如何通过设计提高钻探机械的可靠性

彭儒金

（湖南工程职业技术学院探矿机械研制中心，湖南 长沙 410100）

在社会和经济发展过程中，各领域需要大量的工程机械，其中钻探机械是重要的组成部分。但是我国钻探机械发展较为缓慢，主要是在设计方面受到较大的限制，导致钻探机械在运行过程中，无法保持可靠性状态，致使钻探机械在遇到特殊地质结构时，无法深入至指定的深度获得地质资源。加强钻探机械可靠性设计研究，采用多种设计方法，包括预防性设计、简化设计以及余度设计等，有助于提高钻探机械的可靠性。

1 关于可靠性的概述

在限定的标准时间内，使用工程机械可以完成指定的生产任务，证明工程机械具有良好的可靠性。在限定的时间内，通常使用工作时间、行驶里程等表示。此外在工程机械运行过程中，使工程机械处于可靠性运行状态，还应考虑工程机械所处的自然环境，根据自然环境中的温度、空间以及地理位置等条件，全面分析工程机械的可靠性。

在钻探机械设备可靠性分析的过程中，我们主要从结构内容的可靠性分析，钻探机械设备的载荷过大会导致机械系统出现疲劳、磨损、断裂等现象，进而出现了失效性问题，可以针对定量可靠性系统的设计进行科学分析。在机械可靠性问题研究中，进行故障预防项目设计，实现对零部件设计内容进行合理选择及有效性控制，同时尽量减少钻探机械设备所使用零部件，减少设备出现故障概率；优化于都设计的核心性内容，在规定范围内，将重复性结构、备件等装备装置进行合理化应用，当局部装置出现失效现象时，要提升核心技术理念。在钻探机械设计过程中应充分考虑到寿命及周期的使用内容，如装置内容的装配、运输以及振动现象，在应用过程中可以进行强化环境分析。另外通过模拟方式可以逐渐优化钻探机械设备的可靠性。在降额设计理念应用过程中将钻探机械设备零部件使用应力降到最低，为技术优化提供保证。

2 关于钻探机械系统的构建

我国在地质开发过程中，通过构建钻探机械系统，已经促进地质领域快速发展，并且钻探机械的开采能力不断提高，许多创新技术得以广泛的应用。在信息技术背景下，将计算机辅助设计应用在钻探机械中，通过创新设计提高钻探机械的可靠性水平，使我国钻探机械不断扩大在世界的影响力。

在钻探机械系统构建过程中，钻探设备是由多个机械组成，包括钻塔、钻机、泥浆泵、泥浆搅拌机、泥浆净化设备、钻具以及附属工具等。以钻井泵机为例，在计算机内进行设计时，会构建钻井泵机架模型，在模型中会设置多种构件，包括底板、轴承座、左墙板、前底板、前板墙、前连接板以及右墙板组成。上述构件组建钻井泵机架模型后，在计算机内通过模拟演示的方式，将钻井泵机转入到运行状态，此时在计算机中，钻井泵机架模型的过程，可以作为钻井实际运行的参考，以便发现钻井泵机在运行时出现的问题，针对问题进行合理化设计。

3 关于钻探机械故障原因的分析

钻探机械出现故障的原因，主要是以下几个方面导致的：首先，钻探机械内部设置的零部件，由于规格、性能等存在问题，会影响到钻探机械正常的工作。零部件出现规格、性能等问题后，导致钻探机械出现许多故障，分别为破断性故障、机械腐蚀故障以及外部形态变化故障等；其次，钻探机械在使用期间，受到自然环境的影响，许多具有腐蚀性的物质侵蚀钻探机械，并且钻探机械出现较为严重的磨损情况，最终导致钻探机械无法工作。

通过对引发钻探机械故障的原因进行分析，从以下几个方面可以找出钻探机械出现故障的原因：一，在钻探机械设计过程中，由于设计人员未能选用合适的材料，钻探机械完成制造后，通过热处理时，材料受热规格发生变化，导致钻探机械内部存在较大的间隙，间隙进入杂质后，零部件出现较为严重的磨损情况；二，在钻探机械生产制造过程中，制造过程未能严格按照流程进行，钻探机械会出现故障。例如在钻探机械内部安装零部件时，由于未能对零部件进行光滑处理，零部件的光滑程度未能达到制造要求，零部件在运行时，受到相互挤压后，零部件的尺寸会发生变化，一旦零部件尺寸发生变化，钻探机械内部的承载能力不断下降。此外零部件相互挤压，会出现较为严重的摩擦情况，致使机械内部产生大量的热量，内部温度不断升高，钻探机械出现故障；三，在钻探机械运行过程中，由于工作人员未能按照流程操作，或者缺乏对钻探机械有效的维修和保养，钻探机械性能不断下降，钻探机械出现故障的概率不断提高。

