煤层气车载钻机顶驱优化设计.pdf

第 3 1 卷第 O 8期 2 0 1 0年O 8月 煤 矿 机 械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo l - 3 l No ． 0 8 Au g ． 2 01 0 煤层气车载钻机顶驱优化设计 丁 庆 新 。刘 玉 娟 。孙 广 斌 。张遂 安 ，苏 玉 莆 1 ． 中国石油大学 北 京 。 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 石家庄煤矿机械有限责任公司 ， 石家庄 0 5 0 0 3 1 摘 要 介 绍了煤层气车载钻机顶驱的工作过程和结构参数 ．确定顶驱齿轮减速器的优化设 计 目标 函数与设计变量 ， 根据 约束条件得 出相应的约束方程 ， 采用 MA T L A B进行优化计算 ． 计算结 果 为顶 驱设 计提 供 了参 考依 据 关键词 顶驱减速器单级 圆柱齿轮啮合 MA T L A B优化工具箱 中图分类号 T D 4 2 1 ． 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 80 0 5 40 3 Op t i mi z a t i o n De s i g n o f Dr i l l i n g To p Dr i v e DI NG Qi n g - x i n ， L I U Y u - j u a n ， S U N G u a n g - b i n ， Z HA NG S u i - a n ’ ， S U Yu - p u 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． T h e L i mi t e d L i a b i l i t y C o m p a n y o f C o a l Mi n e Ma c h i n e r y o f S h ij i a z h u a n g ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e t o p d ri v e o f c a r d ri l l i n g’ S p r o c e s s a n d t h e s t r u c t u r e p a r a me t e r s wa s d e s c ri b e d ．Wh i c h e s t a b l i s h e s t h e t a r g e t f u n c t i o n a n d d e s i g n v a r i a b l e s w h i c h a r e u s e d t o d e s i g n t h e t o p d riv e g e a r r e d u c e r o p t i ma l l y ．Re s t ri c t i o n e q u a t i o n i s o b t a i n e d b y e s t a b l i s h i n g r e s t r i c t i o n c o n d i t i o n s ．T h e o p t i ma l d e s i g n u s e s t h e me t h o d o f MAT L AB c a l c u l a t i o n ． P r o v i d e s r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f t o p d r i v e r e d u c e r s ． Ke y wo r d s t o p d riv e r e d u c e r s ； s i n g l e c y l i n d ric a l g e a r r e d u c e r ； MAT L AB o p t i mi z a t i o n t o o l b o x 1 顶驱液压马达参数计算 根据液压顶驱设计说 明要求最大输 出扭矩 1 5 k N m． 输出转速为 0 ～ 1 5 0 r ／ mi n , 顶驱中心轴 由 3组液 压马达带动 。 由经验确定减速器齿轮传动比 3 。 由功率守恒原则 ． 有 ／ 1 o , l 7 ／ T o 2 1 式 中 、 一小齿轮 、 大齿轮传递 的扭矩 ； t O 1 、 ∞ 厂小齿轮 、 大齿轮角速度 ； 传递效率 ， 取 J， 7 0 ． 