抽油機(jī)減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 電氣工程專業(yè)

PAGEPAGEii目錄摘要： iiAbstracts iii第一章引言 11.1研究題目的來(lái)源 11.2研究領(lǐng)域的歷史、現(xiàn)狀和前沿發(fā)展情況 21.3前人在本課題研究領(lǐng)域中的成果 31.4課題研究的目的和意義 31.5研究的主要內(nèi)容 5第二章抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與參數(shù) 72.1抽油機(jī)的工作原理 72.2抽油機(jī)的分類(lèi) 82.3游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu) 92.4游梁式抽油機(jī)的基本參數(shù) 142.5游梁式抽油機(jī)的標(biāo)準(zhǔn) 15第三章抽油機(jī)減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 173.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論 173.2抽油機(jī)減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)的初步分析 203.3優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 213.4優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 263.5優(yōu)化結(jié)果與應(yīng)用 31第四章結(jié)論 33參考文獻(xiàn) 34致謝 35抽油機(jī)減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)目錄目錄第一章引言 11.1研究題目的來(lái)源 11.2研究領(lǐng)域的歷史、現(xiàn)狀和前沿發(fā)展情況 21.2.1研究領(lǐng)域的歷史 21.2.2研究現(xiàn)狀 31.3前人在本課題研究領(lǐng)域中的成果 31.4課題研究的目的和意義 41.4.1課題研究的目的 41.4.2課題研究的意義 51.5研究的主要內(nèi)容 51.5.1抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與參數(shù) 61.5.2減速器雙圓弧齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì) 6第二章抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與參數(shù) 72.1抽油機(jī)的工作原理 72.2抽油機(jī)的分類(lèi) 92.3游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu) 92.3.1驢頭設(shè)計(jì) 102.3.2游梁設(shè)計(jì) 112.3.3橫梁及連桿設(shè)計(jì) 112.3.4曲柄和平衡重 132.3.5支架設(shè)計(jì) 132.3.6減速器設(shè)計(jì) 142.3.7懸繩器總成 142.3.8動(dòng)力機(jī) 152.3.9底座 152.4游梁式抽油機(jī)的基本參數(shù) 152.4.1驢頭懸點(diǎn)(掛抽油桿處)的最大允許載荷。 162.4.2懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度。 162.4.3懸點(diǎn)的最大沖程次數(shù)n 162.5游梁式抽油機(jī)的標(biāo)準(zhǔn) 162.5.1代號(hào) 172.5.2平衡方式 172.5.3型號(hào)表示法 172.5.4基本參數(shù) 17第三章抽油機(jī)減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 183.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論 183.1.1提高設(shè)計(jì)質(zhì)量 203.1.2加快設(shè)計(jì)速度 203.1.3減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度 203.2抽油機(jī)減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)的初步分析 213.3優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 233.4優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 283.4.1內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)法 283.4.2外點(diǎn)罰函數(shù)法 303.4.3混合罰函數(shù)法 333.5優(yōu)化結(jié)果與應(yīng)用 333.5.1優(yōu)化結(jié)果 333.5.2優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用 34第四章結(jié)論 35參考文獻(xiàn) 36致謝 37摘要：有桿抽油方法是應(yīng)用最早也最為廣泛的一種人工舉升采油法。抽油機(jī)是有桿抽油系統(tǒng)的地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)使用表明，抽油機(jī)具有堅(jiān)固耐用、工作可靠、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，抽油機(jī)耗能高、效率低也是眾所皆知的。在抽油機(jī)制造方面，同樣也存在很多的問(wèn)題，如部件材料使用過(guò)剩、體積龐大、笨重，造成生產(chǎn)成本高，缺少優(yōu)化等等。本文從抽油機(jī)部件減速器優(yōu)化入手，建立數(shù)學(xué)模型，引進(jìn)邊界條件，對(duì)抽油機(jī)減速器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了減速器的不合理結(jié)構(gòu)，減小了體積，合理利用了材料，節(jié)約修復(fù)和服務(wù)成本，從而降低了抽油機(jī)的制造成本。關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī)減速器設(shè)計(jì)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)PumpingSpeedreduceroptimizationdesignAbstracts:Rodpumpingisoneoftheearliestandwidelyusedartificialliftingoilproductionmethods.Atpresent,hewidelyusedpumpingunitisthesurfacedrivedeviceintherodpumpingsystem.Itisprovenbythework-siteapplicationthatthepumpingunitshastheadvantagesofsturdyanddurablebody,reliableandsmoothoperation,andconvenientmaintenance.Butintheotherhand,itiswellknownthatthepumpingunithasthedisadvantagesofhighenergyconsumingandlowefnciency.Therearealsomanyproblemsinthepumpingunitmanufacturing,suchasthesurplusofpartmaterial,hugebulk,highproductcostandlittleoptimizationtechnique,etc.Inordertomakerationaluseofmaterial,avoidthebeamdamage,reducetherepairandservicecost,decreasethereducervolumeandweight,savesteelmaterial,andnnallyreducethemanufacturingcostofthepumpingunit,thispaperhasputforwardsomemethodsofoptimalpumpingunitparts,quotedboundarycondition,builtmathematicsmodel,designedsomepartswithoptimalmethodandimprovedthestructure.KeyWord：Beam-pumpingunitReducerDesignanalysisOptimizationdesign第一章引言1.1研究題目的來(lái)源汽油在地底下蘊(yùn)藏了幾十萬(wàn)、幾千萬(wàn)年，它是地球賦予人類(lèi)寶貴的資源。我國(guó)是世界上發(fā)現(xiàn)和利用汽油與天然氣最早的國(guó)家之一，遠(yuǎn)在公元前十一世紀(jì)，古書(shū)《易經(jīng)》就有發(fā)現(xiàn)天然氣的記載，宋代科學(xué)家沈括在其所著《夢(mèng)溪筆談》中第一次給汽油科學(xué)命名，并沿用至今。我國(guó)近代汽油工業(yè)在1878年在臺(tái)灣鉆成第一口油井，到解放前僅勘探開(kāi)發(fā)了臺(tái)灣、獨(dú)山子、四川及玉門(mén)等幾個(gè)小型油氣田。解放后，中國(guó)的汽油工業(yè)隨著中國(guó)這個(gè)汽油巨人的腳步前進(jìn)而前進(jìn)，先后發(fā)現(xiàn)大慶、青海等十幾個(gè)油田，探明了億噸儲(chǔ)量。從地層中開(kāi)采汽油的方法通常可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是利用地層本身的能量來(lái)舉升，俗稱自噴采油法；另一類(lèi)是由于地層本身的能量不足，必須人為地利用機(jī)械設(shè)備給井內(nèi)補(bǔ)充能量，才能將原油舉升到地向，因此這一類(lèi)稱為人工舉升采油法或機(jī)械采油法。凡是不利用抽油桿柱傳遞能量的抽油設(shè)備統(tǒng)稱為無(wú)桿抽油設(shè)備，而利用抽油桿柱上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的抽油設(shè)備統(tǒng)稱為有桿抽油設(shè)備。有桿抽油設(shè)備由三部分組成：一是地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備即抽油機(jī)；二是井下抽油泵；三是抽油桿柱。有桿抽油方法是全世界各大采油國(guó)應(yīng)用最為廣泛的一種人工舉升采油法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有桿抽油井在機(jī)械采油井中所占的比例，我國(guó)為91％、美國(guó)為85％、前蘇聯(lián)為75％。至2000年我國(guó)油田共有抽油機(jī)采油井約8萬(wàn)口，占油井總數(shù)的90％。在這些采油井中，有桿抽油井約占90％。我國(guó)使用有桿抽油設(shè)備采油，也已有半個(gè)多世紀(jì)，1980年以后，由于各油田對(duì)有桿抽油設(shè)備的需要量大幅度增長(zhǎng)以及改革開(kāi)放政策的實(shí)施，有桿抽油設(shè)備與技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展，不少方面達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。