瓦斯抽采式钻机设计的基本方法

肖敬伟

(长春职业技术学院工程技术分院，吉林长春 130033)

近些年来，随着计算机技术和信息技术的发展，机械设计发生了翻天覆地变化，正在向着智能化、集成化、便捷化、网络化迅速发展。一般而言，机械设计应具有以下特点：设计的产品应具有实用价值，能够满足社会的某种需求;设计是一项创造性活动，在设计过程中要么是自己设计出一个全新的产品，要么是对原有产品的改造;设计的产品最终要用于实际生产，使产品在现有条件下具有良好的工艺性;能够生产出来还并非结束，产品还应具有竞争力，能够占领一定的国内外市场。

就钻机设计而言，随着时代的发展，新方法、新技术的涌现，钻机已有不少设计方法。通常有传统设计方法、可靠性设计、有限元方法、优化设计、模块化设计、系统设计、模糊设计、人机工程设计等。

1 传统设计

传统设计主要凭借长期积累下来的设计经验，例如：通过实验建立的表格、图形，基于生产实际建立的经验公式等，对产品进行条件性、类比性设计。因此传统设计有较大的局限性［1］。类比性设计时，在未进行设计时就已经确定了产品的大致结构，这样不利于充分发挥设计者的创造力，很难得到新颖的设计方案。

对于零部件，只能通过对比运用近似的经验公式，做些简单的静力学分析。传统设计主要考虑了产品、零件的功能，缺乏对人机工程、对环境影响的考虑。虽然传统设计有较大的局限性，但一直在不断地改进，目前仍不失为一种比较常用的设计方法。

2 可靠性设计

可靠性设计是在二次大战中，因为处理电子产品不可靠问题而发展起来的。它是一种保证机械及其零部件满足给定的可靠度的设计方法。它基于的理论是，在设计过程遇到的设计变量，如寿命、强度和载荷等都是随机变量，遵从一定的概率分布。在设计过程中，通过采取简化系统结构、余度设计和可维修性设计等措施，来可以提高系统的可靠性［2］。

可靠性设计需要大量的样本来统计数据，以得到统计变量的分布类型。显然，这种方法比较接近于生产实际，设计出来的产品结构会比较合理，但是要得到好的结果，必须要有较好的数据库。就目前情况来看，可靠性设计的工程数据库还有待于进一步完善。相信日后可靠性设计会有较大的发展。

3 有限元

有限元法是力学与现代计算机技术相结合的产物，是力学学科在计算机技术上实现现代化的一个代表性标志。有限元法借助于矩阵分析求解联立代数方程组，是解决工程问题的十分有效的数值分析与计算方法。它利用单元的力学特性，把一个复杂的连续体离散成有限个单元体的组合结构［3］。可以进行复杂零件的静力学分析、动力学分析、振动分析等，是现代进行设计的一个非常有效的手段。

例如，在分析齿轮工作时的应力状态时，可将齿轮截面分割，看成是由许多小三角形组成的。三角形之间通过节点相连来传递求解信息。这样就可以用有限个单元组合而成的结构近似代替原来的齿轮结构［4］。

根据推导方法不同，有限元法可以分为三大类型：(1)直接刚度法。通过单元的物理意义，直接建立单元性质方程，方程用有关场变量表示，例如可以根据虚功原理，将单元方程集合形成控制方程，该方法推导简单，便于理解(例如流场、温度场等)。(2)变分法。该方法直接求解泛函极值问题，将其规划为线性方程组，进而求其近似解的一种计算方法。它引入了离散化的概念，简单的形状集合就可以表示复杂的求解域，解决实际过程中的各类复杂问题。(3)加权余量法。有些问题，泛函难以找到或者不存在，此时必须用加权余量法。该方法直接利用控制方程得到有限单元方程，是一种近似解法。

4 优化设计

机械优化设计是在满足一定约束条件的前提下，寻找一组设计参数，使机械产品单项或多项设计指标达到最优的过程。首先要根据以前学过的专业知识确立设计过程限制条件和要达到的目标，找到各个设计变量之间的相互关系，并且建立相应的数学模型。然后对这个数学模型进行求解(应用优化理论，设计优化程序，以计算机作为工具得到最优设计参数)。机械优化设计中开展最早的是机构优化设计，在这方面有很多成功实例，如：平面连杆机构、空间连杆机构、凸轮机构及组合机构等。

目前，在国内对零部件的优化设计进行了深入的研究，例如具有最佳承载能力的非渐开线齿轮副的设计［5］。在国外也推出了不少具有优化设计模块的软件，例如国际通用大型有限元软件ANSYS和数字化功能样机软件ADAMS都可以进行优化设计。值得强调的是科学计算软件MATLAB，它附带的优化工具箱包含一系列的优化算法和模块。像约束性最小二乘优化、约束非线性和无约束非线性极小值问题都可以得到解决。