9 7 。 液 压马 达需 输 出转 矩 5． 0 1 0 6 Z 2 1 ． 71 8 1 0 Nmm 2 J 一一 一一_ _ I l _ _⋯ 7 1 0 1 Z 1 7 7 式中 z 。 、 z 厂小齿轮 、 大齿轮齿数 。 液压马达输出的最高转速 n 1 n 2 i 4 5 0 r ／ mi n 3 2 顶 驱减 速器 数 学模 型 如图 1 ． 减速箱小齿轮材料为 2 0 C r 2 N i 4 ． 大齿轮 材料为 4 2 C r Mo ． 齿轮非对称布置 ， 单向回转 ， 严重 冲 击 ， 8级精度 。齿轮轴材料为 3 5 C r Mo A。 2 ． 1 设 计 变量 目标 函数确定后 ． 使减速器体积 最小 的各项 设计取决于 b 、 z 、 m、 f 、 和 等 6个参数， 则对应的 设 计 变量 l ， X 2 , X 3 ， 4 ， 5 ， 6 】 T - 【6 ， 1 ， m， z ， 。， r 4 式 中 6 大齿轮齿宽 m 齿 轮模 数 Z 轴的支承距离 d z 、 d 。 主、 从动轴直径。 图 1 液 压 顶 驱 回 转器 1 ． 轴承2 ． 液 压马达3 ． 减速箱 小齿轮4 ． 减 速箱 大齿轮5 ． 中心 轴6 ． 轴承 2 ． 2 目标 函数 要求在满足零件强度 和刚度条件下 ．材料最 省 ．可按其体积之和最小的原则来建立 目标 函数。 由于齿 轮和轴 的尺寸 即壳体 内的零 件 是决定减 速器体积的依 据． 3组小齿轮是 以大齿轮轴线为 中 心均匀分布 ． 如图 1所示 。可以把优化方程看作是 单级圆柱齿轮啮合 ． 根据齿轮几何尺寸及齿轮结构 尺寸的计算公式。壳体 内齿轮和轴的体积可近似表 示为齿轮与轴的体积之和 。 2 一 2 孚 6 d 髭 一 } 6 一 c ，一 喉 一 叮 r d 一 “ 2 u 2 ， 十 ， u _ I I “ 2 lt o u “ 。 2 5 ． ． ． 5 4 ．．． 第 3 1 卷第 O 8 期 煤层气车载钻机顶驱优化设计丁庆新 ， 等 V o 1 ． 3 1 N o ． 0 8 rh] ～ ●-r ． L J ／ 、 ● 一 J I 司 喝 } l 土 “ r 1 图 2单级 齿 轮 啮 合 由图 2已知 d l m z l ， d 2 m z 2 ， D g i d l一 1 0 IT I ， c f g 1 ．6如， d 0 0 ． 2 5 Ds 2 - d s ， c 0 ． 2 b 代人式 5 ， 整理 目标函数得 0 ． 7 8 5 3 9 x 4 ． 7 5 8 5 8 5 x x 32 0 ． 9 2 x l x - x 1 0 ． 8 x l x 2 x 3 x 6 - 1 ． 6 x 1 6 6 ； 62 2 8 0 x 3 2 0 x 2 ． 3确定 约束 条件 1 冲击载荷 中硬齿面 调质 闭式 传动 ， 一般 m f 0 ． 0 1 2 0 ． O 1 8 a ， a为两齿轮中心距 。 有 g l X 2 8 - x 2 ≤O 7 g 2 X x 2 - 4 2 O 8 2 严重冲击的硬齿面闭式传动， 为提高传动平稳 性， 增大重合度， 可取较大模数， 此处取 6 ≤m， 有 g 3 X 6 - x 3 O 9 3 查手册确定调质处理圆柱齿轮齿宽系数 ≤ 丁 b ≤ 一，选 0 ． 9 q t d ≤1 ． 4 a l g 4 0 ． 9 l ／ 3 ≤O 1 0 g s X x t ／ x c c 3 - I ． 4 ≤O 1 1 4 从加工工艺和整体尺寸考虑 ， 大 、 小齿轮分 度 圆直径 ≤ l 5 0 0 mm， d 1 5 0 0 mm g 6 X x x 3 - 5 0 0 ． O 1 2 5 据设 计 经验 ， 取 主 、 从 动轴 直 径 范 围 1 0 0 。≤1 5 0 ， 1 3 0 d , ， ≤2 0 0 ， 整 理得 g T X l O O - x s O g s X x s - 1 5 0 O g g X 1 3 0 - x 6 ≤0 g l o X x 6 - 2 0 0 O 6 轴的支撑跨距 Z 按结构关 系。满足 Z ≥6 2 △ 0 ． 5 ， 为内壁到轴承的距离 ， 此处取 2 0 mm。 l l 0 ． 5 6 - I 4 4 0 ≤O 1 7 7 按齿轮接触应力 “ 、 ／ 哥 ≤ 【0rH] 18 式 中 接触强度载荷 系数 。 取 K 3 ． 0 厂 节点区域系数 ， 查表选 2 ． 