有桿抽油井的診斷技術(shù)與參數(shù)優(yōu)選技術(shù)已普遍推廣采用。取得了較好的效果。在提高有桿抽油系統(tǒng)效率方面也已開(kāi)展了試驗(yàn)和理論研究，取得了顯著的成果。近十年來(lái)，在參照和等效API(美國(guó)汽油學(xué)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，汽油行業(yè)先后修訂或制訂了游梁式抽油機(jī)、抽油泵、抽油桿等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使我國(guó)有桿抽油設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和使用達(dá)到了新的水平，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的局面，使抽油機(jī)使用具有了廣闊的市場(chǎng)。大港油田中成公司抽油機(jī)制造廠發(fā)展迅速，1993年全年生產(chǎn)抽油機(jī)四十余臺(tái)，1999年市場(chǎng)需求量猛增，僅大港油田八個(gè)采油區(qū)就訂購(gòu)各種型號(hào)抽油機(jī)160多臺(tái)，維修舊抽油機(jī)60多臺(tái)，價(jià)值近4000萬(wàn)元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)前景非?？春?，2002年還開(kāi)拓了國(guó)際市場(chǎng)，敘利亞的一家汽油公司一次就訂下六十多臺(tái)的合同。作為抽油機(jī)制造廠家，面對(duì)這樣強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求，無(wú)疑是一個(gè)難得的好機(jī)會(huì)。但是，抽油機(jī)的制造成本高、利潤(rùn)低，如何降低產(chǎn)品的制造成本，獲得更多的利潤(rùn)，一直是我們考慮的問(wèn)題，找到一個(gè)解決的辦法，無(wú)疑將會(huì)給抽油機(jī)制造廠帶來(lái)很好的效果。減速器是抽油機(jī)中的重要部件,設(shè)計(jì)的時(shí)候，在保證各部分的強(qiáng)度下，如能減少材料的使用量，將減少抽油機(jī)的制造成本。尤其是在鋼材市場(chǎng)不斷漲價(jià)的情況下，降低鋼材的使用量。那將直接降低抽油機(jī)的制造成本。面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的銷(xiāo)售市場(chǎng)，高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品，具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，是企業(yè)發(fā)展的動(dòng)力，這對(duì)于一個(gè)正在發(fā)展的小企業(yè)顯得尤為重要。1.2研究領(lǐng)域的歷史、現(xiàn)狀和前沿發(fā)展情況1.2.1研究領(lǐng)域的歷史目前國(guó)內(nèi)外在抽油機(jī)方面開(kāi)展了大量的研究工作，其主題是圍繞著提高抽油機(jī)運(yùn)行效率和節(jié)約能源來(lái)進(jìn)行，主要是開(kāi)展三方面的工作：一是在抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)方面，從懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和原動(dòng)機(jī)的匹配兩個(gè)方面入手，深入探討其機(jī)理，這方面的研究近幾年已經(jīng)成為抽油機(jī)研究的熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，對(duì)抽油機(jī)的有關(guān)部件進(jìn)行改進(jìn)，如偏置式游梁抽油機(jī)己在全國(guó)各油田推廣，此外還研制了多種節(jié)能的新式抽油機(jī)，由于多種原因(如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便于維護(hù)和可靠性差等)，尚未得到大面積推廣。通過(guò)對(duì)原動(dòng)機(jī)，主要是電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律匹配方面的研究，研制多種抽油機(jī)節(jié)能控制裝置(如變頻調(diào)速和可編程控制技術(shù)等)和各種節(jié)能電機(jī)，如超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)和雙定予結(jié)構(gòu)電機(jī)等，目前已得到大面積推廣。二是在抽油機(jī)的使用和維修方面，針對(duì)抽油機(jī)使用過(guò)程和維修實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行了廣泛探討，提出了許多行之有效的措施和方法。三是在抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)理論和抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，應(yīng)用各種理論對(duì)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和減速器的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，并針對(duì)現(xiàn)有抽油機(jī)的不足，進(jìn)行新型抽油設(shè)備的研制，如各種無(wú)游梁、長(zhǎng)沖程抽油機(jī)以及液壓抽油機(jī)和智能抽油機(jī)；對(duì)抽油機(jī)的主要零部件，如減速器、游梁、支架等進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使抽油機(jī)的設(shè)計(jì)更加科學(xué)和合理。但從保證抽油機(jī)可靠性，降低抽油機(jī)制造成本進(jìn)行分析和研究的比較少，然而這一點(diǎn)對(duì)于一個(gè)抽油機(jī)制造廠卻意義深長(zhǎng)。由于近年來(lái)各種新型抽油機(jī)可靠性差、故障率高、維護(hù)保養(yǎng)不便等原因，在油田實(shí)際使用較少，目前在油田廣泛使用的仍然是游梁式抽油機(jī)，因此有針對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行部件特別是減速器的改造設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)降低抽油機(jī)成本方面的問(wèn)題進(jìn)行分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。大多數(shù)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)抽油機(jī)減速器時(shí)，通常是先根據(jù)減速器各部件的給定要求來(lái)設(shè)置條件，以此推導(dǎo)出其他部件的受力情況，進(jìn)而采用力學(xué)計(jì)算公式，取較大的安全系數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度校核，再確定材料規(guī)格型號(hào)。還有些設(shè)計(jì)者甚至不通過(guò)計(jì)算，直接根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，選用安全系數(shù)很高的材料，這樣雖然沒(méi)有計(jì)算，一般也不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度不夠的問(wèn)題。但是，這樣設(shè)計(jì)減速器部件無(wú)形中提高了材料的規(guī)格型號(hào)，人為地對(duì)材料造成一定的浪費(fèi)，也加大了整機(jī)的制造成本，使生產(chǎn)出的產(chǎn)品不具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)的能力，在市場(chǎng)中沒(méi)有生命力，很難長(zhǎng)久生存，企業(yè)因此也無(wú)法發(fā)展、壯大。然而隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法的產(chǎn)生，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟出現(xiàn)了較大的改變。主要涉及到兩個(gè)方面：(1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理，(2)產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法：包括預(yù)測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)工程、機(jī)器的可靠性與概率設(shè)計(jì)法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法、有限元法、工作載荷譜與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、CAD技術(shù)及其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。1.2.2研究現(xiàn)狀上世紀(jì)六十年代初，國(guó)外對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法的研究已經(jīng)引起普遍重視，各國(guó)學(xué)者所研究的側(cè)重點(diǎn)雖然各不相同，但總的趨勢(shì)是一致的，其目的都是為了解決實(shí)際的、復(fù)雜的和高難度的工程技術(shù)問(wèn)題。我國(guó)對(duì)該項(xiàng)目的研究起步較晚，在改革開(kāi)放政策的指引下，國(guó)外先進(jìn)的設(shè)備、技術(shù)的不斷涌入，震動(dòng)了我國(guó)工程設(shè)計(jì)者。近年來(lái)，我國(guó)設(shè)計(jì)者吸收了大量的先進(jìn)技術(shù)和方法，取得較大的進(jìn)步。有限元法就是逐步發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)值分析方法，近十幾年中伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，有限元法相應(yīng)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。并且應(yīng)用水平也得到迅速的拓展和提高，在許多領(lǐng)域中已成為進(jìn)行科學(xué)研究及工程分析的重要方法和手段，其應(yīng)用范圍已由桿件結(jié)構(gòu)問(wèn)題擴(kuò)展到了彈性力學(xué)乃至塑性力學(xué)問(wèn)題，由平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題，由靜力學(xué)問(wèn)題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，成為廣大科技工作者解決大量實(shí)際問(wèn)題的有力工具。