钻探机械可靠性设计的合理性研究

摘 要： 钻探机械的应用范围很广泛，为了提高机械的利用率，要加强对机械设备的可靠性设计。本文对钻探机械可靠性设计的合理性以及设计的方法进行分析与探讨，旨在提高钻探机械的性能，减少钻探机械使用故障。

关键词： 钻探机械；设计；可靠性；合理性

引言

钻探机械是钻探工程中不可或缺的重要组成之一，钻探机械的可靠性是影响机械性能的关键因素，直接决定了钻探机械产品的整体质量。现阶段国家现行标准中，对机械设备的可靠性进行了定义，指的是在设备产品生产过程中，在限定的时间范围以及规定的使用条件下，机械产品能够达到预先设计的可靠性。机械可靠性属于边缘性学科范畴，其研究的内容多样化，而且涉及很多方面，对机械的可靠性进行设计，可以提高机械设备的使用性能，延长其使用寿命，满足不同用户的使用需要，机械的可靠性也是衡量设备质量的重要参数，如果可靠性不足，则在使用过程中存在较大的安全隐患，可能出现各种故障，而且还会增加维修成本，导致机械设备的使用寿命缩短。因此可靠性设计对机械设计尤为重要。

一、可靠性的概念和可靠性设计的意义

（一）可靠性概念

可靠性是机械设备产品的一个基本参数，按照国家现有的标准和规范，对设备的可靠性进行量化的参数有设备的工作小时、工作转数、应力循环次数、行驶里程等，由于机械设备在使用过程中会出现各种各样的疲劳、磨损和老化现象，产品也很难一直保持其技术状态，所以在产品最初设计时就必须要保证设备的可靠性，提高设备的性能。量化可靠性可以从两个方面着手，第一，看产品是否达到了规定的功能。规定功能指的是产品达到了国家标准和技术文件中所规定的产品应该具有的某些功能、技术指标以及要求，当对产品进行试验，并且产品能够通过试验，则说明产品达到了规定的功能，如果测试的时候发现产品的某些功能没有达到规定的要求，则说明产品失效或者发生故障，要根据故障原因、故障类型对设备进行重新设计和调试，以提高设备的性能水平。第二，对产品的能力进行衡量。产品的能力指的是产品完成规定功能的可能性，当产品出现故障的时候，其能力就达不到要求，而且产品的故障是一种比较随机的现象，一般使用机械设备不发生故障的概率作为衡量产品能力的标准。

（二）研究钻探机械可靠性设计合理性的意义

现代机械产品在使用过程中应该要能够保持可靠运行状态，在封存以及运输期间应该要保持良好的技术状态。设备只有在可靠性较高的条件下才能发挥出最大效能，所以可靠性是衡量设备好坏的一个重要指标，因此可靠性对各类产品都具有十分重要的意义。对机械设计的可靠性进行分析的一个重要任务是确保设计的机械零件能够在规定的时间内、规定的条件下完成规定的功能，当前可靠性分析方法已经在机械设计的各个领域广泛使用，是设计过程中对设计方案进行选择的依据。开展可靠性研究具有十分重要的实用价值，其中涉及到机械安全问题，提高机械设备的可靠性，才能提高设备的安全性。具体来讲，设备的安全性指的是设备能够在规定的条件下执行其功能，在运输、安装、调试、维修等过程中都不会对相关的技术人才产生危害。在产品设计阶段就需要考虑可靠性和安全性，将安全隐患消除在萌芽阶段，从而不断提高机械产品的安全性能。

二、钻探机械常见故障原因分析

钻探机械是钻探工程中的常用机械设备，机械故障是影响设备安全性和可靠性的主要原因，当机械产品的某一结构、零件的尺寸、性状以及性能发生改变的时候，就可能会导致设备不能执行预期的功能。常见的设备故障有破断、变形、腐蚀摩擦、失效、系统故障等。对于钻探机械来讲，由于钻探机械的体积较大，系统比较复杂，在运行过程中的使用频率较高，因此钻探机械常见的故障破断性故障和腐蚀摩擦类故障，这两种故障的发生将会导致钻探机械不能正常作业，严重的时候还会对技术人员造成损伤。造成钻探机械故障的原因主要有几个方面：

