鉆探機械可靠性設計的合理性研究

許楚鑫

摘 要： 鉆探機械的應用范圍很廣泛，為了提高機械的利用率，要加強對機械設備的可靠性設計。本文對鉆探機械可靠性設計的合理性以及設計的方法進行分析與探討，旨在提高鉆探機械的性能，減少鉆探機械使用故障。

關鍵詞： 鉆探機械；設計；可靠性；合理性

引言

鉆探機械是鉆探工程中不可或缺的重要組成之一，鉆探機械的可靠性是影響機械性能的關鍵因素，直接決定了鉆探機械產品的整體質量。現(xiàn)階段國家現(xiàn)行標準中，對機械設備的可靠性進行了定義，指的是在設備產品生產過程中，在限定的時間范圍以及規(guī)定的使用條件下，機械產品能夠達到預先設計的可靠性。機械可靠性屬于邊緣性學科范疇，其研究的內容多樣化，而且涉及很多方面，對機械的可靠性進行設計，可以提高機械設備的使用性能，延長其使用壽命，滿足不同用戶的使用需要，機械的可靠性也是衡量設備質量的重要參數，如果可靠性不足，則在使用過程中存在較大的安全隱患，可能出現(xiàn)各種故障，而且還會增加維修成本，導致機械設備的使用壽命縮短。因此可靠性設計對機械設計尤為重要。

一、可靠性的概念和可靠性設計的意義

（一）可靠性概念

可靠性是機械設備產品的一個基本參數，按照國家現(xiàn)有的標準和規(guī)范，對設備的可靠性進行量化的參數有設備的工作小時、工作轉數、應力循環(huán)次數、行駛里程等，由于機械設備在使用過程中會出現(xiàn)各種各樣的疲勞、磨損和老化現(xiàn)象，產品也很難一直保持其技術狀態(tài)，所以在產品最初設計時就必須要保證設備的可靠性，提高設備的性能。量化可靠性可以從兩個方面著手，第一，看產品是否達到了規(guī)定的功能。規(guī)定功能指的是產品達到了國家標準和技術文件中所規(guī)定的產品應該具有的某些功能、技術指標以及要求，當對產品進行試驗，并且產品能夠通過試驗，則說明產品達到了規(guī)定的功能，如果測試的時候發(fā)現(xiàn)產品的某些功能沒有達到規(guī)定的要求，則說明產品失效或者發(fā)生故障，要根據故障原因、故障類型對設備進行重新設計和調試，以提高設備的性能水平。第二，對產品的能力進行衡量。產品的能力指的是產品完成規(guī)定功能的可能性，當產品出現(xiàn)故障的時候，其能力就達不到要求，而且產品的故障是一種比較隨機的現(xiàn)象，一般使用機械設備不發(fā)生故障的概率作為衡量產品能力的標準。

（二）研究鉆探機械可靠性設計合理性的意義

現(xiàn)代機械產品在使用過程中應該要能夠保持可靠運行狀態(tài)，在封存以及運輸期間應該要保持良好的技術狀態(tài)。設備只有在可靠性較高的條件下才能發(fā)揮出最大效能，所以可靠性是衡量設備好壞的一個重要指標，因此可靠性對各類產品都具有十分重要的意義。對機械設計的可靠性進行分析的一個重要任務是確保設計的機械零件能夠在規(guī)定的時間內、規(guī)定的條件下完成規(guī)定的功能，當前可靠性分析方法已經在機械設計的各個領域廣泛使用，是設計過程中對設計方案進行選擇的依據。開展可靠性研究具有十分重要的實用價值，其中涉及到機械安全問題，提高機械設備的可靠性，才能提高設備的安全性。具體來講，設備的安全性指的是設備能夠在規(guī)定的條件下執(zhí)行其功能，在運輸、安裝、調試、維修等過程中都不會對相關的技術人才產生危害。在產品設計階段就需要考慮可靠性和安全性，將安全隱患消除在萌芽階段，從而不斷提高機械產品的安全性能。

二、鉆探機械常見故障原因分析

鉆探機械是鉆探工程中的常用機械設備，機械故障是影響設備安全性和可靠性的主要原因，當機械產品的某一結構、零件的尺寸、性狀以及性能發(fā)生改變的時候，就可能會導致設備不能執(zhí)行預期的功能。常見的設備故障有破斷、變形、腐蝕摩擦、失效、系統(tǒng)故障等。對于鉆探機械來講，由于鉆探機械的體積較大，系統(tǒng)比較復雜，在運行過程中的使用頻率較高，因此鉆探機械常見的故障破斷性故障和腐蝕摩擦類故障，這兩種故障的發(fā)生將會導致鉆探機械不能正常作業(yè)，嚴重的時候還會對技術人員造成損傷。造成鉆探機械故障的原因主要有幾個方面：

