基于TRIZ的多工艺动力头创新设计

2016-01-25何磊高杉李勇

地质装备 2015年6期

关键词：钻机创新设计

何磊，高杉，李勇

(1.中国地质装备集团有限公司，北京　100102；2. 中国地质大学(北京)，北京　100083)

基于TRIZ的多工艺动力头创新设计

何磊1，高杉1，李勇2

(1.中国地质装备集团有限公司，北京100102；2. 中国地质大学(北京)，北京100083)

摘要：：作者将TRIZ(theory of inventive problem solving)创新理论方法应用于多工艺钻机动力头的设计研究，对同时适用于金刚石绳索取心钻进工艺和空气反循环快速取样两种钻进工艺多工艺钻机动力头技术现状及存在的问题进行分析，提出了新型多工艺动力头的设计要求；应用TRIZ理论进行根原因分析，建立系统功能模型，确立了冲突区域，选择、确定可行的发明原理，综合各种创新方法的解，最终给出可行解；最后对新型多工艺钻机动力头进行了可行性及经济性分析。

关键词：钻机；多工艺；动力头；创新；设计

中图分类号：P634.31

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2015)06-0011-04

收稿日期：2015-10-26

作者简介：何磊(1979-)，男(汉族)，江苏徐州人，中国地质装备集团有限公司技术中心钻探设备研发部主任，高级工程师，硕士，机械工程及自动化专业，长期从事钻探设备研发及知识产权管理工作，北京市朝阳区望京西园221号博泰大厦5层，13671168082@163.com。

0引言

TRIZ是由前苏联著名发明家G.S.Ahshuller及其带领的研究团队，通过深入分析和研究世界各国近250万件高水平发明专利的基础上建立起来的发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving)[1]。其核心是回答发明问题解决的过程、支持工具等难题，使设计者或问题解决人员能运用前人在不同领域创新的知识和经验，快速、高效地解决自己的问题。TRIZ已被认为是一种世界级创新方法[2]。

目前，我国地质小口径固体矿产勘探工作量绝大部分都采用金刚石绳索取心钻探工艺，空气反循环钻探工艺以其高效率与低成本的优势在国外得到广泛应用[3]。将RC钻探工艺浅部高效取样和深部金刚石绳索取心相结合的多工艺钻机在国外已系列化，技术及相关配套机具都已成熟，例如山特维克公司的DE系列钻机、宝长年公司的LX系列钻机等。动力头是钻机的关键功能部件，多工艺钻机研制的关键技术在于多工艺动力头(回转装置)的研发，其作用是为钻杆提供回转扭矩和控制转速。本文运用TRIZ的经典方法设计一种多工艺动力头，既可以满足两种钻探工艺要求的一高一低的调速范围，又可以实现高低速的快速切换。

1多工艺动力头发展现状

金刚石绳索取心和空气反循环钻探工艺对钻机的要求是有很大差别，主要区别在于动力头转速及回转扭矩，多工艺动力头研发的难点是转速范围大。当使用金刚石绳索取心钻进工艺时，钻头需要高转速磨削岩石钻进，一般钻头线速度2m/s以上，小直径钻头最高转速大于1000r/min，扭矩小，转速可调控；空气反循环快速取样钻进使用冲击回转全面破碎钻进方式，要求大扭矩，转速要求只需要20～40r/min。

目前，国外钻探设备多功能化、多工艺化成为主流发展方向，一机多用更能很好的应对不同地层及钻孔需求。主要有两种方式实现钻机的多工艺：(1)高速动力头与低速大扭矩动力头根据不同钻探工艺互换，钻机其他功能部件不需要变化；(2)一个能实现大范围转速调控的多工艺动力头，可以快速转换使用不同钻探工艺。

1.1　两种动力头的互换

一个高速动力头，适用于金刚石钻头回转钻进工艺；一个低速大扭矩动力头，适用于空气反循环快速取样钻进工艺，根据不同的钻探工艺选择使用。低速大扭矩动力头外形如图1所示，低速大扭矩动力头适用于空气反循环钻进工艺，由低速大扭矩马达驱动输入齿轮减速箱；高速动力头外形结构图2所示，高速动力头适用于金刚石绳索取心钻进工艺，高速变量马达 1 将功率输入减速器2，减速后再将机械能输入变速箱3，再经末级减速箱 4最终传递给输出轴6。

图1　低速大扭矩动力头外形

1.2　高速马达+大减速比变速箱

采用高速马达+大减速比变速箱结构方式的动力头实质上是对图2所示的高速动力头的改进，因为高速动力头不能提供空气反循环钻进需要的大扭矩，所以在高速动力头的基础上，为了解决动力头高低速的转换，对高速回转动力头进行了改进，增加了变速箱，并在箱体内增加了一级减速齿轮轴。高速变量马达8将液压能转化为机械能，将扭矩传递给变速箱7，变速箱7设有高速与低速两挡，再将扭矩传递给输入齿轮轴6，与一级减速齿轮4啮合实现一级减速，一级减速齿轮4与大齿轮3啮合实现二级减速后最终将功率传递给动力头输出轴2，润滑泵5与输入齿轮轴6连接给箱体内轴承提供润滑油，以上子系统都固定在箱体1上。结构简图如图3所示。

图2　高速动力头外形结构

1.箱体; 2.输出轴; 3.大齿轮; 4.一级减速齿轮; 5.润滑泵; 6.输入齿轮轴; 7.变速箱; 8.柱塞变量马达图3　多工艺动力头系统结构简图

采用两种动力头实现多工艺是多工艺动力头系统在技术进化过程的初级阶段，使用不方便，不能实现快速切换，更换动力头时容易污染液压油，造成液压系统的失效。采用高速马达+大速比变速箱结构方式的动力头是多工艺动力头系统技术进化的更高的阶段，本文主要对该种多工艺动力头系统应用TRIZ方法解决现有系统的问题进行创新设计。

