11级游梁式抽油机优化设计作业

1、(1-4)优化设计作业要求每人按规定格式编写设计计算说明书 1份；计算说明书附运动分析计算程序和抽油机悬点位移、速度、加速度曲线（以光杆处在最低位置时作为计算位置的起始点）。、后置式游梁式抽油机几何尺寸参数计算1、几何关系A游梁前臂长度， C游梁后臂长度， P 连杆长度，m； R 曲柄半径，m； I游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离， H 游梁支承中心到减速器输出轴中心的垂直高度，m；m；m；K基杆长度，即游梁支承中心到减速器输出轴中心的距离，m；J 曲柄销中心到游梁支承中心之间的距离，m ;日曲柄转角，以曲柄半径 R处于12点钟位置 作为零度，曲柄顺时针方向旋转，rad;一一基杆K与垂

2、线的夹角，rad；P 游梁后臂C与连杆P的夹角，即传动角，rad；* 游梁后臂C与J的夹角，rad;P基杆K与J的夹角，rad；屮一一游梁后臂C与基杆K的夹角，rad,（等于/ _ p时）;屮max 当光杆位于上死点时，游梁后臂C与基杆K的夹角，rad；屮min 当光杆位于下死点时，游梁后臂C与基杆K的夹角，rad;正。a 连杆P与曲柄半径R的夹角，rad； 0 基杆K与曲柄半径R的夹角，rad； 一一游梁后臂与水平线的夹角，以水平位置作为零度，沿顺时针旋转为T 机构极位夹角。00 初始角，即上冲程起始点时刻（即光杆处在最低位置时）而曲柄对应 的转角。6i 游梁摆动角位移角计算设抽油机以顺时针

3、方向旋转，基杆夹角为(1-1)=a r ct（g）(1-2)3. P角计算(1-3)=K2 +R2 - 2KRcosS2 +P2 - J2、=arccos -2CP 丿4 .游梁摆角V计算7 =arccost22 P2、2CJ /(1-5)P = arcs i-ns ink(1-6)(1-7)5.扭矩因数TF计算(1-8)(1-9)(1-10)AR sin aTF =C sin P6.计算游梁摆角6i(1-11)7.计算冲程长度Si(1-12)8.Wmax=arccosS壬曲I2CK(1-13)Si =A6i游梁后臂C与基杆K的最小夹角屮min、最大夹角屮max2CK(1-14)9.最小传动角

4、Pmin、最大传动角Pmax屮=屮=arC2 + K27 PR)2minb 切 I(1-15)卩 max =arccof2 + P22pCK+R)2(1-16)Pmin =arcco(C2 + P；PCK-R)2I 2PC丿10.机构极位夹角T50TK2I 2(R+P)K11.上冲程起始点时刻曲柄初始角6-arcco/( P + R)2+K2-C2、2(P +R)K 丿(1-18)12.上、下时游梁前臂相对于水平线摆动角(1-19)&上=(屮 max +)y(1-20)由油机运动分析计算以光杆处在最低位置时作为计算位置的起始点。当游梁摆动角位移为5 max-屮时，悬点速度和加速度由以下公式计算

5、。(2-1)1.悬点速度计算Csi n式中： =30n为抽油机冲次，1/min。2.悬点加速度ARKa =CPR-si 用 co 選 siM sincoSsik(2-2)3.游梁摆动的角加速度A CPR-si n c o si n si n c o s si nkCs i n p(2-3)三、常规抽油机机构尺寸的优化设计1目标函数抽油机机构简图见左图，考虑以杆长为设计变量比较直观。输入初始点也比 较方便。当给定抽油机S，冲程S = A&max -屮min)%=arccosC2+K2T P + R 门2CK屮min -arccoSC2JA则 A= maxmin设计变量选用四连杆几何尺寸和定位尺寸

6、C，P, R， I， H，即X =Xi，X2，X3，X4，X5t =C,P,R, I ,Ht目标函数分别如下。(1)上冲程最大扭矩因数TFmax最小在载荷与平衡扭矩确定的情况下，为追求TFmax极小化，一般认为可降低减速 器峰值扭矩Mnmax，减小扭矩的波动，因而可以减小均方根扭矩M。与电动机功率。在进行TFmax极小化中，采用目标函数异 AR si ndTF =C cos P仅代表连杆机构的运动学参数，而没有反映出抽油机的扭矩特性。(2)上冲程悬点最大加速度amax最小max追求加速度极小化，理论上可减小最大悬点动载荷 ，控制减速器峰值扭矩,但它与扭矩因数一样，只是运动指标。其目标函数为AR