其基本思路是將結(jié)構(gòu)物體看成由有限個(gè)劃分的單元組成的整體，以單元節(jié)點(diǎn)的位移或節(jié)點(diǎn)力作為未知量求解。主要包括三個(gè)基本步驟：(1)結(jié)構(gòu)物的離散化；(2)單元分析；(3)整體分析。因此將此方法應(yīng)用到本課題的研究中，建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，分析各部件的受力情況，簡(jiǎn)化煩瑣的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，校核各部件強(qiáng)度，確定適當(dāng)?shù)牟牧?，完成課題的研究?jī)?nèi)容，一定也能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。1.3前人在本課題研究領(lǐng)域中的成果由于CAD技術(shù)的飛速發(fā)展以及有限元分析法的引進(jìn)，在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得許多成果，在汽油機(jī)械制造業(yè)更是如此。但是國(guó)內(nèi)很多抽油機(jī)制造廠仍在沿用已經(jīng)習(xí)慣了的傳統(tǒng)分析方法，大多數(shù)設(shè)計(jì)者一直沿用它來(lái)設(shè)計(jì)抽油機(jī)的各部件，很少有人引進(jìn)有限元法進(jìn)行分析。另外機(jī)械零部件的最優(yōu)化設(shè)計(jì)在最近十多年來(lái)也有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。就齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)講有：齒輪在最小接觸應(yīng)力下的齒廓最佳幾何形狀設(shè)計(jì)；輪齒在滿足彎曲和接觸強(qiáng)度條件下具有最佳承載能力的非漸開(kāi)線正齒輪副設(shè)計(jì)；定軸齒輪傳動(dòng)在限定最大接觸應(yīng)力、齒面最高溫升和保證齒面最小油膜厚度下使單位體積所能傳遞的扭矩最大的優(yōu)化設(shè)計(jì)；二級(jí)齒輪減速器重量最小化的設(shè)計(jì)；齒輪泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)等等。這些問(wèn)題都進(jìn)行過(guò)一些廣泛深入的研究、并有機(jī)械零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的專門(mén)著作。因此本文希望對(duì)抽油機(jī)的減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到二級(jí)齒輪減速器重量最小化的設(shè)計(jì)。1.4課題研究的目的和意義1.4.1課題研究的目的游梁式抽油機(jī)誕生后，歷經(jīng)百年的使用，經(jīng)歷了不同的地域、油況的考驗(yàn)，經(jīng)久不衰，直到現(xiàn)在仍在國(guó)內(nèi)外廣泛使用。常規(guī)抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)費(fèi)用低等明顯優(yōu)勢(shì)，而區(qū)別于其他類(lèi)型抽油機(jī)，一直占據(jù)著有桿抽油泵采油地面設(shè)備的主導(dǎo)地位。雖然它存在能耗高、“大馬拉小車(chē)”等缺點(diǎn)，仍抑制不住它在油田的廣泛使用，并且隨著世界汽油工業(yè)的飛速發(fā)展，各油田對(duì)他的需求量日益增高。另外，許多油田經(jīng)營(yíng)者為了追求開(kāi)采效益最大化，以最小的投入來(lái)?yè)Q取最大的回報(bào)，不斷與研究抽油機(jī)設(shè)備的科研院所聯(lián)合開(kāi)發(fā)節(jié)能高效的新型抽油機(jī)，成為油田經(jīng)營(yíng)者追求的目標(biāo)，這意味著節(jié)能型抽油機(jī)也具有較廣闊的市場(chǎng)。對(duì)于抽油機(jī)制造廠家來(lái)說(shuō)這是絕好不過(guò)的機(jī)會(huì)了，面臨市場(chǎng)的需求，擴(kuò)大再生產(chǎn)，創(chuàng)造較高的效益。如果能設(shè)計(jì)節(jié)能型產(chǎn)品、保證產(chǎn)品可靠性、降低單機(jī)制造成本，將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。眾所周知，抽油機(jī)屬耗能大、效率低的采油設(shè)備，我國(guó)油用的抽油機(jī)仍普遍存在以下問(wèn)題：(1)如何提高采油經(jīng)濟(jì)效益，降低能源消耗，減少抽油成本。(2)如何提高抽油系統(tǒng)效率，減少抽油機(jī)動(dòng)載荷與振動(dòng)載荷。(3)如何提高抽油機(jī)平衡效果，達(dá)到節(jié)電和提高抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)平衡性與使用壽命。解決這些問(wèn)題，將對(duì)抽油機(jī)的使用開(kāi)辟更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，直接影響我國(guó)汽油工業(yè)的發(fā)展。但是，對(duì)于抽油機(jī)制造廠家來(lái)說(shuō)，最關(guān)心的是經(jīng)濟(jì)效益，以最小的成本換取最大的利潤(rùn)，即如何保證抽油機(jī)的可靠性、降低抽油機(jī)制造成本則是應(yīng)首先考慮的問(wèn)題。抽油機(jī)的使用環(huán)境比較惡劣，長(zhǎng)期全天候使用，經(jīng)常處在無(wú)人維護(hù)的情況下，抽油機(jī)的可靠性如果不能保證，會(huì)直接給采油廠帶來(lái)麻煩。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在近幾年生產(chǎn)的500臺(tái)抽油機(jī)中，出現(xiàn)損壞情況的有65臺(tái)，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的13%。損壞抽油機(jī)中主要以結(jié)構(gòu)件及減速器損壞居多，如底座中部出現(xiàn)裂縫、游梁撕裂、驢頭撕裂、減速器打齒。出現(xiàn)這些問(wèn)題時(shí)，我們通常解決的方法是更換損壞的部件，然后分析原因，提出改進(jìn)措施。分析原因是通過(guò)材料力學(xué)進(jìn)行計(jì)算的，計(jì)算過(guò)程既復(fù)雜又不準(zhǔn)確。在目前計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的年代，我們可以利用有限元分析軟件進(jìn)行分析，清晰地展現(xiàn)出各部件的應(yīng)力分布情況，為技術(shù)人員設(shè)計(jì)抽油機(jī)產(chǎn)品提供依據(jù)，準(zhǔn)確地確定游梁哪里強(qiáng)度低，應(yīng)該加強(qiáng)；哪里應(yīng)力小，可以減少材料，真正做到合理利用材料。在確保部件強(qiáng)度的情況下，減少材料的使用量。在游梁式抽油機(jī)部件中，除動(dòng)力機(jī)、減速器、曲柄及剎車(chē)等部件外，其余都是鉚焊結(jié)構(gòu)件，約占整機(jī)質(zhì)量的百分之七十多。在以往的抽油機(jī)設(shè)計(jì)中，大多數(shù)設(shè)計(jì)者通常是先計(jì)算出抽油機(jī)的最大懸點(diǎn)載荷，根據(jù)各部件的幾何尺寸推導(dǎo)出其他部件的受力情況，進(jìn)而采用材料力學(xué)的計(jì)算公式，取較大的安全系數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度校核，再確定材料規(guī)格型號(hào)。也有些設(shè)計(jì)者甚至不通過(guò)計(jì)算，直接根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，選用安全系數(shù)很高的材料，這樣雖然沒(méi)有計(jì)算，一般也不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度不夠的問(wèn)題。但是，這樣設(shè)計(jì)無(wú)形中提高了材料的規(guī)格型號(hào)，人為地對(duì)材料造成一定的浪費(fèi)，也加大了整機(jī)的制造成本。顯然，通過(guò)應(yīng)力分析，合理使用原材料，將減少抽油機(jī)的制造成本。尤其是在鋼材市場(chǎng)不斷漲價(jià)的情況下，降低鋼材的使用量，那將直接降低抽油機(jī)的制造成本。面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的銷(xiāo)售市場(chǎng)，高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品，具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，是企業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。無(wú)疑這對(duì)于一個(gè)正在發(fā)展的小企業(yè)就顯得尤為重要。如何能知道哪里的材料可以減少，哪里的材料不能少呢?這都需要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)理論計(jì)算來(lái)證明，這正是本文所研究的內(nèi)容。1.4.2課題研究的意義目前優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、化工系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)、制造工藝設(shè)計(jì)等方面都有廣泛的應(yīng)用，而取得了不少成果，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)于機(jī)構(gòu)、零件、部件、工藝設(shè)備等基本參數(shù)以及一個(gè)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也有許多運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果的實(shí)例。實(shí)踐證明，在機(jī)械設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，不僅可以減輕機(jī)械設(shè)備自重、降低材料消耗和制造成本，而且可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與工作性能。到目前為止，優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法中的一個(gè)重要領(lǐng)域，并且愈來(lái)愈受到從事機(jī)械設(shè)計(jì)的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員的重視。優(yōu)化設(shè)計(jì)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的設(shè)計(jì)方法，這是從上世紀(jì)六十年代初期開(kāi)始的最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用的結(jié)果。