基于MATLAB软件的气动绞车动力匹配优化.pdf

2 0 1 4年 第 4 3卷 第 4期第 4 8页 石油 矿 场机 械 oI L F I E LD EQUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 4 0 4 0 0 4 8 0 4 基于 MAT L A B软件的气动绞车动力匹配优化 曾 鸣 ， 王葆葆 ， 王晓华 ， 王文 明 ， 张仕 民 中国石 油大学 北京机械与储运工程学 院， 北 京 1 0 2 2 4 9 摘要 研 究气动绞车的动力 系统合理匹配可在保持绞车动力性能的前提下降低气动马达耗 气量， 提 高绞 车经济性 能 。 为 J QH一 1 0 2 4型 气 动 绞 车 选取 不 同型 号 的 气 动 马 达 ， 建 立 优 化 模 型 。利 用 MATL AB优 化 工具箱 F mi n c o n函数 优化 该数 学模 型 。对 比分 析优 化 结 果 ， 得 出气动 绞 车 最优 匹 配方案 。 匹配结 果满足 绞车动 力性 能 ， 且 能够取 得较 高的经济性 能 。 关 键词 绞 车 ； 气动 系统 ； 优化设 计 中图分 类号 T E 9 文献标 识码 A Re s e a r c h o n M a t c h i n g f o r Po we r S y s t e m o f Ai r W i nc h Ba s e d O i l M ATLAB Op t i m i z a t i o n To o l b o x ZENG M i n g， W ANG Ba o b a o， W ANG Xi a o hua， W ANG W e n mi n g， ZH ANG Shi mi n Co l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d Tr 。 0 r ￡ n f 0 En g i n e e r i n g， C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th e r e a s o ne d m a t c h i ng o f po we r s y s t e m o f a i r wi nc h c a n r e du c e a i r c o ns umpt i o n whi l e ke e p po we r pe r f or ma n c e a n d i n c r e a s e e c o no mi c a l p e r f o r ma nc e ．Di f f e r e n t a i r m o t o r s a r e s e l e c t e d f o r J QH- 1 02 4， a n d o p t i mi z a t i o n mo d e l i S e s t a b l i s h e d ． MATI AB o p t i mi z a t i o n t o o l b o x Fmi n c o n i s us e d t o op t i mi z e t h e ma t he ma t i c a l mod e 1 ．The a n a l y s i s c o m p a r i s on r e s ul t wa s ob t a i n e d whi c h f i nd t h e b e s t o pt i m i z e d p r og r a m ， whi c h me e t dy na m i c pe r f o r m a nc e c ompl e t e l y a nd i mpr o v e e c o no mi c pe r f o r ma nc e a s we l 1 ． Ke y wo r ds wi n c h； pn e uma t i c s ys t e m ； o pt i m i z a t i o n de s i gn 气动绞车作为石油机械 的主要部件 ， 其性能关 系 到整个 石油机 械 系统 的正 常运 转口 ] 。随着 气 动绞 车 制造技 术 的不断 提 高 、 加 工材 料 的不 断改 进 以及 电子控制 技术 的不 断发展 ， 绞 车在动力 、 节 能和 安全 性等方面取得 了很大的进步__ 2 ] 。但是 ， 国内气动绞 车设 计 大多停 留在 传 统 的设 计 理 念 上 ， 存 在 动 力 系 统 匹配不 合理 现象 ， 从而 导致 绞车动力 性 能不达 标 、 耗气量太大、 使用寿命低等 问题。