5 ； 一 材 料 系数 ， 查 表选 Z E 1 8 9 ． 8 MP a ； 【 H ] ， J 用j 麴虫 应力 表得[ O H ] 6 0 0 MP a o g l2 X 1 ．7 5 9 x 1 0 6／ x c 3 x ／ E -, 一 6 0 0 0 1 9 8 按齿根弯曲强度条件 f 器 ≤ F] 2 0 3 gl 对于小、 大齿轮齿根弯曲强度 ， 整理得 、 8 59 l 0 l 0 ． 1 6 9 0 ． 0 0 6 6 6 6 x z - 0 ． 0 0 0 0 8 5 ； 8 ． 5 9 x l 0 6 ≤0 2 1 一 1 0 ．2 8 2 4 4 0 ．0 0 1 0 6 1 7 x z - O ．O 0 0 0 1 4 1 8 4 5 6 4 0 2 2 式中 弯曲强度综合系数 ， K 2 ． 5 ； y 。、 y 广大、小齿轮的齿形系数， Y 0 ． 1 6 9 0 ．0 0 6 6 6 z l- 0 ．0 0 00 8 5 4 ， Y r 0．2 8 2 4 0 ．0 0 0 3 5 3 9 ／ z 1 - o ． o o o 0 0 1 5 7 6 ／ z 1 ； 【 F ] 许 用 弯 曲应 力 ， [ 州 。 6 0 6 MP a ， [ 0 r F ] 2 5 6 4 MP a 。 9 轴的刚度计算 ， 查手册得安装齿轮 的轴 的 许用挠度J r ] ≤0 ． 0 3 I n ． 有 ≤o 0 3 3 2 3 一 m ． ,7 , 1 cos 0c 式 中 卜弹性模量 ， E 2 x l O s MP a 齿形 角 。 2 0 o ， l_一 轴 的惯 性 矩 ． 圆形 截 面 I 1 ,t r d 4 ,1 6 4, t r x 4 1 6 4 ， 圆环形截面 1 2 ,t r d 4, ． 1 - 0 ． 5 ／ 6 4 。 主 ． 从动轴的刚度约束条件 g 1 5 2 4 ． 4 x ] 一 0 ． 0 3 x 3 ≤O 2 4 g 16X 祭 ． 0 ．0 3 x 3 2 5 1 0 主、 从动轴的弯 曲强度条件 ≤ ] 2 6 式中 一轴的弯矩 。 L ／ T ／l COS 0c l 扭矩校正系数 ， O L I O ． 3 、 广 主 、从 轴 的抗 弯截面 系数 ， W 0 ． 1 0 ． 1 ； ， W2 0 ． 1 1 0 ．0 9 4 x ， 此处 0 ．5 ； [ 6 r 一 卜一 轴的许用弯曲应力 ， 【 】 _ 6 9 MP a 。 g l7X 、 ／ 羔 鳖 0 ．2 6 5 6 1 o J2 --6 ．9 ≤ o 2 7 璺 lJ煤层气车载钻机顶驱优化设计丁庆新， 等 第3 1 卷 第0 8 期 舒8 1 t ／ ／ - 2 8 ． 3 1 xl O 12x ． 6 ．5 ≤0 2 8 6 V x 2 x3 3 ． 4数学模型 rai n ． 0 ．7 8 5 3 9 x 4 ．7 5 x 1 8 5 }8 5 1 0 ．9 2 x l xi x s O． 8 2 6 _ _ 1 ．6 x l 2 8 3 2 0 磊 s t ． g 1 X 2 8 - x 2 ≤0 3 钻机液压顶驱参数最优化计算 本优化 问题采用 MA T L A B 7 ． 0优化工具箱 中的 函数 ． 此优化工具箱很强大 ， 具备很强 的数 据处理 能力 ，适合约束非线性最小化中大型课 题的求解 ． 计算更方便 、 更快捷 3 ． 1 MA T L A B优 化程 序 与步骤 ①在 M A T L A B界面里 ， 建立 3 个“ ．m ” 文件 ， 分 别用来存放 目标函数 f un c t i o n f my f un _1 0 1 2 0 x x f O ． 7 8 5 3 9 4 ． 7 5 x 1 x 2 x 3 2 ⋯ 3 2 x 6 2 ； 约束 f u n c t i o n【 c , c e q ] my o b j x x c [ 2 8 - x 2 ；． ． ． ． ． ． i ／ x 6 3 s q r t 2 8 ． 1 3 1 0 “ 1 2 X 4 2 ／ x 2 2 X 3 2 0 ． 2 6 5 1 0 1 2 - 6 ． 5 ； 1 ； c e q 【 ] ； 优化 函数 [ x ， f v a l ， e x i t f l a g ， o u t p u t ] f mi n c o n m y f u n 一 1 0 1 2 0 x ， x 0 ， 口 ， 口 ， 口 ， 口 ， [ ] ， 口 ， m y o b j x ， 然后保存 。 ②打开 M A T L A B ，从 C u r r e n t D i r e c t o r y 里找到 保存的文件 ， 然后打开 t e s t ma i n ． 1 1 3 文件 ， 点运行。 ③打开 w o r k s p a c e 查找优化结果及最优结果时 的变量值 ，并 可以随时在 此处更改不同的初值变 量 ， 查看 优 化结果 。 3 ． 2优 化 结 果 MA T L A B程序优化后 ． 通过输入初值及优化结 果如 表 1 。 表 1优化结果 在分析最优结果的基础上 ．做适 当地调整 ． 以 达到尽可能满足应力设计 的目的． 故最后结果 厂 5 ． 8 7 e 0 0 7 采用程序优化方法进行 机械设 计与传统方法 相比， 可以在保证实现功能的情况下 ， 减小体积 ， 并 尽可能地降低成本 参考文献 [ 1 ] 孙靖 民． 机械优化设计[ M] ． 北 京机 械工业 出版社， 1 9 9 0 ． [ 2 J 张金海， 叶颖 民． 单级斜 齿圆柱齿轮 减速器 的优化设计 [ J j ． 机械 设计与制造． 2 0 0 5 8 2 9 3 1 ． [ 3 ] N 彦茹． 圆柱齿 轮传动 的可靠性 优化设计 c J ] ． 河 北农业 大学学 报， 1 9 9 5 ， 1 8 1 8 8 9 0 ． [ 4 ] 李 俊华． 直齿 圆柱齿轮 传动 的模糊 可靠性 优化设计 [ J ] ． 四川理 工学院学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 1 8 4 2 4 2 6 ． [ 5 ] 关维娟， 许峰 陈清华． 基于M a t l a b 的单级圆柱齿轮减速器优化设 计 [ J ] ． 起重运输机械， 2 0 0 7 7 1 7 2 0 ． [ 6 ] 胡新华． 单级 圆柱齿轮减速器 的优化设 计[ J ] ．工艺与装备， 2 0 0 6 7 8 8 - 9 0 ． 作者简 介丁庆新 1 9 6 0 一 ， 黑 龙江泰来人 ， 教授 ， 研究生 ， 毕业 于东北重型机械学院 ， 现 主要从 事机械设计理论 的研究 ， 电话 0 1 0 8 9 7 3 1 8 7 6 ， 电子信箱 d i n d q x 2 6 3 ．n e t ． 责任编辑 王海英 ◆‘ ◆-◆‘◆◆。 ◆- 0◆ 本 刊 声 明 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 3 1 5 ●-◆。◆-◆。◆◆。◆。◆-．． 煤矿机械 月刊从 2 0 0 6年第 1 期开始， 以每 1 期为相应的期次 、 卷期记录出版次序。1 9 8 0年创刊至今 已有 3 1年， 每年划为 1卷 ， 2 0 1 0年为第 3 l 卷 。 1 9 8 0年 1 ～ 2期为第 1 卷 1 9 8 1 年 1 - 6期为第 2卷 1 9 8 2年 1 - 6期为第 3卷 1 9 8 3年 1 6期为第 4卷 1 9 8 4年 1 6期为第 5卷 1 9 8 5年 1 - 6期为第 6卷 1 9 8 6年 l 6期为第 7卷 1 9 8 7年 1 - 6期为第 8卷 1 9 8 8年 1 ．- , 6期为第 9卷 1 9 8 9年 1 ～ 1 2期为第 1 0卷 1 9 9 0年 l ～ 1 2期为第 1 1 卷 1 9 9 1年 l ～ 6期为第 l 2卷 1 9 9 2年 1 6期为第 1 3卷 1 9 9 3年 1 6期为第 1 4卷 1 9 9 4年 1 6期为第 l 5卷 1 9 9 5年 1 6期为第 1 6卷 1 9 9 6年 1 6期为第 1 7卷 1 9 9 7年 1 - 6期为第 1 8卷 1 9 9 8年 l ～ l 2期为第 1 9卷 1 9 9 9年 1 ～ 1 2期为第 2 0卷 2 0 0 0年 1 ～ 1 2期为第 2 1卷 2 0 0 1年 1 1 2期为第 2 2卷 一 5 6 2 0 0 2年 1 ～ l 2期为第 2 3卷 2 0 0 3年 1 1 2期为第 2 4卷 2 0 o 4年 l ～ 1 2期为第 2 5卷 2 0 0 5年 1 ～ 1 2期为第 2 6卷 2 0 o 6年 1 ～ 1 2期为第 2 7卷 2 0 0 7年 l ～ 1 2期为第 2 8卷 2 0 0 8年 l l 2期为第 2 9卷 2 0 0 9年 l ～ l 2期为第 3 0卷 2 0 1 0年 1 1 2期为第 3 1 卷 文章参考文献以出版年、 卷 、 期 、 文章页码进行引用。