本課題希望通過(guò)先進(jìn)的有限單元法，建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)重新計(jì)算抽油機(jī)中部分結(jié)構(gòu)件，分析受力情況，較清晰地表現(xiàn)出抽油機(jī)主要部件應(yīng)力分布情況。根據(jù)應(yīng)力分布，合理設(shè)計(jì)材料的規(guī)格型號(hào)，充分發(fā)揮每一個(gè)零部件的作用，從而減少制造中的材料浪費(fèi)，達(dá)到降低抽油機(jī)生產(chǎn)成本的目的，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使我們制造的抽油機(jī)在銷(xiāo)售市場(chǎng)中更加具有競(jìng)爭(zhēng)能力。1.5研究的主要內(nèi)容本文介紹了抽油機(jī)的分類(lèi)情況以及游梁式抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)，并以CYJS12-4.8-53HB型抽油機(jī)的減速器為例，對(duì)其進(jìn)行了基本分析，確定齒輪為優(yōu)化部件，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求在保證抽油機(jī)的可靠性的前提下，做到少用材料，用好材料，避免材料的浪費(fèi)，從而降低抽油機(jī)的成本。1.5.1抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與參數(shù)游梁式抽油機(jī)一般由驢頭、游梁、橫梁、連桿和曲柄銷(xiāo)、曲柄和平衡重、支架、減速器、底座、制動(dòng)器、動(dòng)力機(jī)及懸繩器總成等幾大部分組成。抽油機(jī)的基本參數(shù)主要有：驢頭懸點(diǎn)(掛抽油桿處)的最大允許載荷、懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度、懸點(diǎn)的最大沖程次數(shù)、減速箱曲柄軸最大允許扭矩。1.5.2減速器雙圓弧齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)減速器是抽油機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其重量約占抽油機(jī)總重量的20%左右。雙圓弧齒輪傳動(dòng)具有承載能力大、效率高、壽命長(zhǎng)和工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在抽油機(jī)減速器上得到普遍應(yīng)用，但是雙圓弧齒輪構(gòu)成的抽油機(jī)減速器的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)方法，多數(shù)未進(jìn)行優(yōu)化，致使減速器體積龐大、笨重。因此，對(duì)減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少重量，這項(xiàng)工作對(duì)于降低抽油機(jī)制造成本具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。第二章抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與參數(shù)2.1抽油機(jī)的工作原理有桿抽油方法是應(yīng)用最為廣泛的一種人工舉升采油方法，位居首要位置。圖2.1為有桿抽油系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，有桿抽油設(shè)備通常由三部分組成：一是地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備即抽油機(jī)，它由動(dòng)力機(jī)、減速箱和四連桿機(jī)構(gòu)組成，二是井下抽油泵，它掛在油管的下端，三是抽油桿柱，它把地面設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳給井下抽油泵。有桿抽油設(shè)備的工作原理是動(dòng)力機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)減速箱，由四連桿機(jī)構(gòu)把減速箱輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)轶H頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用驢頭帶動(dòng)光桿和抽油桿做上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)抽油桿再將這個(gè)運(yùn)動(dòng)傳給井下抽油泵中的柱塞。抽油泵泵筒的下部裝有固定閥(吸入閥)，在柱塞的上部裝有游動(dòng)閥(排出閥)。當(dāng)抽油桿向上運(yùn)動(dòng)、柱塞做上沖程時(shí)，固定閥打開(kāi)，泵從井中吸入原油。同時(shí)由于游動(dòng)閥關(guān)閉，柱塞將它上面的油管中原油上舉到井口。這就是抽油泵的吸入過(guò)程。當(dāng)抽油桿向下運(yùn)動(dòng)，柱塞做下沖程時(shí)，固定閥關(guān)閉而游動(dòng)閥打開(kāi)，柱塞下面的油通過(guò)游動(dòng)閥排到它的上面，這就是抽油泵的排出過(guò)程。實(shí)際上，游梁式抽油機(jī)——抽油泵裝置，相當(dāng)于一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的單缸單作用柱塞泵，只不過(guò)將它的水力部分放到井下成為抽油泵，將它的驅(qū)動(dòng)部分放在地面變?yōu)橛瘟菏匠橛蜋C(jī)，兩者用又細(xì)又長(zhǎng)的活塞桿——抽油桿連接起來(lái)。有桿抽油系統(tǒng)的地面設(shè)備——抽油機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、操作及維修方便、使用可靠，而被廣泛使用。圖2.1抽油機(jī)簡(jiǎn)圖圖2.2有桿抽油系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1—吸入凡爾;2—泵筒;3—柱塞;4—排出凡爾;5—抽油桿;6—油管;7—套管;8—三通;9—盤(pán)根盒;10—驢頭;11—游梁;12—連桿;13—曲柄;14—減速箱;15—?jiǎng)恿C(jī)(電動(dòng)機(jī))2.2抽油機(jī)的分類(lèi)抽油機(jī)的種類(lèi)較多，概括起來(lái)可以分為以下幾類(lèi)：按有無(wú)游梁可分為游梁式抽油機(jī)和無(wú)游梁式抽油機(jī)；按結(jié)構(gòu)形式可分為常規(guī)型游梁抽油機(jī)、異相型游梁抽油機(jī)、前置型游梁抽油機(jī)；按平衡方式可分為曲柄平衡、游梁平衡、復(fù)合平衡；按驢頭結(jié)構(gòu)形式可分為上翻式、側(cè)轉(zhuǎn)式；按驅(qū)動(dòng)方式可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)等。盡管抽油機(jī)的種類(lèi)較多，結(jié)構(gòu)形式也各不相同，而且近年來(lái)在推廣節(jié)能型抽油機(jī)方面又涌現(xiàn)出多種機(jī)型，如被中國(guó)汽油天然氣集團(tuán)公司在全國(guó)推薦使用的調(diào)徑變矩游梁平衡抽油機(jī)、下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡抽油機(jī)、擺桿式游梁平衡抽油機(jī)、特型雙驢頭抽油機(jī)、偏輪式游梁抽油機(jī)、直線往復(fù)式抽油機(jī)等，但目前應(yīng)用較多的仍屬游梁式抽油機(jī)，本文將著重論述游梁式抽油機(jī)。2.3游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)游梁式抽油機(jī)一般由驢頭、游梁、橫梁、連桿和曲柄銷(xiāo)、曲柄和平衡重、支架、減速器、底座、制動(dòng)器、動(dòng)力機(jī)及懸繩器總成等幾大部分組成。雙驢頭抽油機(jī)是在常規(guī)抽油機(jī)的基礎(chǔ)上演化出來(lái)的。它不僅保持了常規(guī)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、操作及維修方便等優(yōu)點(diǎn)，還具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、附加動(dòng)載荷小、沖程長(zhǎng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。雙驢頭抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2.2，它在常規(guī)機(jī)的游梁后臂上增加了一個(gè)具有變徑弧形的后驢頭，游梁與橫梁之間采用柔性連接件進(jìn)行連接，使之成為具有“變參數(shù)四連桿機(jī)構(gòu)”，通過(guò)柔性件和驢頭圓弧始終相切，從而允許游梁作大擺角擺動(dòng)，以獲得長(zhǎng)沖程。抽油機(jī)工作時(shí)，曲柄通過(guò)“特殊連桿”(柔性連接件)拉動(dòng)游梁而往復(fù)擺動(dòng)。隨著曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿長(zhǎng)度和游梁后臂有效長(zhǎng)度均隨曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。由于這種變參數(shù)四連桿機(jī)構(gòu)的作用，改變了抽油機(jī)扭矩因數(shù)的變化規(guī)律，使其懸點(diǎn)載荷作用到曲柄軸的扭矩變化接近正弦規(guī)律，達(dá)到了與按正弦規(guī)律變化的平衡扭矩較好地平衡，使凈扭矩接近于恒定狀態(tài)，降低了減速器輸出扭矩的峰值，避免了負(fù)扭矩，從而減小了減速器的額定扭矩及所配的電動(dòng)機(jī)額定功率，進(jìn)而減小電網(wǎng)的最大負(fù)荷及波動(dòng)量。但在使用中發(fā)現(xiàn)游梁或后驢頭損壞嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)。游梁式抽油機(jī)根據(jù)原動(dòng)機(jī)安裝位置的不同有兩種形式：一種是將其放置在抽油機(jī)底座尾部，一種是放置在游梁支架下面從而使底座減短。減速器的安裝形式也有所不同，一種是直接放在底座，減少了減速器底座，使抽油機(jī)整機(jī)重量降低，但為了保證曲柄旋轉(zhuǎn)，須在抽油機(jī)底座下加較高的基礎(chǔ)，另一種是在減速器下加一個(gè)底座，抬高減速器，使曲柄可以旋轉(zhuǎn)，底座坐在較低基礎(chǔ)上，不需要高基礎(chǔ)，安裝、維護(hù)較方便。圖2.3抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1—?jiǎng)x車(chē)裝置;2—電動(dòng)機(jī);3—減速箱皮帶輪;4—減速箱;5—輸入軸;6—中間軸;7—輸出軸;8—曲柄;9—連桿軸;10—支架;11—曲柄平衡塊;12—連桿;13—橫梁軸;14—橫梁;15—游梁平衡塊;16—游梁;17—支架;18—驢頭;19—懸繩器;20—底座2.3.1驢頭設(shè)計(jì)驢頭用來(lái)將游梁前端的往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)變?yōu)槌橛蜅U的垂直直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。