多数产品已经适 应 不 了专业 化 生 产 和快 速 反 应市 场 的形 势 。因 此 ， 研究气动绞车的动力匹配具有现实意义。 本文首先针对气动绞车的动力性能及经济性能 进行了分析， 通过编程拟合得到气动马达万有特性 曲线 ] ， 并借助该 曲线实现了气动绞车动力源的初 步 选 型 。 在 此 基 础 上 ， 以 MAT L AB 优 化 函 数 F mi n c o n为工 具 ， 以经济 性 耗 气率 最小 为 目标 ， 设 定约 束条 件， 建 立优 化模 型 ， 最 终得 出最 佳 匹 配 方 案 。 1 气动绞 车性能分析与马达选型 1 ． 1 动 力性 能分析 气 动 绞车 的 主要 功 能为 提 拉 重物 ， 动 力 性 能指 标为气动绞车的提升力 F和提升速度 。动力性能 确定 时 ， 可得 到绞 车 的额 定 功率 P 一F ， 气 动 马 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 - 1 2 作者简介 曾 鸣 1 9 5 6 一 ， 男 ， 重庆人 ， 副教授 ， 硕 士生导师 ， 博士 ， 1 9 9 4年毕业于中国矿业 大学 ， 主要从事 清管技术及 管道 内检测方面的研究工作 ， E ma i l mz e n g c u p ． e d u ． c n 。 石油 矿场 机械 2 O l 4年 4月 3 2 ； 一1 0 z 1 z 2 0 ． 0 2 z 3 2 ． 3约束条 件 1 边界约束条件 分析图 1可知， 气动马达的转速应限制在最小 极限转速与最大极限转速之间 ， 且所有转速 n和转 矩 N 应 在外特 性 曲线 以内取得 。 2 0 0 ≤ 2 ≤ 1 2 0 0 4 z 2 ≤ 一0 ． 0 5 9 z1 1 2 6 5 2 经济性约束条件 按照现行行业标准规定 ， 气动绞车耗气率不得 超过 8 0 ． 4 即 B P ≤8 O ． 4 i n 。 ／ c h k W ， 由式 3 可得 耗气率应满足 B e 2 4 6 0 ． 2 z l 一2 ． 7 z 2 1 0 z i 一 1 0 一 1 2 0 ． 0 2 z ； ≤ 8 0 ． 4 6 3 传动比范围约束条件 由 1 1节分析可知 ， 传动 I L 一 ， 且 N F Rr 一1 0 5 0 Nr n 其中， 卷筒半径 R 0 ． 1 m， 钢 丝绳 半径 r 一0 ． 0 0 5 m， 该绞 车额定 提升 力 F一 1 0 0 0 0 N ； 该型绞车传动系统采用的是二级齿轮传 动 ， 查 阅文献嘲可知 ， 传动效率 7 ≈0 ． 8 7 6 4 ， 传动 比 8 ≤ ≤ 4 0 。综 上可 得 2 9 ． 9 5 ≤z2 ≤1 4 9 ． 7 6 7 4 气动马达进气压力约束条件 按照 现 行 行 业 标 准 规 定 ， 气 马 达 进 气 压 力 为 0 ． 4 1 4 ≤ ≤ 0 ． 6 9 MP a 6 O ≤ P ≤ 1 0 0 p s i ， 且 由 文 献r 7 可知 。 一 2 0 8 其中 N。 i 、 N 。 分别 为气动 马达在进气 压力 分别 0 ． 6 2 MP a 9 0 p s i 、 0 ． 4 8 MP a 7 0 p s i 下的转 矩 ， 由图 1万有 特性 曲线可 得式 9 ～ 1 0 。 N 9 。 。 ． 一 3 ． 2 1 0 一 1 ．9X 1 0 一 -z 4 ． 3 1 0 一 } 一4 ． 3 1 0 0 ． 0 0 5 7 z 2 5 ． 3 3 9 N7 o 。 。 一3 ． 8 1 O z i 一4 ． 1 1 0 一 lz { 1 3 ． 3 1 0 一 。 ．2 7 } 一1 ． 8 1 0 2 12 一0 ． 0 0 1 3 Xzl 2 0 ． 0 6 1 0 将式 9 ～ 1 0 代人式 8 ， 整理即可得气动马 达进气压力约束条件 。 5 气动马达输出转速约束条件 在进气压力一定的情况下， 气动马达输 出功率 与 转速之 间呈 倒置 抛 物 线关 系 ， 且 抛 物 线顶 点 处 所 对应功率 即是额定功率 ， 对应转速为额 定转速 ” 。 实验证明 ， 气动马达在小于额定转速条件工作能够 使得耗气 率 更低 ， 故令 0 ． 2 n ≤ ≤ n ， 即可 得式 1 1 。 0 ． 2 ≤ ≤ 1 “ 其 中， 一 定 进 气 压 力 P下 的额 定 转 速 7 ／ 一 。 9 ， 一 9 j 一 7 0 p 剐 ／ 2 o 9 0 一 P ， 式 中 n 。 