基于IDE技术创新方法的煤层气车载钻机研发过程研究

摘要： 本文利用工业设计（ID）与工业工程（IE）融合形成的IDE技术创新方法，提升了我国矿用设备的研发制造能力，对于我国大型装备的开发具有借鉴意义。

Abstract： By using IDE technology innovation method integrated of industrial design（ID） and industrial engineering（IE）， this paper promotes the research and manufacturing capabilities of mining equipment in China， which is of reference significance for the development of large scale equipment in China.

关键词： IDE；车载钻机；技术创新；装备制造

Key words： IDE；car rig；technology innovation；equipment manufacturing

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）29-0024-03

0 引言

煤层气车载钻机作为一种新型钻探机械，具有机动性强、搬迁与运输方便、现场就位准确便捷、自动化程度较高、劳动强度低、工作效率高等特点，且由于煤层气车载钻机既能完成交通运输任务，也能够在施工环境较差、地质条件复杂以及特殊地形地理环境中进行施工，因此，特别适合地质钻探工程在边远、分散地区单机作业，能够满足我国煤层气开采设备的需求[1]。但由于我国煤层气开发起步较晚，地面抽采技术装备相对落后，煤层气车载钻机处于初期试制、试用阶段，钻采设备主要依赖进口，价格高昂，耗费企业大量资金[2]。因此，创新设计开发一种适用于我国特殊地质及技术需求的煤层气车载钻机，可以为加快突破煤矿瓦斯治理与煤层气开采技术瓶颈提供装备支持，也为煤层气企业发展提供帮助。

为研究适用于我国的煤层气车载钻机，众多科研工作者进行了大量的研究。张斌等[4]研制一种用于车载钻机二级井架的控制系统，以解决二级井架在立放时伸缩与承载模块功能不稳定等问题；丁庆新等[5]通过对煤层气车载钻机顶驱的工作流程进行研究，确定顶驱齿轮减速器的优化设计目标函数与设计变量，重新设计结构参数以优化顶驱减速器；宋瑞等对煤层气车载钻机绞车结构、钻台模块以及钻机整体移动装置进行改进，提高了运行效率并减少了运行成本。分析上述学者的成果可知，现有对煤层气车载钻机的研究多是单一对钻机的某一模块进行改进升级、重新设计，虽然也可提升车载钻机的工作能力，但由于其他模块缺乏相应的配套升级，往往造成钻机的整体协调性差、工艺不够优化、开发周期过长、经济效益不显著，甚至优化模块也难以发挥应有功能等问题。究其原因，车载煤层气钻机的开发较为复杂，优化设计开发流程与选择高效开发方法是煤层气车载钻机快速研发成功的保障，需要以系统的技术创新模式作为支撑。

在现有的技术创新方法中，IDE技术创新方法是将ID作为一项具有创新目的流程活动，视为综合集成方法思维展现的载体，将IE作为系统方法论，利用其创新理论与技法对ID流程进行优化升级。利用IDE技术创新方法能从系统论角度对煤层气钻机进行整体优化设计，实现成本与效率、技术与管理的有机结合，进而在创新理论与技法上对车载钻机的工业设计流程进行优化升级，使IE的具体理论与车载钻机创新过程相结合进而指导创新，对车载钻机进行创新再设计，实现使用目的、技术与个性特色相融合，使原高能耗大功率车载钻机经济指标低的情况得到极大改善，市场应用更加广泛，前景大为提高。

1 IDE技术创新方法

随着现代工程系统的不断发展，企业越来越关注产品的制造环境和制造流程，积极推动传统生产模式的转型，创新生产机制，极大地提高了产品的生产效率，实现了资源的高效利用。同时，随着现代制造理论与技术的广泛应用，产品的设计流程要求也越来越高。生产企业在结合IE融合原理和ID技术的基础上，利用IE方法研究出了一种全新的技术创新方法，详见图1。

2 基于IDE技术创新方法的煤层气车载钻机研发模型

车载钻机是系统功能高度集成、技术高度融合的体现，其模块化、集成性、独立性是对创新方法的挑战。而将IDE技术创新方法应用在车载钻机研发过程中，其原理在设计流程与方法中得到体现：一方面从流程维完成市场调查、资料搜集与整理、产品外观设计以及成本核算等内容，综合考虑车载钻机的功能、结构、材料、工艺、应用环境等因素；另一方面立足于方法维系统从车载钻机本身及其制造过程和整个生命周期考虑钻机的环境特性，在设计环节利用工业设计方法实现车载钻机功能、经济性、市场销售等的最优化，为车载钻机的研发提供战略研究。

结合IDE技术创新方法，煤层气车载钻机开发以系统化创新理论为依据，将其从产品设计到装备成型的整个过程进行了分解，将各要素有机整合，实现了设计、生产、管理的一体化。最终形成如图2所示的煤层气车载钻机研发模型。