是以中央軸承為旋轉(zhuǎn)中心的圓弧體，驢頭具有一半徑弧面，弧面半徑等于前臂長(zhǎng)。一般驢頭用型鋼或鋼板焊成，我國(guó)常用的驢頭結(jié)構(gòu)型式有上翻式、側(cè)轉(zhuǎn)式及重力式，國(guó)外抽油機(jī)驢頭常采用上翻式和懸掛式。 圖2.4驢頭簡(jiǎn)圖2.3.2游梁設(shè)計(jì)游梁是抽油機(jī)主要承載部件之一，它用一個(gè)短軸和兩個(gè)軸承支在抽油機(jī)支架上，前端連著驢頭，后端通過(guò)尾部軸承座與橫梁相連，抽油機(jī)工作時(shí)，游梁以支架軸承為中心，繞中心作上下?lián)u擺運(yùn)動(dòng)，擔(dān)負(fù)著抽油機(jī)的全部載荷，要有足夠的剛度和強(qiáng)度。游梁的結(jié)構(gòu)通常只有兩種，一種是箱形結(jié)構(gòu)，用于重型抽油機(jī)，它可以用不同規(guī)格的板材經(jīng)切割下料后組焊而成；另一種是H型結(jié)構(gòu)，用于中型及輕型抽油機(jī)，通常使用型材制造，因此有些結(jié)構(gòu)尺寸受材料規(guī)格限制。2.3.3橫梁及連桿設(shè)計(jì)橫梁是連接游梁和連桿的中間部件，動(dòng)力需經(jīng)過(guò)橫梁才能帶動(dòng)游梁作搖擺運(yùn)動(dòng)，是把兩個(gè)連桿的驅(qū)動(dòng)力合為一處而帶動(dòng)游梁轉(zhuǎn)動(dòng)的橋梁性構(gòu)件，通常由型鋼及鋼板焊接成型。圖2.5橫梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖連桿是把曲柄的連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)變?yōu)楹?jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的主要構(gòu)件之一。通常采用上接頭、無(wú)縫鋼管及下接頭焊接而成，焊縫應(yīng)進(jìn)行探傷檢驗(yàn)。圖2.6連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.3.4曲柄和平衡重抽油機(jī)中的曲柄通常分別裝在減速器的輸出軸上，并通過(guò)曲柄銷(xiāo)連接連桿。一般在曲柄上有多個(gè)曲柄銷(xiāo)孔，用以改變抽油機(jī)沖程的長(zhǎng)度。圖2.7曲柄及平衡重簡(jiǎn)圖由于抽油機(jī)上下沖程的載荷不均勻，對(duì)減速器輸出扭矩影響較大，需加裝平衡重來(lái)平衡這種不均勻。平衡可分為機(jī)械平衡及其動(dòng)平衡，機(jī)械平衡包括曲柄平衡、游梁平衡和復(fù)合平衡三種形式。從平衡效果來(lái)看，游梁平衡最好，復(fù)合平衡次之，曲柄平衡最差；但從安全性來(lái)看，則正好相反。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，輕型抽油機(jī)使用游梁平衡，中型抽油機(jī)使用曲柄平衡，重型抽油機(jī)則較多使用復(fù)合平橫。2.3.5支架設(shè)計(jì)支架是用來(lái)支撐游梁的桁架結(jié)構(gòu)，承受懸點(diǎn)載荷和連桿拉力，也要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度。其結(jié)構(gòu)常有兩種，一種是四腿支架，主要由型鋼焊接而成，特點(diǎn)是制造方便，剛度大、體積大，運(yùn)輸不方便，國(guó)內(nèi)抽油機(jī)多采用這種形式；另一種是三腿支架，一般由工字鋼或槽鋼組焊成型，它的特點(diǎn)是開(kāi)度大、運(yùn)輸方便，但制造、安裝困難，國(guó)外抽油機(jī)采用這種形式的較多。圖2.8三腿支架簡(jiǎn)圖2.3.6減速器設(shè)計(jì)減速器是抽油機(jī)中的重要部件，它把動(dòng)力機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)榈退俎D(zhuǎn)動(dòng)的裝置。在抽油機(jī)中，傳遞動(dòng)力并降低轉(zhuǎn)速，通常采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，齒輪采用雙圓弧或漸開(kāi)線人字齒輪或斜齒輪。2.3.7懸繩器總成懸繩器總成由鋼絲繩及繩頭鎖緊裝置組成。鋼絲繩應(yīng)選用韌性好不旋轉(zhuǎn)銅絲繩，繩頭用鋅澆實(shí)或鋼套直接擠壓成型，使用時(shí)將鋼絲繩掛在驢頭套繩輪上，兩繩頭連接在懸繩器上。2.3.8動(dòng)力機(jī)抽油機(jī)上使用的動(dòng)力機(jī)包括電動(dòng)機(jī)及天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。2.3.9底座底座是抽油機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)了全部自重及載荷。支架、減速器、電動(dòng)機(jī)等部件直接固定在底座上，整個(gè)抽油機(jī)通過(guò)底座固定在水泥基礎(chǔ)上。底座的穩(wěn)定性和連接固定的可靠性是抽油機(jī)正常運(yùn)行的前提。抽油機(jī)底座常用型鋼及鋼板焊接而成，結(jié)構(gòu)常采用T形或π形，要有足夠強(qiáng)度及剛度。另外，電動(dòng)機(jī)座也常有兩種布置方式，一種是直接在底座的主梁上焊接電動(dòng)機(jī)導(dǎo)軌，特點(diǎn)是抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但消耗材料較多：另一種是用不同的型鋼單獨(dú)制作電機(jī)底座，然后將它焊接或鉚接在主座上，這樣可以節(jié)省材料，比較適合于電動(dòng)機(jī)需要架高的地方。圖2.9底座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.4游梁式抽油機(jī)的基本參數(shù)抽油設(shè)備的功用就是從一定的井深處抽出一定數(shù)量的原油，所以井深和產(chǎn)量就標(biāo)志著抽油設(shè)備的工作范圍。為了達(dá)到這兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)游梁式抽油機(jī)的工作能力提出了四個(gè)基本參數(shù)。2.4.1驢頭懸點(diǎn)(掛抽油桿處)的最大允許載荷。這一載荷包括靜載荷和動(dòng)載荷，它主要取決于抽油桿柱和液柱的重量。實(shí)際上，它表明了在一定抽油桿柱和抽油泵泵徑組合時(shí)的最大下泵深度。目前，懸點(diǎn)的最大允許載荷從5～8kN到150～280kN。2.4.2懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度。它主要決定抽油機(jī)的產(chǎn)量以及抽油機(jī)的基本尺寸和重量。懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度從0.3m到10m，而應(yīng)用最廣的在6m以下。2.4.3懸點(diǎn)的最大沖程次數(shù)n它表明抽油機(jī)的抽汲工況，泵徑一定時(shí)，懸點(diǎn)的最大沖程次數(shù)和懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度共同確定了抽油機(jī)的最大產(chǎn)量。目前實(shí)際應(yīng)用的懸點(diǎn)的最大沖程次數(shù)從2～4/min。到20/min。因?yàn)樵诿恳粋€(gè)沖程內(nèi)抽油桿應(yīng)力變化一次，因此提高沖程次數(shù)將會(huì)加快抽油桿發(fā)生疲勞破壞，這樣便限制了沖程次數(shù)的進(jìn)一步提高。（4）減速箱曲柄軸最大允許扭矩這個(gè)參數(shù)和上述三個(gè)基本參數(shù)存在一定關(guān)系，特別是和懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度成正比，即越大，也越大。同時(shí)曲柄軸最大允許扭矩值也決定了減速箱的尺寸和重量，它們是成正比的。2.5游梁式抽油機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)游梁式抽油機(jī)的參數(shù)在我國(guó)、俄羅斯等國(guó)均屬國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在美國(guó)為汽油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)即API規(guī)范。它們都是在一定的理論指導(dǎo)下，以各國(guó)油田的實(shí)際使用資料為依據(jù)，經(jīng)過(guò)科學(xué)分析與綜合后制定出來(lái)的，是設(shè)計(jì)和制造游梁式抽油機(jī)的重要依據(jù)。上世紀(jì)七十年代以前，我國(guó)游梁抽油機(jī)基本使用原蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)。1975年制訂了JBl576--75(游粱抽油機(jī)形式和參數(shù)),這是我國(guó)游梁式抽油機(jī)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以后又經(jīng)過(guò)多次修訂，直至目前正在使用中的SY/T5044—2004使得游梁式抽油機(jī)形成規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的系列產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了游梁式抽油機(jī)的型式、型號(hào)、基本參數(shù)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法及檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝和貯存。2.5.1代號(hào)CYJ：常規(guī)型抽油機(jī)；CYJY：異相型抽油機(jī)；CYJS：雙驢頭抽油機(jī)；CYJQ：前置型抽油機(jī)；2.5.2平衡方式Y(jié)：游梁平衡，在游梁上加裝平衡塊的平衡方式；B：曲柄平衡，在曲柄上加裝平衡塊的平衡方式，又稱旋轉(zhuǎn)平衡方式；F：復(fù)合平衡，同時(shí)采用游梁和曲柄平衡的平衡方式：Q：氣動(dòng)平衡，用汽缸平衡的平衡方式；2.5.3型號(hào)表示法額定懸點(diǎn)載荷為120kN，光桿最大沖程為4.8m，減速器額定扭矩為53kN?m，采用點(diǎn)嚙合雙圓弧齒形，平衡方式為曲柄平衡的雙驢頭抽油機(jī)，其型號(hào)為CYJS12-4.8-53HB。2.5.4基本參數(shù)部分游梁式抽油機(jī)的基本參數(shù)見(jiàn)表2-1表2-1抽油機(jī)的基本參數(shù)表序號(hào)規(guī)格型號(hào)額定懸點(diǎn)載kN最大沖程m最高沖次r/min減速器扭矩kN?m13-1.5-13301.5121323-2.1-13302.1121335-2.1-13502.1121346-3-26603.0122658-3-37803.0837610-3-531003.0853710-4.2-531004.2853812-4.8-731204.8873914-5-891405.0889第三章抽油機(jī)減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法的產(chǎn)生，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟出現(xiàn)了較大的改變。