉆機的主體結構分解為動力系統、傳動系統、輔助系統、執行系統、控制系統等基本子系統，如圖4所示。

3.3 車載鉆機工藝設計過程優化分析

在工藝優化過程中，企業以改進生產流程和優化產品設計為基礎，加快技術創新，積極采用新材料、新工藝、新技術適應了車載鉆井工藝生產的發展需要。

在材料替代過程的主要任務是在不影響結構產品外觀和功能的前提下，積極需求一種可替代性原料，使其符合現代生產的技術要求。該階段功能體現在：

通過工藝優化及材料替代，可以完成在功能分析與結構設計階段留有的特殊結構與關鍵功能的設計，主要包括以下五個部分：

①車載鉆機動力頭。在動力頭的功率不變的前提下將所述馬達兩兩同軸相對裝配于減速箱的兩側，解決了現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置，浮動連接頭和浮動軸套通過端面齒結構和螺栓結構連接在一起，減少了軸套內花鍵的加工難度、增加了軸套內花鍵的加工精度，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械鎖止孔和對應的固定套筒機械鎖止孔中進行機械鎖止，伸縮套筒在液壓缸和鎖止銷釘的共同作用下鎖止，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，進而保證車架的穩定性。

④混合動力發動機。設計一種天然氣——柴油混燃發動機，減少廢氣的排放，降低了鉆井成本，在油田或煤層氣開采區域利用現成的天然氣以替代較難隨車運輸的柴油，很容易滿足車載鉆機對燃料的需求。

⑤自潤滑泥漿軸。設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 結論

由于在開發過程中對多個環節進行創新再設計，開發出的CTZ80D千米車載鉆機穩定性強，運轉平穩，不僅能夠應用于煤層氣勘探開發、大口徑瓦斯排放井的鉆設，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，與被困人員建立聯系，提供生活用品，輸送氧氣，爭取搶救時間；

②在減災救災，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、恢復生產，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、地表復雜的礦山工業區及河道卵石層以及特殊目的限制必須空氣鉆進的地層工作。

從IDE技術創新方法在煤層氣車載鉆機研發過程的成功應用中可知，與現有的其它技術創新方法相比，IDE技術創新方法在設計理念上準確把握車載鉆機技術創新的要點，從系統結構的角度研究，確定整體結構，進而區分模塊界面，實現裝備系統全面創新。同時，IDE技術創新方法成功應用于車載鉆機的研發，表明該方法用于復雜產品研發制造的可行性，且更易于對大型裝備的技術路線進行設計規劃，整合現有資源，因而對縮短產品研發周期，加速技術進化有巨大的提升作用，對其進行廣泛推廣將會對我國裝備制造領域產生重大影響。

參考文獻：

[1]高宏亮.車載鉆機在地質勘探工程中的應用[J].地質裝備，2009，02：37-40.

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

[3]張遂安，崔崗，胡少韻，刁文慶，張仕民，丁慶新.煤層氣鉆機的技術現狀及發展對策[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、車載鉆機二級井架控制系統研究[J].石油機械，2012，40（2）：54-56.

[5]丁慶新，劉玉娟，孫廣斌，張遂安，蘇玉莆.煤層氣車載鉆機頂驅優化設計[J].煤礦機械，2010，31（8）：54-56.endprint

3.1 車載鉆機需求發現分析

在需求分析階段，對車載鉆機的研究背景分析。需求分析既是車載鉆機設計成功的基礎，也是開發設計的最終要求。該階段：

①需要采用工業工程方法，對我國車載鉆機需求分析；

②需要利用規劃方法，對我國車載鉆機使用特點分析；

③需要綜合運用評價方法，對國內外車載鉆機研究現狀與發展趨勢進行分析。

3.2 車載鉆機功能結構分析

在功能設計與結構展開階段，需要在系統目標引導下，利用“原始法則”對系統結構進行破組織分解，劃分為通用結構和專有結構，綜合考慮各組成部分的相互作用和系統整體的發展變化，將車載鉆機的主體結構分解為動力系統、傳動系統、輔助系統、執行系統、控制系統等基本子系統，如圖4所示。

3.3 車載鉆機工藝設計過程優化分析

在工藝優化過程中，企業以改進生產流程和優化產品設計為基礎，加快技術創新，積極采用新材料、新工藝、新技術適應了車載鉆井工藝生產的發展需要。

在材料替代過程的主要任務是在不影響結構產品外觀和功能的前提下，積極需求一種可替代性原料，使其符合現代生產的技術要求。該階段功能體現在：

通過工藝優化及材料替代，可以完成在功能分析與結構設計階段留有的特殊結構與關鍵功能的設計，主要包括以下五個部分：

①車載鉆機動力頭。在動力頭的功率不變的前提下將所述馬達兩兩同軸相對裝配于減速箱的兩側，解決了現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置，浮動連接頭和浮動軸套通過端面齒結構和螺栓結構連接在一起，減少了軸套內花鍵的加工難度、增加了軸套內花鍵的加工精度，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械鎖止孔和對應的固定套筒機械鎖止孔中進行機械鎖止，伸縮套筒在液壓缸和鎖止銷釘的共同作用下鎖止，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，進而保證車架的穩定性。

④混合動力發動機。設計一種天然氣——柴油混燃發動機，減少廢氣的排放，降低了鉆井成本，在油田或煤層氣開采區域利用現成的天然氣以替代較難隨車運輸的柴油，很容易滿足車載鉆機對燃料的需求。

⑤自潤滑泥漿軸。設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 結論

由于在開發過程中對多個環節進行創新再設計，開發出的CTZ80D千米車載鉆機穩定性強，運轉平穩，不僅能夠應用于煤層氣勘探開發、大口徑瓦斯排放井的鉆設，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，與被困人員建立聯系，提供生活用品，輸送氧氣，爭取搶救時間；

②在減災救災，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、恢復生產，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、地表復雜的礦山工業區及河道卵石層以及特殊目的限制必須空氣鉆進的地層工作。

從IDE技術創新方法在煤層氣車載鉆機研發過程的成功應用中可知，與現有的其它技術創新方法相比，IDE技術創新方法在設計理念上準確把握車載鉆機技術創新的要點，從系統結構的角度研究，確定整體結構，進而區分模塊界面，實現裝備系統全面創新。同時，IDE技術創新方法成功應用于車載鉆機的研發，表明該方法用于復雜產品研發制造的可行性，且更易于對大型裝備的技術路線進行設計規劃，整合現有資源，因而對縮短產品研發周期，加速技術進化有巨大的提升作用，對其進行廣泛推廣將會對我國裝備制造領域產生重大影響。

參考文獻：

[1]高宏亮.車載鉆機在地質勘探工程中的應用[J].地質裝備，2009，02：37-40.

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

[3]張遂安，崔崗，胡少韻，刁文慶，張仕民，丁慶新.煤層氣鉆機的技術現狀及發展對策[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、車載鉆機二級井架控制系統研究[J].石油機械，2012，40（2）：54-56.

[5]丁慶新，劉玉娟，孫廣斌，張遂安，蘇玉莆.煤層氣車載鉆機頂驅優化設計[J].煤礦機械，2010，31（8）：54-56.endprint