该研发模式将煤层气车载钻机的设计与制造有机结合起来，将开放式创新的优势发挥至最大化，从横向和纵向两个层面进行制造，充分体现了创新的连续性、整体性和系统性。

3 实证研究

某煤层气开发单位近些年随着工程服务范围扩展，需增加新的车载钻机以满足需求，但从国外购置不仅要耗费大量资金，而且在维修、保养等方面也存在极大不便，因此该公司决定自主研发符合公司钻探需要的煤层气车载钻机。煤层气车载钻机作为大型工程设备，极其复杂，为更好更快地设计出车载钻机，公司引入IDE技术创新方法，从流程维和方法维对车载钻机进行解构与重构，剖析重点，分清主次，设计出车载钻机研发技术路线，如图3所示。

3.1 车载钻机需求发现分析

在需求分析阶段，对车载钻机的研究背景分析。需求分析既是车载钻机设计成功的基础，也是开发设计的最终要求。该阶段：

①需要采用工业工程方法，对我国车载钻机需求分析；

②需要利用规划方法，对我国车载钻机使用特点分析；

③需要综合运用评价方法，对国内外车载钻机研究现状与发展趋势进行分析。

3.2 车载钻机功能结构分析

在功能设计与结构展开阶段，需要在系统目标引导下，利用“原始法则”对系统结构进行破组织分解，划分为通用结构和专有结构，综合考虑各组成部分的相互作用和系统整体的发展变化，将车载钻机的主体结构分解为动力系统、传动系统、辅助系统、执行系统、控制系统等基本子系统，如图4所示。

3.3 车载钻机工艺设计过程优化分析

在工艺优化过程中，企业以改进生产流程和优化产品设计为基础，加快技术创新，积极采用新材料、新工艺、新技术适应了车载钻井工艺生产的发展需要。

在材料替代过程的主要任务是在不影响结构产品外观和功能的前提下，积极需求一种可替代性原料，使其符合现代生产的技术要求。该阶段功能体现在：

通过工艺优化及材料替代，可以完成在功能分析与结构设计阶段留有的特殊结构与关键功能的设计，主要包括以下五个部分：

①车载钻机动力头。在动力头的功率不变的前提下将所述马达两两同轴相对装配于减速箱的两侧，解决了现有的动力头的体积大、重量重的问题。

②浮动装置。通过将浮动连接头和浮动轴套分体设置，浮动连接头和浮动轴套通过端面齿结构和螺栓结构连接在一起，减少了轴套内花键的加工难度、增加了轴套内花键的加工精度，也保证了传递扭矩的需要。

③伸缩支腿。将锁止销钉插装于伸缩套筒机械锁止孔和对应的固定套筒机械锁止孔中进行机械锁止，伸缩套筒在液压缸和锁止销钉的共同作用下锁止，即使液压缸突然泄压或失去作用，锁止销钉仍能保证伸缩支腿的安全性，进而保证车架的稳定性。

④混合动力发动机。设计一种天然气――柴油混燃发动机，减少废气的排放，降低了钻井成本，在油田或煤层气开采区域利用现成的天然气以替代较难随车运输的柴油，很容易满足车载钻机对燃料的需求。

⑤自泥浆轴。设计自泥浆轴模块解决了无法随时对泥浆轴注射油的问题，避免了人力资源的不必要浪费，也提高了效率，使操作人员的人身安全得到了保证。

4 结论

由于在开发过程中对多个环节进行创新再设计，开发出的CTZ80D千米车载钻机稳定性强，运转平稳，不仅能够应用于煤层气勘探开发、大口径瓦斯排放井的钻设，还具有以下特殊功能：

①在矿山抢险救援行动中，通过快速钻透作业，与被困人员建立联系，提供生活用品，输送氧气，争取抢救时间；

②在减灾救灾，特别是煤矿堵水工程中，由于其钻孔直径大、速度快，为早日治理水害、恢复生产，减少损失提供有效的手段；

③可以在野外无水无电的恶劣条件下、地表复杂的矿山工业区及河道卵石层以及特殊目的限制必须空气钻进的地层工作。

从IDE技术创新方法在煤层气车载钻机研发过程的成功应用中可知，与现有的其它技术创新方法相比，IDE技术创新方法在设计理念上准确把握车载钻机技术创新的要点，从系统结构的角度研究，确定整体结构，进而区分模块界面，实现装备系统全面创新。同时，IDE技术创新方法成功应用于车载钻机的研发，表明该方法用于复杂产品研发制造的可行性，且更易于对大型装备的技术路线进行设计规划，整合现有资源，因而对缩短产品研发周期，加速技术进化有巨大的提升作用，对其进行广泛推广将会对我国装备制造领域产生重大影响。

参考文献：

[1]高宏亮.车载钻机在地质勘探工程中的应用[J].地质装备，2009，02：37-40.

[2]友强.车载空气潜孔锤钻进技术在煤层气井施工中的应用[J].中国煤炭地质，2013，25（7）：59-61.

[3]张遂安，崔岗，胡少韵，刁文庆，张仕民，丁庆新.煤层气钻机的技术现状及发展对策[J].中国煤层气，2007，04：9-11.

[4]张斌，文永川，崔凯，刘有平，龙涛，赵明建，雍欣.修井机、车载钻机二级井架控制系统研究[J].石油机械，2012，40（2）：54-56.

[5]丁庆新，刘玉娟，孙广斌，张遂安，苏玉莆.煤层气车载钻机顶驱优化设计[J].煤矿机械，2010，31（8）：54-56.