钻探机械的可靠性设计

摘　要：常规的钻探机械零件设计方法即安全系数法，是将材料的极限应力、作用在零部件上的载荷及零部件的截面尺寸等均看作常量来进行的，它尽管用了远大于 1 的安全系数，却并不能回答其产品的安全性问题。有时设计时认为是安全的，实际应用中并不安全，而设计时认为是不安全的，实际应用却是安全的。由于其中的不确定性和随机性，引进可靠性设计是合理的做法。

关键词：钻探；机械；可靠性

一、可靠性的基本概念
　　可靠性顾名思义，就是产品在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功能的能力。
　　规定的时问指的是度量产品使用过程的尺度，工作小时数、应力循环次数、工作转数、行驶里程等都可以当做规定的时间来看待。由于任何产品在使用了一顶的时间后都会出现磨损以及老化等等的时间现象，使得产品不可能做到历久如新，因而，产品肯定是具有时间的局限性的。
　　而所谓规定的功能，是指国家标准和有关技术文件中所规定的产品的各种功能、技术性能指标和要求。需要通过试验证明产品达到规定的各项指标和要求，则可以称该产品完成规定的功能。描述产品功能的数量指标是故障诊断的基本依据，若没有明确的数量界限，就难以正确判断是否发生故障，因而会引发争议。
二、机械可靠性的设计方法
　　机械可靠性设计包括定性可靠性设计和定量可靠性设计。定性可靠性设是在进行故障模式影响及危害性分析的基础上，有针对性地应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠的目的；定量可靠性设计是充分掌握所设计零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上，通过建立隐式极限状态函数或显式极限状态函数的关系设计出满足规定可靠性要求的产品。
　　（一）预防故障设计：机械产品一般属于串联系统.而串联系统的设计以及操作过程都容易出现错误，而且对零件材质要求较高，这就需要我们在材料的整体性上做提高，才能使机械产品具有足够的可靠性。
　　（二）简化设计：机械设计在满足预定功能的情况下，应力求简单、零部件的数量应尽可能减少，复杂的设计这会让增加操作人员失误的可能性从而增大产品的使用风险，所以说越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是减少故障提高可靠性的最有效方法。
　　（三）余度设计：是对完成规定功能设置重复的结构、备件等，以备局部发生失效时，整机或系统仍不致于发生丧失规定功能的设计。这种设计方法提高了机械系统的任务可靠度，但基本可靠性却对应降低了，因此考虑采用余度设计时务必要慎重。
　　（四）耐环境设计：任何机械的使用周期都是有限的，而且我们需要考虑例如装配、运输时的冲击，振动影响这些在使用过程中会产生的意外情况，同时对于贮存时的温度、湿度、霉菌，使用时的气候、沙尘振动等等这些自然现象进行也应该主义，意外情况和自然条件都会随着机械的使用而加快机械的损耗速度。
　　（五）人机工程设计：它是为减少使用中人的差错，发挥人和机器各自的特点以提高机械产品的可靠性的设计。人在操作过程中出现合理的差错是很正常的，但是人为差错除了人自身的原因之外，操纵台、控制和操纵环境等也与人的误操作有密切的关系，所以人机一体性的配合是非常重要的，既可以减少人为的操作失误，也可以提高工作效率提高机械的可靠性。
　　（六）健壮性设计：最有代表性的方法是日本田口玄一博士创立的田口方法，即所谓的一个产品的设计应由系统设计、参数设计和容差设计的三次设计来完成，这种设计是从机械的全面性做考量的，我们在使用机械的时候也是使用机械的所有分支而不是只使用一个步骤，可以说机械是牵一发而动全身的，而这种设计过程中充分考虑了影响其可靠性的内外干扰可以说是一种全面性的优化设计。
　　（七）概率设计：是以应力强度干涉理论著为基础的，应力强度干涉理论将应力和强度作为服从一定分布的随机变量处理。
　　（八）权衡设计：是指在可靠性、维修性、安全性、功能重量、体积、成本等之间进行综合权衡，以求得最佳的结果。
　　（九）模拟方法设计：技术的发展，模拟方法日趋完善，它不但可用于机械零件的可靠性定量设计，也可用于系统级的可靠性定量设计。
　　（十）降额设计：使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法，简单的说就是使我们的机械可靠性留有一定的安全余地，如果我们只把安全额度留到限额的话，那我们在工作中很容易超出这个限额从而使机械的安全性降低，即使我们可以获得更高的生产力也是得不偿失的，如果我们降低一些机械的生产力，那么我们很容易把安全额度降下来，也许我们会以失去一部分的生产力作为代价，但这样的做法可以保证机械的相对安全以及可持续发展。
　　
三、结语
　　从文中可以看出，机械的可靠性需要从一个比较全面的角度去考虑，每一环出现问题都有可能造成整个机械的不稳定，不稳定的机械又怎么能是可靠的呢？而且我们的机械最好抹去一些不必要的细枝末节，更简单易懂的设计理念才是机械中需要的，而且机械的使用寿命是有限的，我们需要在使用的同时注意机械的保养与护理，从而延长机械的寿命，即保护机械又节省资源。

参考文献：
[1] 邬迪,张幼振,吕汉江. 钻探机械绿色产品设计及评价[J].煤炭工程,2007年,第五期.
[2] 王新生. 浅谈钻探机械可靠性设计的合理性研究[J].科学实践,2008年第九期.