近些年来，随着计算机技术的发展，优化设计已在机械、航空、电机、石油、化工、建筑等行业得到了广泛的应用，并取得了显著的技术与经济效益。

5 模块化设计

模块化设计就是将产品不同要素进行组合，划分成一个一个的模块，然后根据市场需求，将不同的模块进行组合，生产出满足要求的产品。模块化设计是一种大批量条件下，进行单件生产的非常有效的方法。模块化设计可使生产的产品形成系列化，能够快速应对市场需求的变化，提高竞争力，并可以缩短产品的研发周期。划分出来的模块应具有以下3个特征：各模块之间是相互独立的，能够单独对它们进行设计、制造、调试、修改和存储，有利于不同的企业和专业之间进行独立的生产。模块接口、参数等应尽量实行标准化，使模块之间易于互换，满足不同产品的需求。为了实现产品的横系列、跨系列通用，模块还应具有通用性。如今，模块化设计已成为装备生产的一个主要发展趋势。

6 模糊设计

模糊概念包括三点：要处理的对象概念、属性是模糊的;各个对象之间有一定的联系，但关系很模糊，不确切、具体;对于对象进行的操作，作用是不具体的、模糊的。由此可见，模糊现象是没有确切含义，没有确切边界，事物的差异存在着过渡过程，存在着不少随机现象。机械设计中存在不少模糊现象，如机器的磨损，是逐渐的过程，不是非彼即此的二值逻辑。存在着从正常到失效的过渡过程，即存在亦彼亦此的逻辑状态。

模糊设计是将模糊数学理论运用于工业设计的一种设计方法。可以解决设计中的许多模糊问题。随着计算机技术的发展，模糊设计将会越来越重要。

7 人机工程设计

人机工程设计时，充分考虑了人、机器、环境之间的关系，不单纯着眼于个别要素，而是将三者作为一个系统来设计、研究，从而找出结构设计的最佳参数。这样可以使产品满足人的舒适性的要求，让人感觉良好，不易疲劳，效率得到提高。设计原则如下：设计工作空间应考虑人体的尺寸;充分考虑身体姿势、体力和运动之间的相互制约关系;设计操作、调节部件，要充分考虑到人的部位运动，并且要充分考虑到环境和安全。人机工程充分考虑人的舒适性和安全性。在倡导和谐社会的今天，相信人机工程会越来越受到重视。

8 其他设计方法

a．绿色设计。

绿色设计在产品设计过程中充分考虑对环境的副作用和资源的消耗，它是使在整个原产品的生命周期(设计、制造、包装、运输、使用、报废)中，对环境副作用产生最小的一种设计，并且它在资源上的利用率最高。绿色设计是可持续发展在现代化制造业中的体现。

当前环境问题已成为世界各国关注的热点，绿色设计充分考虑了对环境的副作用。运用绿色设计生产出保护环境、资源利用率高的产品，例如：绿色汽车、绿色冰箱等，它将会得到政府的支持与推广，会有很大的市场前景和竞争力。

b．反求工程。

反求工程是测量技术、数据处理技术、图像处理技术和加工技术相结合的一门综合性技术。它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，根据工程师积累的大量经验，对已有产品进行解剖、深化和再创造，是对已有产品的再设计。应该特别注意，再创造是反求工程的灵魂所在。随着计算机技术的迅速发展，反求工程正日趋成熟。它的运用也越来越广泛，例如：汽车、摩托车的外形覆盖件和内装饰件的设计，家电产品外形设计，以及在艺术品复制中对反求工程技术的应用需求尤为迫切。

9 结束语

本文对瓦斯抽采技术进行了深入的研究，瓦斯抽采技术是近年发展应用迅速的一项有效防止瓦斯灾害的技术，它的成功运用使瓦斯灾害大幅度下降，然而该项技术还未得到全面推广和利用。尤其在中小型煤矿企业中的应用效果不理想，并未发挥该技术的全部优势。本文提出的瓦斯抽采技术的看法和建议，无论在指导思想、设计对象、设计方法和设计手段上都有显著的特点和先进性，有利于合理高效地利用瓦斯抽采技术。

［1］ 黄祖瑷，耿长青．有限元动力分析、非线性分析应注意的问题［J］．机械强度，2000(2)：70-90．

［2］ 徐学明．CMM2与CD360型高风压潜孔钻机［J］．矿山机械，1990(4)：75-76．

［3］ 甘海仁，杨永顺，李永星．我国凿岩机械现状［J］．矿山机械，2006(6)：23-44．

［4］ 李剑锋，王均效，王寿佑，等．圆柱齿轮齿面接触线法向刚阵与齿向载荷分布的研究［J］．山东工业大学学报，1995(2)：43-44．

［5］ 成思源．有限元法的方法论［J］．重庆大学学报：社会科学版，2001(4)：35-49．XIAO Jingwei