7、K（兀 N /30）2RCPsin3p -cosin3sinSdSin“ cosine .1802约束条件约束条件是对设计变量取的限制条件，约束条件有:（1）曲柄存在条件（非线性不等式约束）：P +C-R-K：0，并规定P、C、R、K取值范围保证K为最长杆，R为最短杆。外现有机型，当冲程4.2 S时，各杆长之比取值范围:K = Ji 2 +h2O.2R/K 0.35, 0.7P/K0.85, 0.4C/K0.7, 1A/C0180，下冲程曲柄转角为180 7 。控制极位夹角T可以控制上下冲程运动时间。即0o T4o0 arccos7p + R)2 +k2 -C2 2(R + P)K 丿f(P-

8、R)2 +K2-c2f-arccoS -2(P-R)K4兀（3）游梁摆角限制（非线性不等式约束）44屮 V 58o。2 2 2 2 2 240 兀C2+K2- (P +R)2C2+K2- (P-R)2 arccos-arccos1802CK2CK180 (3-4)（4）初始角限制（非线性不等式约束）O0 日0 4。ow护空min 180p 145(3-6)(3-7)-max （6）游梁前臂相对于水平线摆动角限制（非线性不等式约束）0(%+%)-2 180(3-8)(3-9)（7）基杆倾角的限制（非线性不等式约束）180 180四、异相曲柄平衡抽油机机构尺寸的优化设计1目标函数抽油机机构简图见左

9、图，考虑以杆长为设计变量比较直观。输入初始点也比 较方便。当给定抽油机S，冲程S = A牡max -屮min)2CK%=arccosC2+K2TP + R 门rccosCK2CK则 A= Timaxmin设计变量选用四连杆几何尺寸和定位尺寸C，P, R， I， H，即X =Xi，X2，X3，X4，X5t =C,P,R, I ,Ht目标函数分别如下。w（1） 上冲程最大扭矩因数TFmax最小w在载荷与平衡扭矩确定的情况下，为追求TFmax极小化，一般认为可降低减速 器峰值扭矩Mnmax，减小扭矩的波动，因而可以减小均方根扭矩Me与电动机功率。W在进行TFmax极小化中，采用目标函数札 ARsin

10、：C cos P仅代表连杆机构的运动学参数，而没有反映出抽油机的扭矩特性。(2)上冲程悬点最大加速度amax最小max追求加速度极小化，理论上可减小最大悬点动载荷 ，控制减速器峰值扭矩,但它与扭矩因数一样，只是运动指标。其目标函数为2Ra = cosa sin P sin屮+ sina cosP sin但-W).CPsin 3PCARK(兀 N /30)3. 2约束条件约束条件是对设计变量取的限制条件，约束条件有:(1)曲柄存在条件(非线性不等式约束)：P +C-R-K：0，并规定P、C、R、K取值范围保证K为最长杆，R为最短杆。参考国内外现有机型，当冲程4.2mWS时，各杆长之比取值范围:K

11、 = Ji 2 + H20.2R/K 0.35, 0.7P/K0.85, 0.4C/K0.7, 1A/C0(2)极位夹角限制(非线性不等式约束)(3-1) (3-2):上冲程曲柄转角为1801，下冲程曲柄转角为180。7。控制极位夹角T可以控制上下冲程运动时间。即兰arccoj(P+Rr+KCl18012(R+ P)K 丿-arcco/( P-RK C2V 2(P-R)K(3)游梁摆角限制(非线性不等式约束)44 也屮 58。2 2 2 2 2 240 兀C +K -(P+R)C +K -(P-R) arccos -arccos1802CK2CK需(3-4)(4)初始角限制：8 8。13。兰-

