石油矿场用大功率传动装置模糊优化设计.pdf

2 0 1 0年 第 3 9 卷 第 1 1 期 第 3 7 页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD EQUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 01 3 48 2 2 01 0 1 1 - 0 0 3 7 0 3 石油矿场用大功率传动装置模糊优化设计 王智明 ， 菅志军 ， 周忠贵 中海油田服务股份有限公司 技术中心， 北京 1 0 1 1 4 9 摘要 解释 了大功率传动装置的工作原理 ， 提 出了对其结构参数进行模糊优化的方法。以最小体积 为优化 目标， 对大功率传动装置进行 了模糊优化设计 ， 结果表明该优化方法是可行的。 关键词 大功 率传动 装置 ； 结构原 理 ； 模糊 优化 中图分 类号 TE 9 2 4 文 献标识 码 A Hi g h Po we r Ri g g i n g Fu z z y Op t i m i z a t i o n o n Oi l Fi e l d Eq u i p me n t W ANG Z h i rui n g ， J I AN Z h i j u n， ZHOU Z h o n g g u i RD C e n t e r ， C h i n a Oi l fi e l d S e r v i c e s Li mi t e d， Be i j i n g 1 0 1 1 4 9， C h i n a Ab s t r a c t Th e ma c h i ne r y p r i nc i pl e o n hi g h p owe r r i g g i ng wa s i n t e r p r e t e d． A ki n d o f f u z z y op t i mi z a t i o n me t h o d a b ou t hi ghe r p o we r r i g gi ng c o n f i g ur a t i o n p a r a me t e r wa s pu t f or wa r d．Fu z z y o pt i mi z a t i o n d e s i g n wa s c a r r i e d o n h i g h - p o we r r i g g i n g b y mi n i mu m v o l u me o b j e c t ． Ca l c u l a t e d r e s u l t pr o v e d t he me t h od i s r e a s o na bl e ． Ke y wo r d s h i g h p o we r r i g gi ng； ma c hi ne r y pr i n c i p l e； f u z z y op t i mi z a t i o n 大功率传动装置是美国道奇公司开发的一种液 体粘性调速器与行星传动相结合的驱动系统 。具有 软启动、 软停车、 双向过载保护 、 无级调速、 效率高及 工作可靠等特点 ， 可实现多点驱动功率平衡 ， 广泛应 用 于石油矿 场机械 中 。 1 大功率传动装置 大功率传动装置由 3 级齿轮传动及一组湿式摩 擦离合器组成 ， 如图 1所示 。第 1 ～2 级为斜齿 圆柱 齿轮传动， 第 3级为行星传动[ 1 ] 。摩擦离合器 的动 摩擦片与行 星排的大齿 圈 固定 ， 静摩擦 片与机 架 固定 。 