摘 要：钻探机械的可靠性直接关系着产品的质量和使用性能，同时也关系着工程施工过程中操作人员的安全性，因此必须提高其使用可靠性。产品设计的好坏直接关系着产品的可靠性，因此必须提高产品设计质量。本文就钻探机械产品的传统设计和先进设计方法进行了探讨，为钻探机械产品的设计提供了参考依据。
关键词：钻探机械；可靠性；设计
中图分类号：P634 文献标识码：A
钻探机械是我国常用工程机械的一种，为我国国民经济的增长起到了非常重要的作用。截止到目前已经建立了非常完善的设计和制造体系，但是由于设计过程中经常采用安全系数来进行材料安全性能的计算和校核，由于安全系数的选取受多种因素的影响，致使钻探机械设计完成后仍然存在着一定的风险，使其存在着较大的危险性。为了提高钻探机械的使用性能，我们在设计过程中引入了可靠性设计的概念。
1 钻探机械系统的组成
随着我国地质行业的不断发展，新的勘测技术不断被应用，极大的促进了钻探机械的发展。特别是近些年来，计算机技术的发展，钻探机械基本上实现了计算机辅助设计和制造，极大的提高了钻探设备的技术水平。目前我国大部分钻探机械都跟马达配合使用，保证了钻探机械运行的精度和安全性。一般情况下钻探机械系统的结构如图1所示。
2 传统钻探机械设计方法
传统钻探机械设计过程中采用一般机械常用的设计方法，即根据产品的功能需求，如承载能力、性能和效率等，确定和计算其各項技术参数。产品设计质量的好坏跟设计人员的整体素质有很大关系，因为设计过程中需要的大量参数是由设计人员按照其设计经验或者已有设计方案来确定的。为了能够保证设计方案的最优，通常需要设计人员选择多个方案，从中选择的能耗最低，误差最小的一个作为最终设计方案。但是受产品设计周期和设计效率的影响，这种设计方法收到的限制较多，设计人员只能够选择一个可行性方案进行钻探机械的设计。为了提高产品的设计质量，我们决定采用可靠性设计方法进行钻探机械的设计。传统钻探机械设计方法的优缺点见表1。
3 可靠性及可靠性设计
可靠性是指机械在规定时间和条件下能够完成预定功能的能力，它包括了结构可靠性和机构可靠性两个方面。其中结构可靠性是要保证钻探机械在使用过程中能够避免因各种载荷引起的疲劳、磨损和断裂故障的产生，机构可靠性则是要保证钻探机械运动可靠性。可靠性设计是通过建立极限状态函数来保证钻探机械在使用过程中的机构和结构可靠性。
机械可靠性设计方法是目前钻探机械设计过程中经常采用的一种设计方法，按照其产品以及构成的不同，可以将其分成以下几种不同的方法：
（1）预防性设计
钻探机械工作环境比较差，设备发生故障的几率较高，为了提高设备质量，常采用预防性设计方法。行星轮系是钻机中常用的机械结构，为了保证其使用过程中，各个齿轮都能够承受足够的力，所以在设计过程中要严格计算各个齿轮工作过程中所受力的大小，以便提供钻探施工操作人员使用过程中承受的最大载量，确保其能够承受最大应力或者弯曲强度范围能够超过齿轮工作过程中所受力和强度的大小，避免因过额过载造成钻探事故的发生，且零件购置时一定要对所有齿轮的质量进行严格控制，确保其质量。在钻探实际操作中因钻探施工人员忽视了钻探孔内阻力过载问题，发生过钻机离合器齿轮磨光跑钻；严重时还因钻杆、钻具过载、提引器抗拉硬度不达标造成提引篮下口外涨和提引环挂口断裂等，从而引起跑钻，严重者造成人员伤亡。因此，在钻探机械设备的设计中必须要考虑钻探机台实践操作中的各种危险因素，对产品关键部位应给予数据质量保证，从而避免危险的发生。
（2）余度设计方法
余度是机械设计中多余或者重复的结构，它能够在钻探机械系统中某个机构出现故障或者失效时，保证钻探机械系统的功能仍然能够实现。该结构的设计虽然能够在一定程度上提高整个机械系统完成任务的可靠性，但是降低了机械系统的基本可靠性，因此在设计时要慎重选择。例如钻探机械液压系统中常用的各种电磁阀，主要起到换向和开关油路的作用，设计时采用单线圈电磁阀，不能保证系统运行的可靠性。为此设计中可采用双线圈设计方法，正常工作情况下，二者相互独立，当一个线圈发生故障时，另一个线圈能够保证电磁阀正常工作。
（3）人机工程设计方法
钻探机械设计完成后，需要有人操作来完成其相关功能，操作人员的技术水平在一定程度上间接影响了机械性能的实现。人机工程设计是一种新型的设计方法，在机械设计过程中认真考虑人的操作方便性和便捷性，将误操作的可能性尽量降低。该设计方法从人和机械两个方面来进行钻探机械设计的优化。如钻探机械中各个控制按钮、操作杆等设计必须严格按照人机工程学的方法进行，一旦遇到突发情况，人们能够根据自己的正常思维意识，找到相应的控制操作位置。此外，还有结合钻探机台施工中人机操作的实际情况，由于孔内钻探情况很难预测，取芯钻具设计时通过增加尼龙材质的调节阀结构设计，使其在实际钻进过程中如发生过水不畅、堵水等情况发生是，调节阀因水量回流返堵引起膨胀致使泥浆泵泵压值急速变化，以此提醒钻探操作者井下堵水马上提钻避免烧钻井故发生造成相应经济损失。
（4）模拟设计方法
随着图形造型技术和应力分析技术的不断进步，通过计算机人们能够将设计好的钻探机械通过造型完成其整机的装配和运行的模型，如下图2所示，然后将使用过程中机械可能受到的力以及力的大小通过应力分析软件施加到钻探机械的受力部位，通过软件模拟其实际使用过程中构件的受力情况，并且对设计的强度和刚度进行校核，发现问题及时进行修改，将设计问题控制在机械制造之前，提高设计的可靠性。
在钻探机械设计过程中可以采用模拟设计方法，设计人员按照设计好的图纸，绘制钻探机械的各个零部件，然后将所有零部件装配到一块，得到钻探机械整机三维图形。设计人员可以采用三维软件中自带的功能，检查设计中是否出现干涉现象，保证各个零部件制造完成后能够准确的装入到系统中。同时利用先进的有限元分析软件Analysis，可以对钻探设备的钻头以及其他部件施加工程中该部件所受力的大小，观察期各个部门的应力和应变情况。如果钻头在模拟过程中变形量较大，设计人员可以随时进行修正。
结语
随着市场竞争的逐渐加剧，钻探企业经营过程中也面临着较大的风险，为了能够使企业能够获得较强的竞争力，大多数企业都通过优化产品设计，提高产品的质量和使用可靠性。本文主要介绍了钻探机械的几个主要组成部分，并且就目前市场上应用较多的钻探机械设计方法进行了介绍，分析了设计方法的特点。钻探产品设计过程中可以根据产品的功能和设计要点选择合理的设计方法或者将几种设计方法综合到一块使用，以达到最优的设计结果。
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