主要涉及到兩個(gè)方面：（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理，（2）產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法：包括預(yù)測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)工程、機(jī)器的可靠性與概率設(shè)計(jì)法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法、有限元法、工作載荷譜與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、CAD技術(shù)及其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。上世紀(jì)六十年代初，國(guó)外對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法的研究已經(jīng)引起普遍重視，各國(guó)學(xué)者所研究的側(cè)重點(diǎn)雖然各不相同，但總的趨勢(shì)是一致的，其目的都是為了解決實(shí)際、復(fù)雜和高難度的工程技術(shù)問(wèn)題。我國(guó)對(duì)該項(xiàng)目的研究起步較晚，在改革開(kāi)放政策的指引下，國(guó)外先進(jìn)的設(shè)備、技術(shù)的不斷涌入，震動(dòng)了我國(guó)工程設(shè)計(jì)者。優(yōu)化設(shè)計(jì)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的設(shè)計(jì)方法，這是從六十年代初期開(kāi)始的最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用的結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計(jì)為工程設(shè)計(jì)提供了一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，使得在解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題，能從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計(jì)方案，因而采用這種設(shè)計(jì)方法能大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求合理地確定各種參數(shù)，例如重量、成本性能、承載能力等等，以期達(dá)到最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)。也就是說(shuō)，一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)總是要求在一定的技術(shù)和物質(zhì)條件下，取得一個(gè)使技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為最佳的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在這樣一種思想下產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的。優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)可使設(shè)計(jì)參數(shù)符合約束條件和目標(biāo)函數(shù)，并能得到最適宜的結(jié)果。目前優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、化工系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)、制造工藝設(shè)計(jì)等方面都有廣泛地應(yīng)用，而取得了不少成果，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)于機(jī)構(gòu)、零件、部件、工藝設(shè)備等基本參數(shù)以及一個(gè)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也有許多運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果的實(shí)例。實(shí)踐證明，在機(jī)械設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，不僅可以減輕機(jī)械設(shè)備自重、降低材料消耗和制造成本，而且可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與工作性能。到目前為止，優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法中的一個(gè)重要領(lǐng)域，并且愈來(lái)愈受到從事機(jī)械設(shè)計(jì)的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員的重視。有限元法是自上世紀(jì)六十年代以來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)值分析方法，近十幾年中伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析在我國(guó)工程設(shè)計(jì)上得到了大量的應(yīng)用，促進(jìn)優(yōu)化理論和有限元理論的發(fā)展，不斷完善了各種優(yōu)化理論和有限元理論。有限元法相應(yīng)得到了廣泛的推廣應(yīng)用，并且應(yīng)用水平也得到迅速的拓展和提高，在許多領(lǐng)域中已成為進(jìn)行科學(xué)研究及工程分析的重要方法和手段，其應(yīng)用范圍已由桿件結(jié)構(gòu)問(wèn)題擴(kuò)展到了彈性力學(xué)乃至塑性力學(xué)問(wèn)題，由平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題，由靜力學(xué)問(wèn)題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，成為廣大科技工作者的有力工具，解決大量實(shí)際問(wèn)題。在油田的抽油機(jī)設(shè)計(jì)中就可以看到這種情況，幾年來(lái)，對(duì)各種抽油機(jī)構(gòu)、抽油機(jī)支架及游梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)有許多報(bào)道，給抽油機(jī)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了積極的促進(jìn)作用。本文也希望能通過(guò)有限元分析法計(jì)算抽油機(jī)的部分結(jié)構(gòu)件，找出合理的設(shè)計(jì)理論，恰當(dāng)?shù)厥褂貌牧?，避免隨意增加材料以提高強(qiáng)度的現(xiàn)象，物盡其用，從而降低抽油機(jī)的制造成本。優(yōu)化設(shè)計(jì)的含義就是在處理各種事物的一切可能方法中，尋求最優(yōu)的方案。絕對(duì)最優(yōu)的方案只有在理論計(jì)算中才能達(dá)到，但實(shí)際事物中沒(méi)有不受客觀條件限制的情況，因而使用中的優(yōu)化問(wèn)題都是在給定條件下，從一切可能的方案中尋求最適當(dāng)?shù)姆桨??？茖W(xué)表達(dá)出優(yōu)化的概念大約是從17世紀(jì)時(shí)隨著數(shù)學(xué)的發(fā)展而開(kāi)始的。上世紀(jì)60年代，隨著電子計(jì)算機(jī)的誕生和應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展，優(yōu)化理論和方法已形成專門(mén)的學(xué)科，并在各行各業(yè)中得到了日益廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、運(yùn)輸、能源及軍事等各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用?，F(xiàn)代優(yōu)化方法主要以數(shù)學(xué)規(guī)劃為核心，以高速電子計(jì)算機(jī)為工具，向著多目標(biāo)、多變量、高效率、高精度的方向發(fā)展，成為科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)品創(chuàng)新等工作中強(qiáng)有力的助手。機(jī)械行業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是把優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中去，通過(guò)對(duì)機(jī)械零件、機(jī)構(gòu)、部件乃至整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確定出他們的最佳參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸。其目的在于：3.1.1提高設(shè)計(jì)質(zhì)量計(jì)算機(jī)按一定的程序，形成眾多的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)給定的條件加以判別，從中選出最好的設(shè)計(jì)方案。3.1.2加快設(shè)計(jì)速度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的速度優(yōu)勢(shì)，在很短的時(shí)間內(nèi)完成比手工計(jì)算多得多的工作。3.1.3減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，具有如下三個(gè)特點(diǎn)：①設(shè)計(jì)的思想是最優(yōu)設(shè)計(jì)，需要建立一個(gè)正確確反映設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型；②設(shè)計(jì)的方法是優(yōu)化方法；⑧設(shè)計(jì)的計(jì)算工具是計(jì)算機(jī)。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是把優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中去，使某項(xiàng)機(jī)械設(shè)計(jì)在規(guī)定的各種設(shè)計(jì)限制條件下，優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，確定出它們的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸(取代過(guò)去長(zhǎng)期使用的可行性設(shè)計(jì)方法)，從而提高各種機(jī)械產(chǎn)品及技術(shù)的設(shè)計(jì)水平，一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程及其相互關(guān)系可以用圖3.l表示。