（一）设计方面的问题

从设计的角度来讲，钻探机械的材料选择不当、热处理时的尺寸和技术不当、系统设计不合理，都会导致设备出现故障。例如当设备的材料强度达不到要求，则在操作过程中面对复杂的地质环境，就很容易导致设备出现破断问题。另外，如果尺寸设计不合理，某个零件的尺寸较大，那么该零件会对周围的零件产生磨损，影响整个系统的稳定运行，如果尺寸偏小，又会导致设备的承受应力范围偏小，出现损坏。

（二）制造工艺方面的问题

制造工艺是影响钻探机械可靠性和安全性的主要因素，制造工艺决定了设备的性能，如果制造工艺不合格或者安装不符合要求，则会导致机械故障发生。比如零件加工比较粗糙、零件表面的光滑度不满足要求等，在设备的使用过程中就会加重零件的损耗，导致零件的尺寸损耗增快，最终导致零件不能承受外部应力，出现问题。再比如，由于零件的光滑度不足，则在设备使用过程中还会产生巨大的热量，导致构件出现疲劳，进而影响整个系统的运行。

（三）使用方面的问题

在使用钻探机械的过程中，技术人员的操作水平、操作方法也直接影响设备的可靠性和安全性。钻探机械的使用环境十分复杂，当使用结束之后要立即对设备进行维护、清洗，但是有的技术人员不注重对设备的维护，使用之后没有及时保养，因此导致部分零件出现锈蚀，影响设备性能。

三、提高机械可靠性的设计方法

机械可靠性包括两个方面，一个是机构可靠性，一个是结构可靠性。机构可靠性主要研究机构在运行过程中由于运动学问题引起的各种故障，而结构可靠性则主要指的是结构强度以及外界荷载变化所引起的磨损、锻炼等问题。钻探机械可靠性设计主要分为两个部分，一个是定性可靠性，一个是定量可靠性，前者指的是在运行故障模式的影响以及对危害进行分析的基础上，应用行业内的成功经验对产品进行设计的过程，后者指的是在掌握了零件强度分布、应力分布以及设计参数的基础上，建立起稳定的状态函数和极限状态函数进行设计的过程。常见的钻探机械可靠性设计方法如下：

第一，预防故障设计。由于钻探机械系统的各个部分之间有很强的关联性，因此在进行设计的时候应该要将其串联起来，提高系统的整体性，在对零部件进行选择的时候必须要控制好各个零部件的质量，确保零部件的质量满足要求。

第二，简化设计。在机械设计过程中，满足预定功能的前提下，设备的应力越简单越好，零部件的数量越少越好，整个系统越简单，其可靠性越高在。

第三，余度设计。当设备出现故障的時候，为了保证设备依旧可以运行，要做好余度设计，即在设备完成规定功能之外进行结构和备件的重复设计，从而可以保证设备的某个部分失效之后还能继续运行。

第四，耐环境设计。环境是影响设备运行水平的重要因素，在设备的设计过程中必须要考虑整个寿命期间可能会遇到的环境影响，比如装配过程、外部的冲击、外界的温度湿度等条件都会对设备产生影响，设计时要做好环境耐性设计和测试，确保设备可以在多种多样的环境中正常运行。

第五，人机工程设计。为了减少设备使用过程中人为操作失误，发挥机械和人的特点，应该要加强人机工程设计，提高操作台、控制台以及操纵环境等和人有关的子系统的性能，从而提高人为操作的准确性。

结语

随着机械产品设计行业的不断发展，可靠性作为机械设备的核心参数，设计单位对产品的可靠性的重视程度也越来越高，要求要在产品发生故障之前就能预测出故障的发生趋势。在机械设备的设计过程中要做好各种参数的设计，根据这些参数的设计结果对整个设备的系统和结构进行设计，提高设备的稳定性与安全性。

参考文献

[1]王新生.浅谈钻探机械可靠性设计的合理性研究[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2010（02）.

[2]杨光.浅谈钻探机械可靠性设计的合理性研究[J].城市建设理论研究：电子版，2012（36）.

[3]高建庭.钻探机械合理的可靠性设计方法[J].科技风，2012（11）.

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