启动 时 ， 摩擦 离合器 的油 缸不进 液压油 ， 动摩 擦 片与静摩擦片分离 ， 输入的动力经过 2对圆柱齿轮 、 中间轴传递到行星排的太 阳轮 ， 太阳轮带动行星轮 ， 行星轮带动大齿圈旋转 ， 输出轴和行星架为一体 ， 所 受阻力较大 ， 不转动。当液压油逐渐进入油缸时， 摩 擦离合器的静摩擦片与连接在大齿圈上的动摩擦片 逐渐靠近结合， 随着液体压力的不断增大 ， 大齿圈随 之减速， 输出轴开始启动加速 ， 当大齿圈速度降到零 时， 输出轴同时达到最大转速 。通过调节加压时液 体压力 ， 可实现按要求的速度曲线启动。 停车时 ， 减小油缸液体压力 ， 重新启动大齿圈， 同时输出轴减速直至停车。同理， 通过调节液体压 力 ， 可实现按要求的速度曲线停车。 图 1 大功率传动装置传动系统示意 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 8 作者简介 王智明 1 9 6 9 一 ， 男 ， 辽宁建平人 ， 副教授 ， 博士 ， 现从事随钻测井研究 ， E - ma i l wa n g z h i mc o s 1 ． c o rn． c n 。 一 石 油矿 场 机 械 2 0 1 0 年 1 1月 2 建立模糊优化数学模型 2 ． 1 目标 函数 和设计 变量 的确定 大功率传动装置的模糊化设计是一项较为复杂 的工作 ， 通常以体积最小或质量最轻为 目标进行优 化 ， 这对减轻质量 ， 节约材料， 降低成本都有实效。 2 ． 1 ． 1 目标 函数 设计时以体积最小为优化 目标。由于该装置为 3级传动， 故分 3部分计算体积， 、 V 、 分别为 1 、 2 、 3 级齿轮传动的体积。 第 1 级传 动为斜 齿圆柱 齿轮传 动， 其 体积 公 式为 V 一T “ B } ； 一 手 B 1 式 中 ， d 为小齿 轮分 度 圆直 径 ， mm； d 为大 齿 轮分 度 圆直径 ， mE； B 为 齿 宽 ， mm； 为 齿 轮 法 向模 数 ， mm； Z 为小齿 轮齿数 ； Z 为大齿轮齿数 ； 为 齿 轮螺旋角 。 第 2级传动亦为斜齿 圆柱齿轮传动 ， 其体积公 式 为 z 一 手 B z i 一 B z z 。2 2 式 中 ， d 。为小齿 轮的分 度 圆 直径 ， mm； d 为 大齿 轮 的分度圆直径 ， mE； B 。 为齿宽， mm； m 为齿轮法向 模数 ， mm； Z 。为小齿轮 的齿数， z 为大齿轮 的齿 数 ， 为齿轮螺旋角。 第 3级为行星传动 ， 太 阳轮和全部行星轮的体 积之和决 定着齿 圈 及整 个 行 星机 构 的 尺寸 和 体积 ， 所 选体积 公式为 V 。 B s m； Z 3 式中， B 。 为齿宽， mm； 优。为模数， mE； Z 为太阳轮 齿 数 ， Z 为行 星轮 齿数 ， 为行星 轮个数 。 由于设计时总传动 比 i 已经确定， 行星传动 的 传动比 可由总传动比及前 2 级传动的传动 比 i 、 i 确定 。同时行星轮齿数可由行星传动的传动比及 太阳轮齿数表示。所 以式 3 可改写为 V 3 B s 。2 厶 2 [ 4 ；r／p 等Z ,2参 一 2 。 ] 4 上 O 由以上分析可得总体积公式为 V V 一 手 B z ； Z ； Bz B s 。2 2 [ 4 参 i 一 2 。 ] 5 2 ． 1 ． 2设计 变量 由于设 计 时 ， 可根 据结 构 类 型及传 动 比的大 小 确定行 星轮 的个 数 。 ， 故 优化设 计 的设 计变量 为 XE mn 1 ， n 2 ， 3 ， l ， z 2 ， ， ， z ， B 1 ， B 2 ， B 3 ， ， ] 6 2 ． 