整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程可以分為兩部分，首先將機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題建立一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，然后選用某一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；利用電子計(jì)算機(jī)的自動(dòng)計(jì)算過(guò)程，包括程序的編制、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及結(jié)果的分析和整理。優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究，較早而且成果較顯著的方面是機(jī)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)例如平面機(jī)構(gòu)按預(yù)定的函數(shù)關(guān)系、預(yù)定的軌跡、預(yù)定的構(gòu)件位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)的誤差最小化、靈敏度最佳化、桿件長(zhǎng)度最小化、最小傳動(dòng)角最大化、運(yùn)動(dòng)副中的損耗功率最小化等等，均已取得了顯著的成果?？梢哉f(shuō)，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了充分的發(fā)展應(yīng)用，已經(jīng)形成了一門(mén)專門(mén)的學(xué)科。在機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，除了根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的工作原理、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、工作條件以及其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型外，另外一項(xiàng)重要內(nèi)容就是選用合適的優(yōu)化方法。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題通常屬于約束非線性規(guī)劃問(wèn)題，求解這類(lèi)問(wèn)題的方法稱為約束優(yōu)化方法。根據(jù)處理約束問(wèn)題的方式不同，約束優(yōu)化方法分為直接法和間接法兩類(lèi)。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)問(wèn)題設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)參數(shù)x設(shè)計(jì)準(zhǔn)則數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)約束函數(shù)（u=1，2…m）(v=1,2…p)方案評(píng)價(jià)是否最優(yōu)方案分析實(shí)際值最優(yōu)設(shè)計(jì)方案x設(shè)計(jì)方案一組值優(yōu)化途徑優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)圖3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程3.2抽油機(jī)減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)的初步分析抽油機(jī)減速器由箱體、箱蓋、主動(dòng)軸總成、中間軸總成及輸出軸總成等幾部分組成。其中包括三對(duì)互相嚙合的雙圓弧齒輪，齒輪直徑較大，占據(jù)箱體內(nèi)大部分空間，同時(shí)也加大了減速器的外形尺寸及重量，具有優(yōu)化潛力。圖3.2為抽油機(jī)減速器簡(jiǎn)圖。圖3.2抽油機(jī)減速器簡(jiǎn)圖齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)有：齒輪在最小接觸應(yīng)力下的齒廓最佳幾何形狀設(shè)計(jì)；輪齒輪在滿足彎曲和接觸強(qiáng)度條件下具有最佳承載能力的非漸開(kāi)線正齒輪副設(shè)計(jì)；定軸齒輪傳動(dòng)在限定最大接觸應(yīng)力、齒面最高溫升和保證齒面最小油膜厚度下使單位體積所能傳遞的扭矩最大的優(yōu)化設(shè)計(jì)：二級(jí)齒輪減速器重量最小化的設(shè)計(jì)；齒輪泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)等等。許多人對(duì)這些問(wèn)題都進(jìn)行過(guò)一些廣泛深入的研究、并有機(jī)械零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的專門(mén)著作。因此優(yōu)化雙圓弧齒輪可以找到許多可依賴的理論及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。圓弧點(diǎn)嚙合齒輪簡(jiǎn)稱圓弧齒輪，它是以凸、凹齒面的接觸進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，如圖3.3。該結(jié)構(gòu)具有較大相對(duì)曲率半徑。其傳動(dòng)特點(diǎn)是：齒面在嚙合過(guò)程的每一瞬間不是線接觸，理論上是一個(gè)點(diǎn)或幾個(gè)點(diǎn)的接觸。雙嚙合圓弧齒的齒形是把兩個(gè)單圓弧齒輪的凸、凹齒廓組合在一個(gè)齒輪的齒廓上，一個(gè)齒輪上同時(shí)存在兩條嚙合線。 圖3.3圓弧齒輪嚙合簡(jiǎn)圖以抽油機(jī)上經(jīng)常使用的53kN?m減速器為研究對(duì)象，該減速器為兩級(jí)減速，人字齒輪分流式，齒輪精度為8—8—7級(jí)，設(shè)計(jì)壽命10年，部分參數(shù)如表。表3-153kN?m減速器參數(shù)表輸出扭矩kN?m總數(shù)比中心矩mm輸入軸直徑mm輸出軸直徑mm總量kg5331.8910009018042363.3優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是針對(duì)某一機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，在滿足各種限制條件下，采用最優(yōu)化算法，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇、調(diào)整和設(shè)計(jì)方案的比較評(píng)價(jià)，最終使要求的某項(xiàng)或幾項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最佳值。對(duì)于雙圓弧齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，就是根據(jù)已知傳遞的功率P、傳動(dòng)比i、輸入軸轉(zhuǎn)速n、工作狀況、使用壽命、齒輪加工精度等級(jí)，在保證齒輪強(qiáng)度條件下(一般工業(yè)用齒輪裝置只需滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，整體體積最小為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型是針對(duì)具體設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述，它反映設(shè)計(jì)參數(shù)和所追求的設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系，它由設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三部分組成。設(shè)計(jì)變量是設(shè)計(jì)問(wèn)題中需要優(yōu)選的相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)參數(shù)。稱以x的v個(gè)分量為坐標(biāo)軸構(gòu)成的v維實(shí)空間為設(shè)計(jì)空間。在齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)中，通?？紤]如下參數(shù)的選擇，也正是這些參數(shù)決定了齒輪的基本結(jié)構(gòu)尺寸，可作為雙圓弧齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量：重合度、齒數(shù)z、模數(shù)m、螺旋角β。齒輪參數(shù)選擇的適當(dāng)與否，決定著減速器的質(zhì)量，因此把齒輪的主要參數(shù)列為優(yōu)化設(shè)計(jì)，即X=式(3-1)=式中――分別為兩對(duì)齒輪副的重合度~――齒輪齒數(shù)；――兩對(duì)齒輪副的法面模數(shù)；――兩對(duì)齒輪副的螺旋角把某一設(shè)計(jì)問(wèn)題所追求的設(shè)計(jì)目標(biāo)表示成設(shè)計(jì)變量的函數(shù)Fr，、，稱其為目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的值是評(píng)價(jià)一個(gè)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的準(zhǔn)則，故也稱其為評(píng)價(jià)函數(shù)。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題中的目標(biāo)函數(shù)可以是重量最輕、體積最小、強(qiáng)度高、能耗小等，這些目標(biāo)可以單一或組合后構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)就是選取設(shè)計(jì)變量值，使目標(biāo)函數(shù)極小化，而得到最佳設(shè)計(jì)方案。減速器設(shè)計(jì)有兩個(gè)主要指標(biāo)：一是性能指標(biāo)，二是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。也就是說(shuō)減速器既具有足夠的強(qiáng)度、剛度又達(dá)到體積最小、重量最輕。把齒輪體最小作為優(yōu)化目標(biāo)。如果以齒輪分度圓柱的體積近似代替齒輪體積則有：V=式(3-2)==式中一齒寬所以優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算式為：式(3-3)實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題中，設(shè)計(jì)變量的取值總要受到某些條件的限制，稱這些限制條件為約束條件，可用關(guān)于設(shè)計(jì)變量的約束函數(shù)的等式或不等式來(lái)表示。雙圓弧齒輪優(yōu)化的約束條件如下：總中心距保持不變式(3-4)式中C=1000mm即：G=2C—式(3-5)②螺旋β的范圍式(3-6)③強(qiáng)度條件彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算式(3-7)即：G=其中i=2，3。式中一計(jì)算齒根應(yīng)力，N?；一許用彎曲應(yīng)力，N?