机械强度可靠性设计在地质钻机设计中的应用

摘 要：现阶段，随着社会经济的快速发展，地质机械设备市场逐渐复杂化，基订单设计的钻机已经广泛应用于各个行业当中，然而，不同用户的需求存在着很大的不同，因此，钻机的实际运用环境也有非常大的差异。文章的研究对象是地质钻机可靠性设计，简单分析了地质钻机设计当中机械强度可靠性设计的实际运用，并详细介绍了具体的设计方法，同时有效建立了相对比较完整的设计理念，实现最终的设计目标。

关键词：机械强度可靠性设计；地质钻机；运用；设计方法；设计理念

一、对可靠性设计进行分析

对于地质机械厂来讲，相关的产品设计师应该按照用户的不同需求，也就是产品订单当中包含的技术方面的内容，将现在拥有的钻机产品作为基础，对所运用的零部件以及成本进行充分考虑，同时，相关的设计师还应该分析以及研究用户所提出的具体用途以及运用的实际条件，制定出有效可行的设计方案，在相对必要的时候应该对设计进行一定的修改调整，对零部件等进行重新的研发，除此之外，设计师还应该对钻机集成设计开发进行有效的完成。

但是，很多的钻机设计依然没有形成非常合理的有着合理性以及适用性的方法。文章对机械强度可靠性设计在地质的相关设计实际设计中的运用进行分析，详细介绍了该设计的相关方法。

通常来讲，类似于优化设计，机械可靠性设计是上个世纪六十年代在相对比较传统的机械设计前提下发展，属于是现代化的设计方法。相对比较传统的机械设计方法的另外一个名称是安全系数法，在对机械零件进行设计的过程当中，一般会觉得零件强度以及应力都属于单值，应该对安全系数进行计算，保证其安全系数比规定的数值大，就能够保证零件的安全性，在实际的设计过程中，对所有设计参数所具有的随机性进行了忽略。但是，在可靠性的设计方法中，应该把应力当作是随机变量，觉得应力会受到各种环境因素的严重影响，这些因素具体有粒子辐射、温度以及腐蚀，属于随机变量，有着分布一定的分布规律。同时，机械强度也会受到工艺环节、加工精度以及材料性能等各个方面的影响，属于有着一定分布规律的随机性变量。在进行实际的设计过程中，应该按照设计的不同需求，选择相应的特征函数，应该对均值以及离散率进行充分考虑，使用概率统计的相关方法来进行最终的求解。机械可靠性设计当中的机械都有着失效的可能性，在实际的设计过程中，应该按照需求来预先进行失效概率或者可靠性的控制，对所有参数的分布规律以及随机性进行充分考虑，进而来对零部件具体的工作情况进行有效的反映。产品所具有的可靠性就是在已经规定的适用条件下以及运用期间当中，产品会保持正常的技术性能，进而来对规定的功能进行有效的完成。

二、对机械强度可靠性设计的基本原理进行分析

通常来讲，机械强度可靠性设计主要指的是应该对载荷应力以及零件强度的实际分布规律进行充分的了解，对强度以及应力的数学模型进行科学合理的建立，对失效程度进行严格的控制，进而来有效满足相关的设计需求。具体步骤如下。

按照载荷统计以及概率分布进行应力计算，进而分析应力统计以及概率分布；根据材料机械性能统计以及概率分析进行强度方面的计算，结合几何尺寸分布来确定强度统计以及概率分布，最终确定强度可靠性设计。

机械系统的可靠性设计的最终目标是保证该系统在对相关规定进行有效满足的可靠性指标以及完成预定功能的基础上，有效的协调系统当中的重量、技术性能、时间以及成本等，保证最佳的设计。保证在时间、成本以及性能方面的约束之下，保证可靠性比较高的设计。

通常来讲，系统可靠性设计的方法能够大体分为两种类型：第一类是根据已知的零部件可靠性数据，对系统所具有的可靠性指标进行准确的计算，比较几种相关的设计方案，进而选择出最好的设计方案。第二类是按照已经规定的系统指标，合理的分配组成零部件，比较各种设计方案，进而选择出最好的设计方案。