12、arcco/( P + R)2+K2-C2兰空180i 2(P +R)K180(3-5)(5)最小传动角Pmin、最大传动角Pmax限制(非线性不等式约束)45；!L min 180max 一 180(6)游梁前臂相对于水平线摆动角限制(非线性不等式约束)(3-6)(3-7)_(屮 + 屮.)-26 180 ( max min) 180(7)基杆倾角的限制(非线性不等式约束)空空180 180(3-8)(3-9)、前置式游梁式抽油机几何尺寸参数计算11214(眉ft:J6.小二a,誉_!莫.1C.用華霞晞、-:/冷#电i；：叮114 .TJ-I1516曲朋ter气平衡式前置抽油机具有节但是其失

13、载的危险性也令人前置式游梁抽油机分为机械平衡和气平衡两种， 能效果好，重量轻，平衡效果好而受到用户的好评， 担扰。机械平衡前置式抽油机具有运转平稳，可靠性高等特点。前置式抽油机的机构运动简图如图1所示，各符号的意义如图中定义。5HfelG7tZ图1前置式抽油机的机构简图图中A 游梁前臂长;C游梁后臂长；连杆长度；曲柄半径；游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离；H游梁支承中心到底座底部的高度；减速器输出轴中心到底座底部的高度；即游梁支承中心到减速器输出轴中心的距离；曲柄销中心到游梁支承中心之间的距离,mm0 曲柄转角，以曲柄半径R处于6点钟位置作为零度，沿曲柄旋 转方向度量，曲柄逆时针方向旋

14、转；一零度线与K的夹角，由零度线到K沿曲柄旋转方向度量；P C与P的夹角，称传动角；书C与K的夹角；书b光杆在最低位置时的书角；书t光杆在最高位置时的 书角；a P与R的夹角。6二屮一屮min(1-10)首先参照标准和样本初步游梁的前臂长、后臂长、 高G游梁摆动中心到曲柄旋转中心的游梁摆动中心高H、曲柄旋转中心伯.J I护=兀+ tan (H -G)(1-1)J = Jr2 十 K2 2KRcos 一半)f 1L 2PCcos 屮 2+c2k2 r2+2KRco迥L2PC(1-2)3.计算游梁摆角屮P Jsin Xsin P7 =sinffsin p(1-3)R sin Psin(0 叭P=

15、si n 普sin(日申)(1-4)(1-5)(1-6)(1-7)5.游梁后臂C与基杆K的最小夹角屮min、最大夹角屮max屮maxrccosF+K2T P + R门2CK屮 m,n =arccosF+K2-(P-Rn2CK(1-9)(1-10)4.计算扭矩因数TFa = r* -0) - p -屮】TL AR sin aTF 丁而6.计算游梁摆角30(2-2)7.计算冲程长度(1-11)9 .最小传动角Pmin、最大传动角Pmax(1-12)爲 “rcco/C +K 一(PR)、I2KC丿臨 PccoJcFP+R)2-kT2(P + R)C(1-13)10.机构极位夹角T(P -R)2 +k

16、2 -C2、-arcco/( P + R)2+K2-c2)12( P- R)K丿12(P + R)K丿(1-14)11.上冲程起始点时刻曲柄初始角 日0+ arcs inP-IK丿(1-15)12.上、下时游梁前臂相对于水平线摆动角耳亠-arcsipKrccoJCm2IK 丿I2CK(1-19)6 arcco/CK(R)22CK+ arcs inP- 丿IK丿2(1-20)、运动计算1.计算悬点的速度Va(2-1)悬点速度为:Va =A 只 gndC sin P2.计算悬点的加速度aA悬点加速度为:(2-3)AR国2RaClsicosi-csicosin)、前置式油机机构尺寸的优化设计1目标函

17、数抽油机机构简图见左图，考虑以杆长为设计变量比较直观。当给定抽油机S，冲程S = A梓max -屮min)2CK%=arccosC2+K27 P + RH% =arccosC2+K2-町 1t 2CK则 A = max min设计变量选用四连杆几何尺寸和定位尺寸C，P, R， K， I，即 X1, X2 , X3 , X4 , X5 C , P, R, K , 1 目标函数分别如下。(1) 上冲程最大扭矩因数TFmax最小在载荷与平衡扭矩确定的情况下，为追求TFmax极小化，一般认为可降低减速器峰值扭矩Mnmax,减小扭矩的波动，因而可以减小均方根扭矩M。与电动机功率。 一 I一在进行TFma