（一）設計方面的問題

從設計的角度來講，鉆探機械的材料選擇不當、熱處理時的尺寸和技術不當、系統(tǒng)設計不合理，都會導致設備出現(xiàn)故障。例如當設備的材料強度達不到要求，則在操作過程中面對復雜的地質環(huán)境，就很容易導致設備出現(xiàn)破斷問題。另外，如果尺寸設計不合理，某個零件的尺寸較大，那么該零件會對周圍的零件產生磨損，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，如果尺寸偏小，又會導致設備的承受應力范圍偏小，出現(xiàn)損壞。

（二）制造工藝方面的問題

制造工藝是影響鉆探機械可靠性和安全性的主要因素，制造工藝決定了設備的性能，如果制造工藝不合格或者安裝不符合要求，則會導致機械故障發(fā)生。比如零件加工比較粗糙、零件表面的光滑度不滿足要求等，在設備的使用過程中就會加重零件的損耗，導致零件的尺寸損耗增快，最終導致零件不能承受外部應力，出現(xiàn)問題。再比如，由于零件的光滑度不足，則在設備使用過程中還會產生巨大的熱量，導致構件出現(xiàn)疲勞，進而影響整個系統(tǒng)的運行。

（三）使用方面的問題

在使用鉆探機械的過程中，技術人員的操作水平、操作方法也直接影響設備的可靠性和安全性。鉆探機械的使用環(huán)境十分復雜，當使用結束之后要立即對設備進行維護、清洗，但是有的技術人員不注重對設備的維護，使用之后沒有及時保養(yǎng)，因此導致部分零件出現(xiàn)銹蝕，影響設備性能。

三、提高機械可靠性的設計方法

機械可靠性包括兩個方面，一個是機構可靠性，一個是結構可靠性。機構可靠性主要研究機構在運行過程中由于運動學問題引起的各種故障，而結構可靠性則主要指的是結構強度以及外界荷載變化所引起的磨損、鍛煉等問題。鉆探機械可靠性設計主要分為兩個部分，一個是定性可靠性，一個是定量可靠性，前者指的是在運行故障模式的影響以及對危害進行分析的基礎上，應用行業(yè)內的成功經驗對產品進行設計的過程，后者指的是在掌握了零件強度分布、應力分布以及設計參數的基礎上，建立起穩(wěn)定的狀態(tài)函數和極限狀態(tài)函數進行設計的過程。常見的鉆探機械可靠性設計方法如下：

第一，預防故障設計。由于鉆探機械系統(tǒng)的各個部分之間有很強的關聯(lián)性，因此在進行設計的時候應該要將其串聯(lián)起來，提高系統(tǒng)的整體性，在對零部件進行選擇的時候必須要控制好各個零部件的質量，確保零部件的質量滿足要求。

第二，簡化設計。在機械設計過程中，滿足預定功能的前提下，設備的應力越簡單越好，零部件的數量越少越好，整個系統(tǒng)越簡單，其可靠性越高在。

第三，余度設計。當設備出現(xiàn)故障的時候，為了保證設備依舊可以運行，要做好余度設計，即在設備完成規(guī)定功能之外進行結構和備件的重復設計，從而可以保證設備的某個部分失效之后還能繼續(xù)運行。

第四，耐環(huán)境設計。環(huán)境是影響設備運行水平的重要因素，在設備的設計過程中必須要考慮整個壽命期間可能會遇到的環(huán)境影響，比如裝配過程、外部的沖擊、外界的溫度濕度等條件都會對設備產生影響，設計時要做好環(huán)境耐性設計和測試，確保設備可以在多種多樣的環(huán)境中正常運行。

第五，人機工程設計。為了減少設備使用過程中人為操作失誤，發(fā)揮機械和人的特點，應該要加強人機工程設計，提高操作臺、控制臺以及操縱環(huán)境等和人有關的子系統(tǒng)的性能，從而提高人為操作的準確性。

結語

隨著機械產品設計行業(yè)的不斷發(fā)展，可靠性作為機械設備的核心參數，設計單位對產品的可靠性的重視程度也越來越高，要求要在產品發(fā)生故障之前就能預測出故障的發(fā)生趨勢。在機械設備的設計過程中要做好各種參數的設計，根據這些參數的設計結果對整個設備的系統(tǒng)和結構進行設計，提高設備的穩(wěn)定性與安全性。

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