2 约束 条件 设 计 时所 考 虑 的几何 方 面 、 性 能方 面 以及人 文 因素方面 的约束 包含 了大 量 的模糊 因素 ， 所 以只有 采用模糊优化的方法建立约束条件来体现专家的经 验 、 观 点和某些 公认 的设计 准则口 ] 。 2 ． 2 ． 1 齿宽上下 限约束 器 z ≤ B ≤ 姑 z t 7 一 蠢 z s ≤ B z ≤ 蠢 z z 8 。 ≤B。 ≤ 。 Z o 9 式中， 、 、 为齿宽系数 的下限； 、 、 为齿 宽系数的上限。式 7 ～ 9 为模糊约束。 2 ． 2 ． 2螺旋角约束条件 考虑实际情况 ， 螺旋角为一大概的范围， 即 8 。 ≤ ≤2 O 。 ， 8 。 ≤ ≤2 0 。 1 O 2 ． 2 ． 3最小齿数 限制约束条件 为避免小齿轮产生根切 ， 建立 r约束条件为普 通约束 ， 即 7 ， 靠 7 ～ Z 7 1 1 2 ． 2 ． 4 行星传动邻接条件约束 为保 证各行 星轮 之间不 产生 干涉应满 足 Z． i b． Hs i n 3 6 0 一 2 一4 ≥0 1 2 p 即 s i n 一 一4 ≥ 。 1 3 2 ． 2 ． 5行星传动安装条件约束 为保证 行星轮 正常安 装应 满足 Za - Zb C 1 4 p 式 中 ， C为整 数 ； Z 为 大齿 圈齿 数 。 2 ． 2 ． 6行星传 动最小模数约束 对 于动力 传动 ， 模数 2 ， 即 1≥2， m 2 ≥2， m3 ≥2 1 5 2 ． 2 ． 7 传动 比分配约束 分配传动 比时， 应首先考虑行星传动的传动 比， 因为行星传动的传动比为一个大概的范围， 所以选 第 3 9 卷第 1 1 期 王智明 ， 等 石 油矿场用大功率传动装 置模糊优 化设计 用 模糊 约束 。相 同条 件 下 ， 行 星 传 动 的 传 动 比为 4 时 ， 所能传 递 的功率最 大 ， 选用 3 ≤ ≤ 7 。 2 ． 2 ． 8强 度 条 件 约 束 常规 设计 在 考 虑强 度 条件 时 ， 把许 用 应力 作 为 定值 处理 ， 只考虑 约束 条 件 的允 许 与 不允 许 2种 状 态。实际上 ， 强度条件的约束具有模糊性 ， 即在完全 允许 和完全不 允许 之间有 一个 过度 区间 。 式 1 6 ～ 1 8 为考虑 齿面 接触强度 。 zp√ 半 ≤ ] 1 6 式 中， Z H为节 点 区域 重 合 系 数 ； Z 为材 料 系数 ； Z 为重合 度 系数 ； Z 。 为 螺旋 角 系 数 ； E o ] 为许 用 接 触 应 力 的模糊 子集 ； k为载 荷 系数 ； T 为齿 数 是 Z 的 小齿轮传递的名义转矩 。 z z ／ 2 k T ； 2 一 ≤[ 式 中 ， 丁 为齿 数是 Z 。 时小齿 轮传递 的名 义转矩 。 √ 2 k Ta k H F ≤ ] 1 8 式 中 ， 为太 阳轮传 递 的名 义 转矩 ； k 为行 星 轮 间 载荷分 布不 均匀系数 ； 1 。3 一 Z g 一 _ 妻 吾 一 1 。 式 1 9 ～ 2 1 为 考虑齿 面弯 曲强度 。 y F y y Y s ≤[ H ] 1 9 y F y 。 y Y 8 ≤ [ 口 H ] 2 0 式 中 ， y 为 载荷作 用 于齿 顶 时齿 形 系数 ； Y 为应 力 修 正 系 数 ； Y 为 重 合 度 系 数 ； Y 。为 螺 旋 角 系 数 ； [ ] 为许用 弯 曲应 力 的模 糊 子集 。 2 『_ k le F p Ta y F⋯Y Y Y p ≤[ H ] 2 1 式 中 ， k 为行 星轮 间载荷 分布 的不均匀 系数 。 