三、对具体设计方案进行分析

一般情况下，钻机设计，应该经过参数化以及系统化的建模，同时还有离散化设计，通过一定的仿真分析来有效的制定完成的样机体系。经过相对比较完整的设计步骤以及生产系统，实现设计方案的最优化。下面对具体的设计方案进行分析。

（一）分析准备工作以及类型的选择

在进行设计的过程中，应该对钻机的实际使用情况与地质造型的比较复杂的情况进行充分考虑，主要包含钻机所具有的适应性、施工成本、施工的实际质量水平以及施工的实际效率。经过与现在的钻机设备进行比较，应该对电动机、液压泵、钻杆、动力头以及液压马达进行科学合理的选择。

（二）分析参数化的建立模型

按照之前对于该产品的实际设计经验，一直延续到这一系列产品的布置结构，按照特殊订单当中所包含的特殊要求，对不同的尺寸参数进行有效的修改来满足用户的实际需求。在相关的软件当中建立完整的三维模型。例如动力头、电动机与钻塔等模型，利用科学合理的布置来进行一定的组建。比如，用户的实际需求应该进行反向的动力形成的钻孔。所以，该地方的变化参数是液压管路的实际长度。

（三）分析离散化设计

按照离散化过程当中是不是按照整个全局的设计，一般情况下，离散化方法能够大体分成两种，分别是局部性方法以及全局性方法。例如，对于钻塔实际高度的修改，所有的钻塔的构成基本相同，具体为斜撑、竖撑以及横撑。而所有的撑所运用的材料种类以及厚度会在很大程度上影响钻塔所具有的刚度以及强度。

（四）有限元分析

利用数学模型当中的模型建立导入相应的软件当中进行分析，利用对边界条件进行有效的设定，分析应力加载与网格划分。运算修改尺寸的相关参数以及材料的性能，利用加载分析来得出应力的集中点，根据应力集中点来对元件结构进行有效的加强以及修改，有效提升其相关性能。针对卡槽固定板，其所具有的螺栓固定点与嵌套处都是应力集中部位，要保证在比较大的范围当中不出现应力屈服现象，就必须围绕嵌套处实施局部性的增强，进而来有效增强固定板所具有的强度，确定其所具有的可靠性。

（五）分析模型的修正与定型

按照有限元的最终分析结果，对于数据以及模型进行及时性的更正，对相对比较合适的结构以及材料进行一定的确定，确定设计模型，给出有效的装配模型和零件模型，最终形成二维图纸，对钻机的明细表进行有效的编制。按照所编制的明细表与图纸来对钻机进行生产，按照真正的生产过程当中的细节来修正数据以及定型。

四、结语

通常来讲，相对比较完整的机械系统的构成部分是子系统、部件以及零件等。机械系统所具有的可靠性，在一定程度上会取决于系统当中零部件所具有的可靠性，还会在很大程度上取决于构成零部件的组成方式。钻机的组成部分分为几大类，具体为电动机、液压马达、液压泵、动力头以及钻杆等，在功能关系上来讲，系统当中的任何部分发生失效的现象，都会严重影响钻机的正常工作。对于串联性的系统，系统所具有的可靠性会随着单元可靠性的降低以及单元数量的增加，会有效降低系统所具有的可靠性，因此，应该充分重视所有环节的设计和可靠性。

参考文献

[1] 王丽，佘立根，张炜.机械强度可靠性设计在地质钻机设计中的应用[J].机电信息，2014（27）：152-153.

[2] 孙友宏，胡志坚.工程地质参数随钻测量钻机电比例液压系统的设计[J].工程机械，2008（07）：56-59，63.

[3] 胡小芳，郑小海.对压力容器的机械强度可靠性设计的探讨[J].化工管理，2015（19）：162-164.

[4] 孙维国.对压力容器的机械强度可靠性设计的简单探讨[J].科技资讯，2012（18）：126.