；一小齒輪轉(zhuǎn)矩；一使用系數(shù)；一動(dòng)載系數(shù)；一接觸跡間載荷分配系數(shù)：一彎曲強(qiáng)度計(jì)算的接觸跡內(nèi)載荷分布系數(shù)，4～8級(jí)精度時(shí)為1；一接觸跡系數(shù)；一彎曲強(qiáng)度計(jì)算的彈性系數(shù)；N?；一曲強(qiáng)度計(jì)算的齒數(shù)比系數(shù)；一齒形系數(shù)；一曲強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)；一齒端系數(shù)；一試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限；一彎曲強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；一尺寸系數(shù)；一彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)；齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算式(3-8)一接觸應(yīng)力一許用接觸應(yīng)力一接觸強(qiáng)度計(jì)算的接觸跡內(nèi)載荷分布系數(shù)：7級(jí)精度時(shí)為1．49；一接觸強(qiáng)度計(jì)算的彈性系數(shù)；一接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；一接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒數(shù)比系數(shù)；一彎曲強(qiáng)度計(jì)算、接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)；一齒端系數(shù)；一試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限：、、一潤(rùn)滑劑系數(shù)、速度系數(shù)、接觸弧長(zhǎng)系數(shù)；一接觸疲勞強(qiáng)度最小安全系數(shù)；一許用齒面接觸應(yīng)力；④重合度限制1≤≤4式(3-9)⑤保證良好潤(rùn)滑的條件設(shè)定：1.05式(3-10)即式中高速級(jí)與低速級(jí)的分度圓直徑。⑥減速器總傳動(dòng)比式(3-11)即：⑦齒輪模數(shù)不小于動(dòng)力傳動(dòng)的最小模數(shù)即：式(3-12)⑧齒數(shù)的限制，，，式(3-13)所以，優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以寫(xiě)為式(3-14)，i=2，···9式(3-15)可見(jiàn)，雙圓弧齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)包含十個(gè)變量、八個(gè)不等式約束的非線性優(yōu)化問(wèn)題。3.4優(yōu)化設(shè)計(jì)方法機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題通常屬于約束非線性規(guī)劃問(wèn)題。求解這類(lèi)問(wèn)題的方法稱為約束優(yōu)化方法直接法是直接從可行域內(nèi)尋找最優(yōu)解，最常用是復(fù)合形法。復(fù)合形法的基本原理是：在n維設(shè)計(jì)空間的約束可行域內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)由K≥n+1個(gè)初始頂點(diǎn)構(gòu)成的不規(guī)則多面體——復(fù)合形。在對(duì)復(fù)合形個(gè)頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)逐一進(jìn)行比較，不斷去掉最壞點(diǎn)，產(chǎn)生新的復(fù)合形，經(jīng)反復(fù)計(jì)算，使復(fù)合形逐漸向最優(yōu)點(diǎn)收縮移動(dòng)，直至滿足收斂精度為止。間接法則是將約束優(yōu)化的求解，先經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，轉(zhuǎn)化成無(wú)約束問(wèn)題，再通過(guò)解無(wú)約束問(wèn)題求得原問(wèn)題的最優(yōu)解。罰函數(shù)是最常用的一種間接優(yōu)化方法。罰函數(shù)法就是利用罰因子(或罰函數(shù))將不等式的約束函數(shù)和等式的約束函數(shù)分別構(gòu)成罰函項(xiàng)，加到目標(biāo)函數(shù)上，構(gòu)成一個(gè)新的無(wú)約束函數(shù)，稱其為懲罰函數(shù)，然后求無(wú)約束最優(yōu)解。這樣就把目標(biāo)函數(shù)的約束極小值轉(zhuǎn)化為求無(wú)約束極小值問(wèn)題。罰函數(shù)法是求解具有等式和不等式約束優(yōu)化問(wèn)題的間接方法，它的基本思想是根據(jù)約束的特性來(lái)構(gòu)造懲罰函數(shù)，加入到目標(biāo)函數(shù)中，把約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成無(wú)約束的優(yōu)化問(wèn)題來(lái)求解，通過(guò)對(duì)違背約束的點(diǎn)加以“懲罰”，迫使無(wú)約束的問(wèn)題的解逐漸逼近到原目標(biāo)函數(shù)的約束極小值點(diǎn)，按構(gòu)造罰函數(shù)的方法不同，罰函數(shù)法分為內(nèi)點(diǎn)法、外點(diǎn)法和混合法。3.4.1內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)法內(nèi)點(diǎn)法僅適用于求解具有不等式約束的優(yōu)化問(wèn)題，定義于可行域內(nèi)的罰函數(shù)為式(3-16)式中為原約束優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，為懲罰項(xiàng)是對(duì)違背約束，點(diǎn)施加的懲罰，為罰因子。①內(nèi)點(diǎn)法的特點(diǎn)：內(nèi)點(diǎn)法的設(shè)計(jì)點(diǎn)為內(nèi)點(diǎn)，其中懲罰項(xiàng)恒大于當(dāng)設(shè)計(jì)點(diǎn)企圖從可行域內(nèi)部靠近邊晃時(shí)，施以懲罰，設(shè)計(jì)點(diǎn)越靠近邊界，懲罰項(xiàng)的值急劇增加，好象在邊界筑起一道“高墻”，保證設(shè)計(jì)點(diǎn)始終在可行域內(nèi)，并當(dāng)時(shí)，懲罰項(xiàng)趨近于零，罰函數(shù)的極值點(diǎn)逼近到原問(wèn)題的最優(yōu)解。內(nèi)點(diǎn)法的設(shè)計(jì)點(diǎn)均為可行點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可以從中選擇一可行方案。懲罰因子是一遞減的正數(shù)序列，即>>??????>??????>0 式(3-17)式(3-18)=C式(3-19)其中罰因子的縮減系數(shù)c<1，一般情況下可取初始罰因子=1，C=0.1~0.7.②內(nèi)點(diǎn)法的算法步驟：給定可行初始點(diǎn)，初始罰因子，縮減系數(shù)C和計(jì)算精度，令K=l；從出發(fā)求罰函數(shù)的極小值點(diǎn)min得，令=判定收斂性，如果，則轉(zhuǎn)（e）,否則轉(zhuǎn)（d）由=C，K=K+1,轉(zhuǎn)（b）輸出，3.4.2外點(diǎn)罰函數(shù)法外點(diǎn)法可以求解含有等式和不等式約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，定義外點(diǎn)罰函數(shù)為：式(3-20)其中F(x)為原目標(biāo)函數(shù)，第二項(xiàng)為懲罰項(xiàng)，為不等式約束，為等式約束，為外點(diǎn)罰因子。外點(diǎn)法把罰函數(shù)定義于可行域之外，通過(guò)求解一系列無(wú)約束子問(wèn)題，從可行域外來(lái)逼近原目標(biāo)函數(shù)的約束最優(yōu)解，當(dāng)設(shè)計(jì)點(diǎn)為內(nèi)點(diǎn)時(shí)，懲罰項(xiàng)為零，罰函數(shù)即為原目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)設(shè)計(jì)點(diǎn)為外點(diǎn)時(shí)，懲罰項(xiàng)大于零，隨著違背約束程度的增加，從而迫使設(shè)計(jì)點(diǎn)向可行域靠近。外點(diǎn)法對(duì)初始點(diǎn)的選擇無(wú)要求。外點(diǎn)罰因子為一遞增序列：<<??????<??????<0式(3-21)式(3-22)=C式(3-23)其中罰因子的縮減系數(shù)c>l，一般情況下可取c=0.1～0.7，隨著違背約束程度的增加，罰因子也增加。對(duì)違背約束點(diǎn)的懲罰增加，迫使設(shè)計(jì)點(diǎn)移向可行域，但因外點(diǎn)法是從可行域之外逼近原目標(biāo)函數(shù)的約束最優(yōu)解，所以外點(diǎn)法只能得到原目標(biāo)函數(shù)的一個(gè)近似最優(yōu)解。=CK=K+1開(kāi)始=CK=K+1開(kāi)始輸入K=1從出發(fā)求min得=輸出結(jié)束圖3.4內(nèi)點(diǎn)法的計(jì)算框圖=CK=K+1開(kāi)始=CK=K+1開(kāi)始輸入K=1從出發(fā)求min得=輸出結(jié)束圖3.5外點(diǎn)法的計(jì)算框圖3.4.3混合罰函數(shù)法混合罰函數(shù)法是吸收內(nèi)點(diǎn)法設(shè)計(jì)點(diǎn)均為內(nèi)點(diǎn)，而外點(diǎn)法可以處理等式約束的優(yōu)點(diǎn)，把二者相結(jié)合構(gòu)造出可以求解等式和不等式約束問(wèn)題的優(yōu)化方法，即對(duì)m個(gè)不等式約束用內(nèi)點(diǎn)法，對(duì)P個(gè)等式約束采用外點(diǎn)法來(lái)構(gòu)造混合罰函數(shù)如下：式(3-24)式中統(tǒng)一的罰因子為一遞減序列>>??????>??????>0式(3-25)式(3-26)=C（C<1）式(3-27)混合法的初始罰因子可參考內(nèi)點(diǎn)法選取，迭代的初始點(diǎn)應(yīng)為可行點(diǎn)，計(jì)算過(guò)程可參考內(nèi)點(diǎn)法。由于雙圓弧齒輪優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)既有連續(xù)變量又有離散變量的約束非線性混合變量?jī)?yōu)化問(wèn)題，應(yīng)采用混合罰函數(shù)進(jìn)行雙圓弧齒輪減速器齒輪參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。即首先視離散變量為連續(xù)變量，采用連續(xù)變量的優(yōu)化方法求優(yōu)，而后把求得的結(jié)果舍入到相近的可行離散點(diǎn)上，得到多個(gè)可行方案，并從中選優(yōu)作為最終結(jié)果。3.5優(yōu)化結(jié)果與應(yīng)用3.5.1優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化前主要參數(shù)見(jiàn)表3-2表3-2減速器優(yōu)化前的主要參數(shù)Bβ低速級(jí)19111918525°50’31”高速21’27”目標(biāo)函數(shù)：f(x)=0.2174優(yōu)化設(shè)計(jì)后的主要參數(shù)見(jiàn)表3-3表3-