以上 模糊 约 束 的隶 属 函数 可根 据 经验 确 定 ， 以 强度 约束为 例 ， 其 中过渡 区问 的上 、 下 界可按 扩增 系 数法 确定 ， 即 下界 [ 矗 ] 一[ ] ， [ ] E o ] 上 界 D { { p E o - ] ， p r - o ] 2 2 式 中 ， [ ] 、 [ ] 分别 为 常规 设 计 许 用 应 力 值 ； 为 扩增 系数 ， 通 常 一1 ． 0 5 ～ 1 ． 3 o 。 隶属 函数选 用斜 线型 。 通过 以上 步骤 ， 建 立 的有 1 3 个 设计 变量 的大功 率 传动装 置模糊 优化数 学模 型为 f 1 o 4 ≤ 1 ～ 一23 3 模糊优化数学模 型的求解 大功率 传动装 置 的模 糊优 化是 一个具有 普通模 糊约束 的非 对称模 糊 优 化 问题 ， 可 采 用最 优 水平 截 集法来 求解 。 求解时， 首先对制造水平、 材料质量、 使用条件、 重要程度、 维修费用等因素进行专家打分， 然后采用 二级模糊综合评判确定最优水平值 ， 这样就可以把 模糊优 化 问题 转化 为最优 水平截集 上 的普通优 化 问 题 j ， 即 XE x1 ， X2 ， ⋯ ， X ] x一[ x ， X ， ⋯， x ] m i n F X S ． t ． 一 g ≥ 一 1 ， 2， ⋯ ， 2 5 式中， g 为约束条件； GJ 为约束条件取值 的模糊 子集 ； ， 为水平值 。 可用求解普通优化问题的方法求解 。 4 工程算例 使用上述方法 ， 对某厂生产的大功率传动装置 进 行 了优 化 ， 设计 电机 功 率 为 P一2 2 0 k W ， 电机 输 出转速为 一1 4 8 0 r ／ mi n ， 总传动比为 i 一3 8 。 初始 值 为 Z 1 2 6 ； Z 2 6 0 ； Z 3 2 3 ； Z 4 6 7 ； Z 一 1 7； Z 一 31； m l 一 6； m 2 7； m3 1 2； B1 9 2； B2 9 2；B3 1 3 0； 一 1 4 。5 5 ； 一 1 1 。3 O ；i一 3 7 ．9 6； V一 7 ． 7 05 X 1 0 。 优化 值 为 Z 1 2 5 ； Z 2 6 7 ； Z 3 2 9 ； Z 一8 1 ； Z 一 1 9； Z 一 2 9； m l一 5； m 2 6； 3 1 0； B1 7 8； B2 7 8 ； B3 1 2 6； 』9 1 1 1 。 5 0 ； 一8 。 5 2 ； i 一3 7 ． 8 2； V 一 5． 7 0 7 1 0 5 结 论 1 由工 程算 例 的优 化 结 果可 以看 出 ， 使 用 文 中所述 方法进 行模 糊 优化 ， 该 产 品 的体 积 减小 到 初 始 值 的 7 4 ． 9 。可 见 对 大 功率 传 动装 置 的模 糊 优 化达到了缩小体积的目的， 效果比较显著 。 2 提 出 的 对 大 功 率传 动 装 置 的模 糊 优 化 设 计 ， 充分考虑了约束条件的模糊性 ， 并能充分发挥工 程技术 人员 的设 计经 验 ， 因而建 立 的 优 化数 学 模 型 更 接 近客观 实际 。 下转第 4 8页 4 8 石 油矿 场 机 械 2 0 1 0 年 1 1 月 d 从整 个 内螺 纹接 头 的结 构 形 貌来 看 ， 加 工 的应力减轻槽内径 与螺尾牙底 内径 尺寸接近。当 内、 外螺 纹进行 啮合 时 ， 螺纹 连接部 位的 刚度将大 于 应力减 轻槽处 的刚度 ， 使 得 处 于二 者 连 接终 止部 位 且存在应力集中的螺尾根部成为整个钻铤接头的薄 弱部位 。