18、x极小化中，米用目标函数h AR sin aTF =nC sin P仅代表连杆机构的运动学参数，而没有反映出抽油机的扭矩特性。(2)上冲程悬点最大加速度amax最小追求加速度极小化，理论上可减小最大悬点动载荷 ，控制减速器峰值扭矩,但它与扭矩因数一样，只是运动指标。其目标函数为T嘩RK产 W（ 3-13）a = ar；Tjn p co泊 gin Z - sina cosP sin（8 ）1.Csin3珂C3. 2约束条件（1）曲柄存在条件（线性不等式约束）：c、R、K取值范围保证K为最长杆，1R-P 0（3-1）R-C 0（3-2）R-K 0（3-3）C K C 0（3-4）P K 0（3-5

19、）R + K -P -C 0（3-6）设计变量上下限0.5 R 2.5（3-7）2.5 P 6（3-8）5 C 9.5（3-9）3 1 7.5（3-10）5 K 0，并规定（3）上冲程初始角00取值范围（非线性不等式约束）-空凯一 arccoJ：1800V/ 2 2 2 、（P-R）2 +k2 -C2 12（P - R）K 丿（I、+ arcs in 0IK丿（3-12）（4）极位夹角限制（非线性不等式约束）：上冲程曲柄转角为180卄，下冲程曲柄转角为180 -T。控制极位夹角T可以控制上下冲程运动时间。即兰 “arccof P R）2+K2-cT180I 2（P-R）K 丿10兀（5）游梁摆

20、角限制（非线性不等式约束）：28 心屮35o。空兰 arccos4K2CK1805 +RflarccosF+K2“ 卩-只门2CK180(3-14)最小传动角%、最大传动角Pmax限制（非线性不等式约束）PminJC2 +(P + R)=arccos-K2(P +R)2*1 45；!(3-15)Pmax =arccoSfc2 +k2 -(P-R)2 ,135兀 III 2KC丿 180(3-16)游梁前臂相对于水平线摆动角限制（非线性不等式约束）6下 J -arccos、2IK丿-arccosQ+K2 (卩一 R)I 2CK上(C2 +k2-(P + R)0上=arccoS2CK2L 2丿 +

21、 arcco(wj 215兀5上兰180(3-17)180(3-18)(8)基杆倾角的限制（非线性不等式约束）空 4arccos4h180iK 丿 18045兀(3-19)曲柄最大回转半径边缘到光杆垂线的距离限制（非线性不等式约束）1.0 A I -R(3-20)计算结果输出要求dis P fprin tf(1,fprin tf(1,*XX抽油机杆件尺寸按上冲程最大XXX优化的最优解 曲柄半径R=%fn,R）连杆长度P=%fn,P）fprin tf(1.游梁长度C=%fn,C)fprin tf(1,前臂长度A=%fn,A)fprin tf(1,基杆长度K=%fn,K)fprin tf(1,基杆

22、水平投影长度l=%fn,I)fprin tf(1,基杆长度垂直投影长度HG=%fn,HG)fprin tf(1,抽油机冲程%fn,S)fprin tf(1,目标函数最优值%fn,fval)fprin tf(1,极位夹角%fn,(180/pi )*tao)fprin tf(1,上冲程初始角%fn,(180/pi )*THTA0)fprin tf(1,最小传动角%fn,(180/pi )*BETA_mi n)fprin tf(1,最大传动角%fn,(180/pi)*BETA_max)fprin tf(1,游梁摆角%fn,(180/pi)*KoSai)fprin tf(1,游梁相对于水平线摆上摆角%

23、fn,(180/pi )*data_u p)fprin tf(1,游梁相对于水平线摆下摆角%fn,(180/pi)*data_dow n)fprin tf(1,基杆倾角%fn,(180/pi)*FI)NO : 1已知后置式抽油机的冲次n=6min，游梁前臂A = 2.5m，游梁支点与曲轴中心之间的水平距离I = 2.422m，垂直距离H =2.4m ,曲柄长度R = 0.61m、连杆P = 2.368m，后臂C = 2.455m。（最小传动角min 36 :极位夹角9 =12，冲程S=1.5mo ） 0（ 1）试绘制悬点的位移、速度、加速度曲线；（2）试计算抽油机冲 程、极位夹角、上冲程初始角