2基于TRIZ的创新设计过程

由于TRIZ理论是以已有系统为主要研究对象，比较适合于产品的改进设计[4]。面向问题的创新求解过程主要包括两个阶段：第一阶段是通过需求分析、问题表征、功能分解及功能结构构建来挖掘现有多工艺动力头产品存在的问题，并提出改进方向；第二阶段是应用TRIZ理论中的矛盾矩阵、分离原理、物场模型等工具逐个解决第一阶段的系统问题。针对目前多工艺动力头方式存在的问题，运用TRIZ理论理论解决问题并得到理想解。

2.1　问题分析

高速变量马达输出的转速很高，导致变速箱长期工作的情况下发热严重，变速箱由专业厂家制造，由于地质装备行业产品的特点是批量少、变型机型多，所以变速箱价格昂贵，且使用可靠性差。

2.1.1功能分析

对目前使用的多功艺动力头建立系统功能模型，如图4所示。功能分析：

图4　系统功能模型

(1) 液压系统：系统的超系统，系统的动力来源，功能是为系统提供能量。

(2) 高速变量马达：主要功能是将液压能转换成机械能，辅助功能是变量调速。

(3) 变速箱：功能是调速、传递能量。

(4) 输入齿轮轴、减速齿轮、大齿轮：功能是传递机械能、减速。

(5) 输出轴：功能是传递能量，连接钻杆。是系统的工作单元。

(6) 箱体：功能是支撑各子系统。

(7) 钻杆：系统的驱动对象。

2.1.2原因分析

从系统功能模型图4可以看到，液压系统驱动高速马达8，将液压能转化为机械能经变速箱7将机械能传递给输入齿轮轴6，再经过箱体内的齿轮减速将能量传递到输出轴2，变速箱有高低速两挡，高速档时变速箱发热严重很容易损坏，低速挡时由于负载强烈的冲击，变速箱也容易损坏。原因是高速挡时马达8需要输入3000r/min以上的转速，在如此高的转速下变速箱长时间工作发热严重；低速挡时，负载大且不平稳对变速箱的齿轮有冲击造成变速箱损坏。

2.1.3资源分析及理想解

液压能这种场资源可以直接应用，液压能也是动力头系统的超系统。针对目前系统的问题，确定系统改进的目标，即理想解。利用可用资源，解决变速箱发热损坏的问题，实现输出轴高低速的转换，可靠的工作。

(1)要满足动力头的功能需求，保证参数指标，既可以输出高转速，又可以输出大扭矩低转速；

(2)要求运用现有资源，最好是沿用液压驱动的方式；

(3)能够快速的切换高转速与大扭矩低转速的状态；

(4)考虑方案的可执行性、可靠性及成本控制。

2.2　TRIZ工具的选择与运用

使用了冲突分析和物质-场分析两种TRIZ创新方法，对应可用的发明原理和76个标准解中的适用解。

2.2.1系统物理冲突的解决

冲突理论是TRIZ的经典理论之一，与技术冲突相比，物理冲突是一种更尖锐的矛盾。动力头对于整个钻机来说是一个重要的子系统，动力头“输出转速的高与低”就是一个物理冲突。采用分离原理来解决物理冲突，两种分离原理对应的发明原理见表1。

表1　发明原理列表

2.2.2物质-场分析及标准解

对变速箱进行物质-场分析，如图5所示。高速液压马达8将机械能传递到变速箱，施加了机械场，这个场是想要的但有时也是有害的，高转速时马达8需要输入3000r/min以上的转速，在如此高的转速下变速箱长时间工作发热严重，有润滑散热装置的情况下也不能达到热平衡，造成变速箱损坏；变速箱向输入齿轮轴施加机械场，齿轮轴方向也向变速箱施加一个有害的机械场，在低速挡时，负载有强烈的冲击，都缩短了变速箱的使用寿命。

通过物质-场分析，可能用到76个标准解中：

图5　变速箱物质-场分析

No.7一个系统中场强度不够，增加场强度又会损坏系统，将强度足够大的一个场施加到另一个元件上，再将该元件连接到原系统上。

No.9在一个系统中有用及有害效应同时存在。S1及S2不必直接接触，引入S3消除有害效应。

2.3　归纳可能解

将发明原理及标准解归纳，提出对应的可能解，将这些可能解组合形成系统最终解，见表2。

2.4　找到理想解

基于上述物理冲突与系统问题的解决，沿着提出的创造性思维方向，结合自身实践经验和工程实际，滤除掉不符合要求的原理方案，最终得到了多工艺动力头理想解。经过进一步细化设计，得到了新型动力头最终结构，如图6所示。

表2　可能解方案

图6　多工艺动力头外形结构图

如新的系统功能模型图7所示，将原系统中的变速箱去除，引入了低速大扭矩马达和换挡机构，控制系统即液压系统增加了控制高速马达和低速马达并联控制阀，目的是通过液压和机械的方式快速切换动力头两种工作模式。

图7　新系统功能模型图

3对理想解的评价

新的系统充分利用了现有资源，引入液压驱动的低速马达，增加了换挡机构，考虑到两种工作模式并不是频繁的切换，所以采用了人工手动的控制方式。从经济角度上将去除了价格昂贵的变速箱，且变速箱需要外购执行过程中有诸多不可控因素，新的方案除了液压马达需要外购，所有的子系统都是本单位自行生产，难度并不大，可靠性能保证，液压马达是各行各业大量使用的标准选型产品，质量也是可控的，所以新的系统是可行的且较之前的系统是节约了成本的。

如图8系统结构及控制简图所示，动力头高低速切换的具体实现形式为：