钻 进 过程 中， 钻铤 自身承 受 的拉 、 压应 力 ， 弯矩和扭矩等载荷传递至螺尾根部 ， 从而导致了裂 纹的快速的萌生和扩展。钻铤材料中存在的明显超 标的 Mn S夹杂物 ， 螺纹表面存在腐蚀凹坑和不连续 的划痕等损伤缺陷， 这些都促进了裂纹的萌生。 综合 以上分析可 以判断 ， 在复杂交变应力作用 下 ， 钻铤接头内螺纹螺尾根部首先萌生裂纹， 并快速 疲劳扩展， 最终导致钻铤发生早期疲劳失效。 3 结 论 1 失效 钻铤的化学成分 和力 学性 能均 符合 S Y／ T5 1 4 4 2 O 0 7标准 。 2 钻铤 内螺纹接头的失效原因是螺纹应力减 轻槽的结构致使接头 内螺纹螺尾根部成为螺纹连接 的薄弱部位， 在交变应力作用下， 应力集中的螺尾根 部 萌生裂 纹并疲 劳扩展 。 3 失效钻铤材料中存在超尺寸的 Mn S非金 属夹杂物 ， 螺纹表面存在腐蚀凹坑和不连续 的划痕 损伤 ， 这些缺陷的存在加速了裂纹的形成和扩展。 参考文献 E 1 ] S Y ／ T 5 1 4 4 -- 2 0 0 7 ， 钻铤I s ] ． [ 2 ] 李 鹤林 ， 李 平 全， 冯耀 荣． 石 油钻 柱 失效 分 析与 预 防 [ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 9 8 2 ． [ 3 ] 刘永 刚 ， 胡 安智 ， 林 凯． 复 杂深 井钻 柱 安全 性 研究 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 1 7 2 0 ． [ 4 ] 王文云， 汤云霞 ， 朱 明峰． 钻铤螺纹失效 分析及解 决措 施 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 2 4 5 4 8 ． [ 5 ] 汤云霞， 王立 军 ， 王 文云． 钻 铤连接螺纹 断裂失效 分析 及结构优化[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 6 2 5 2 8 ． 下期 目次预告 张彬 等 气环对 水射流 流场影 响的数值模 拟 分析 梁 坤等 实体膨胀管膨胀力影响因素数值模拟 王 杰等 油井钢管圆螺纹接 头机 紧状态下的力学 分析 陈应 华等 新 型 高效 沉 降离心机设 计研 究 赖 笑辉 等 我 国海 洋 钻 井装 备 国产 化 现 状 及 发 展 展 望 李益 良等膨胀 管可捞 底堵 的研 制 与仿真 王永夏等 新型钛合金和铝合金钻杆的结构安全性 分析 赵军友等 双螺旋槽螺杆马达井下增压器设计 朱 玄等 J J 4 5 o ／ 4 5 一 K 井架起 升 过程动 态特 性 分析 王维旭等 海洋钻井绞车补偿 系统技 术分析 党延祖等 螺杆泵抽油杆柱防断脱有限元分析 樊敦秋 等 自升式平 台齿轮 齿条升 降 系统受力 分析 王新虎 等 冯 进 等 柴 国兴 等 刘权萍 等 马永刚等 刘孔忠 等 肖述 琴等 杨元 东等 龚 大利 等 邢 鹏 等 研 究 特殊 螺 纹油 管与套 管的上扣扭 矩构成 与 密封 性 能研 究 井下水动 力轴 流涡轮 设 计 试 验与分 析 新 型压 裂用防砂 水力锚 试验研 究 空气锤钻 头应 用研 究 石 油钻机 用防喷 器装卸 系统研 制及 应 用 钻修机 井架冷放 空方 法在旅 大 5 - 2油 田 的 应 用 新型卡 瓦式井下节流器打捞工具研制及 应 用 钻 井 用 重 晶石 粉 密 闭加 重 循 环 系统 的 研 制 加 装减 载器 的有杆抽 油 系统 数值分析 及 应 用 关于绞车滚筒夹绳问题的几点思考