24、、最小传动角、最大传动角、游梁摆角、游梁相对 于水平线摆上摆角、游梁相对于水平线摆下摆角、基杆倾角。NO : 1冲程S=3.0m，冲次n=9r/min的常规式抽油机机构尺寸优化以抽油机上冲程最大加速度最小为目标函数NO: 2已知后置式抽油机的冲次n =5/min，游梁前臂A = 5.88m，游梁支点与曲轴中心之间的水平距离丨=3.87m，垂直距离H =4.684m，曲柄半径、连杆P=4.72m，后臂C = 3.98m。（ 1）试绘制悬点的位移、速度、加速度曲线；（2）试计算抽油机冲程、极位夹角、上冲程初始角、最小传动角、最大传动角、游梁 摆角、游梁相对于水平线摆上摆角、游梁相对于水平线摆下摆角

25、、基杆倾角。NO : 2冲程S=3.2m,冲次n=8r/min的常规式抽油机机构尺寸优化以抽油机上冲程最大扭矩因素最小为目标函数NO: 3已知后置式抽油机的冲次n =8/min，游梁前臂A = 3.0m，游梁支点与曲轴中心 之间的水平距离I =2.3m，垂直距离H =3.27m ,，曲柄半径R = 1.15m、连杆 P = 3.35m，后臂C =2.4m。（ 1）试绘制悬点的位移、速度、加速度曲线；（2）试计算抽油机冲程、极位夹角、上冲程初始角、最小传动角、最大传动角、游梁 摆角、游梁相对于水平线摆上摆角、游梁相对于水平线摆下摆角、基杆倾角。NO : 3冲程S=3.6m，冲次n=8r/min的

26、常规式抽油机机构尺寸优化以抽油机上冲程最大加速度最小为目标函数NO : 4已知后置式抽油机的冲次n =8/min，游梁前臂A=4.3m，游梁支点与曲轴中心 之间的水平距离I =3.29m，垂直距离H =3.77m ,，曲柄半径R = 1.06m、连杆P = 3.85m，后臂C =2.42m。（ 1）试绘制悬点的位移、速度、加速度曲线；（2） 试计算抽油机冲程、极位夹角、上冲程初始角、最小传动角、最大传动角、游梁 摆角、游梁相对于水平线摆上摆角、游梁相对于水平线摆下摆角、基杆倾角。NO : 4冲程S=3.8m，冲次n=6r/min的异相曲柄抽油机机构尺寸优化以抽油机上冲程最大加速度最小为目标函数

27、NO : 5已知后置式抽油机的冲次n =8/min，游梁前臂A = 4.36m,游梁支点与曲轴中心 之间的水平距离I =3.4m,垂直距离H = 3.55m ,曲柄半径 R=1.12m、连杆P =3.8m ,后臂C =2.5m。（ 1）试绘制悬点的位移、速度、加速度曲线；（2）试 计算抽油机冲程、极位夹角、上冲程初始角、最小传动角、最大传动角、游梁摆 角、游梁相对于水平线摆上摆角、游梁相对于水平线摆下摆角、基杆倾角。NO : 5冲程S=4.0m，冲次n=6r/min的异相曲柄抽油机机构尺寸优化以抽油机上冲程最大扭矩因素最小为目标函数NO : 6已知后置式抽油机的冲次n =8/min，游梁前臂A

28、 = 5.18m，游梁支点与曲轴中心 之间的水平距离I =4.013m，垂直距离H = 4.025m ,曲柄半径R=1.23m、连杆 P =4.195m,后臂C =3.156m。（ 1）试绘制悬点的位移、速度、加速度曲线；（2） 试计算抽油机冲程、极位夹角、上冲程初始角、最小传动角、最大传动角、游梁 摆角、游梁相对于水平线摆上摆角、游梁相对于水平线摆下摆角、基杆倾角。NO : 6冲程S=4.2m,冲次n=6r/min的异相曲柄抽油机机构尺寸优化以抽油机上冲程最大加速度最小为目标函数NO : 7已知后置式抽油机的冲次n =8/min ,游梁前臂A = 5.88m ,游梁支点与曲轴中心 之间的水平距离I = 3.949m，垂直距离H = 3.92m ,曲柄半径R = 1.16m、连杆 P =4.01m ,后臂C=3.09m。（ 1）试绘制悬点的位移、速度、加速度曲线；（2） 试计算抽