4 钻探机械可靠性的设计方法

在钻探机械设计过程中，提升钻探机械的可靠性，是钻探机械设计工作的目标。以宏观角度进行分析，钻探机械可靠性设计，是由定性可靠性设计和定量可靠性设计组成。在定性可靠性设计过程中，可以采用提前预测的方法，分析钻探机械可能出现的故障，针对故障进行优化设计，避免钻探机械出现故障，从而提高钻探机械的可靠性。

现阶段钻探机械种类不断丰富，原有的可靠性设计标准发生变化，在钻探机械可靠性设计过程中，应根据钻探机械所处的环境以及其它条件造成的影响，通过全面的分析后，进行可靠性设计。

4.1 预防性设计

在钻探机械可靠性设计过程中，预防性设计是重要的组成部分。由于钻探机械工作环境较为复杂，需要设计人员全面分析自然条件下，引发钻探机械出现故障的原因，根据原因进行预防性设计。通过预防性设计，使钻探机械在不同的自然条件下运行时，可以避免受到复杂条件，导致钻探机械出现故障无法正常的使用。

4.2 简化设计

采用简化设计方法进行钻探机械设计时，一般用于设计结构较为简单的钻探机械。在简化设计过程中，可以全面掌握钻探机械的各个结构，使每个结构可以充分发挥应有的作用，在钻探期间保持稳定的运行状态，从而提升钻探机械的可靠性。

4.3 余度设计方法

采用余度设计方法进行设计时，一般用于设计较为复杂的钻探机械。在复杂的钻探机械中，钻探机械结构会增加较多的构件。上述构件的作用，体现在一旦钻探机械出现故障，或者未能保持在稳定状态运行，构件会自行处理钻探机械出现的故障，从而强化钻探机械的可靠性。在钻探机械设计期间，采用余度设计方法，在钻探机械设备内部配置构件，可以及时处理出现的故障，但是应注意的是，钻探机械的基本性能会受到影响，长期运行后，钻探机械的可靠性会不断下降。

4.4 对于环境适应度的设计

由于钻探机械会在较为复杂的环境中运行，根据环境条件进行钻探机械可靠性设计，需要设计人员掌握钻探机械的使用目的以及性能要求，并结合自然环境条件，对钻探机械产生的不利影响，针对可能出现的故障进行设计，以便提高钻探机械的可靠性。以环境条件Wie 角度进行钻探机械设计时，提高钻探机械的环境适应能力，设计人员应充分研究土壤的酸碱性，外部环境温度、湿度以及交通条件等，在设计过程中使用抗腐蚀性能的材料，有效防止环境中的不利因素导致钻探机械出现故障。此外在考虑钻探机械运行环境条件的同时，还应注意钻探机械在运输过程中受到影响。在运输环境中，钻探机械会受到碰撞的影响，同时在封存的密封环境中，如果密封环境湿度较大，均会影响钻探机械的可靠性。

5 关于钻探机械可靠性设计的意义

钻探机械可靠性设计的意义体现在以下几个方面：首先，通过可靠性设计，可以提升钻探机械的稳定运行能力；其次，钻探机械在自然环境中运行时，由于自然环境条件会发生变化，提高钻探机械的抗环境干扰能力，有助于延长钻探机械的使用寿命；三，通过可靠性设计，进一步优化和完善钻探机械结构，使钻探机械内部结构更加紧密，在保证设定间隙的前提下，各个零部件不会出现磨损情况，从而降低钻探机械的维修和保养成本；四，在可靠性设计过程中，设计人员综合考虑各项因素，使用性价比较高的材料，可以控制钻探机械制造成本，从而扩大钻探机械生产规模，加快我国钻探领域发展速度。

6 结语

综上所述，在钻探机械设计时，以提高钻探机械可靠性作为设计目标，设计人员应全面考虑钻探机械在自然环境中受到的影响因素，结合钻探机械实际运行状态，采用不同的方法进行设计。通过对钻探机械进行可靠性设计，一方面使钻探机械运行更加稳定，提高钻探机械的运行效率，另一方面促进我国钻探机械快速发展。