9 『J j】⋯ 为 气动 马达 在进气 压 力为 0 ． 6 2 MP a 9 0 p s i 、 0 ． 4 8 MP a 7 0 p s i 时的额 定转 速 ， 且 为 已知 ] ， 结合 式 8 即可得气动马达输 出转速约束条件 。 6 功率约束条件 在 气动绞车的提升力及提升速度确定的情况 下， 可 由绞车的额定功率确定气动马达的输 出功率 P 一 N／ 9 5 5 0P ／ 叼 一4 ． 5 6 4 k W ， 整 理得 式 1 2 即为功率约束条件 。 z l z 2 ／ 9 5 5 O 一4 ． 5 6 4 0 1 2 3基于 MA T L A B优化工具箱的模 型优化 3 ． 1 MA T L A B优 化工 具箱 F mi n c o n函数 由第 2节所建立的优化数学模型可知， 该模型 属于约束非线性最优化模型 ， 而 F mi n c o n函数是用 于求 解多 变 量 有 约 束 非 线 性 问 题 最 小 化 的 MAT L A B工具箱 函数 [ 1 “ ] ， 其数 学模 型为 Mi n f C z ≤ 0 Ce q c 0 A ≤ 6 Ae q b e q Z 6 ≤z≤u b 式中 c z 、 C e q z 是返 回的函数向量， _厂 z 为 目 标函数， 厂 z ， c ， C z 均可为非线性 函数n 。 F mi n c o n函数 调用 的标准 形式 为 [ z ， f v a l ， e 3 c i t f l a g ] 一／ ’mi n c o n f ． n ， c O ， A， b ， Ae q， b e q， l b， u b， n o nl c o l ， o pt i o n s 式中 z 0是初 值， A， b为线性 不等式 约束 ， Ae q ， b e q 为线性等式约束 ， ￡ 6为下边界， “ 6为上边界 ， n o [ c o n 为非线性约束条件 ， o p o t i o n s 其他参数 。 3 ． 2 模 型优化 结果及 分析 由所建模 型可确定 设计 变量 及 目标 函数 ， 式 4 ～ 1 1 即为优化所需非线性不等式约束条件 ， 式 1 2 为非线性等式约束 ， 初始点取 c O E 8 5 o ， 4 5 ] ， 令线性不等式约束 Af - o ． 0 5 8 3 ， 1 ] ， b 一[ 1 2 6 ] ， 线 性等式约束 Ae q [ ] ， g 一口， 上下边界为 l b E z o o ， 2 9 ． 9 5 ] ， u b 一[ 1 2 0 0 ， 1 4 9 ． 7 6 ] 。按照第 3 ． 1节 中所 第 4 3卷第 4 期 曾 呜 ， 等 基于 MA TL A B软件 的气动 绞车动力匹配优化 述 调 用格 式 编程并 运算 ， 即可得 本模 型优 化结 果 。 经 优 化 ， 可 得 最 优 解 X 一 { 57 49 ．4 8． 55 90 56 ／J _． f 7 951 { } ， F X 一3 8 ． 1 2 m。 ／ k W h 。 l 5 5 J 由程序 运行 结 果 可 知 ， 为 J QH一 1 O 2 4型 绞 车 匹配 I型 气 动马 达 时， 保 持 马 达转 速 稳定 在 7 9 5 r ／ mi n ， 转矩 为 5 5 N m 时 ， 该 绞 车既 能满 足 动力 性 能 要求 ， 又 可使 马达 耗气 量最 小 。 由式 8 可计 算 出该 工 况 下 的气 动 马达 进 气 压 ， 力 P一0 ． 5 4 MP a 7 7 ． 6 7 p s i ； 由 N一 可 得 到 重 t l 、L 新匹配优化后绞车的传动 比i ≈2 2 。 由第 1 ． 3可 知 ， 经 过 初 步筛 选 可知 I型 和 Ⅱ型 2种型号的气动马达符合要求 。现将 Ⅱ型气动马达 与 J QH一 1 O 2 4型绞 车进行 匹配 ， 并使 用相同的优 化 方法 对 该 模 型 进 行 优 化 ， 可 得 优 化 结 果 如 表 1 所 示 。 表 1 气 动马达匹配结果对 比数据 由表 2知 ， 为 J QH一 1 0 2 4型 绞 车初 选 的 2种 不同型号气动马达 ， 虽然都能达到其动力性的要求 ， 但 Ⅱ型气 动 马达 需要 消耗 较 多 压 缩 气 体 ， 且 需 要 较 大进 气 压力 。相 比之 下 ， 为 J QH 1 0 2 4型 绞 车 匹 配 I型气 动 马达 既能 够 满 足 绞 车 动 力性 能 ， 也 能 够 获得 较大 的经 济 性 能 。而 且 ， 马达 所 需 进 气 压 力 较 低 ， 能够最 大 限度地 延 长气动 马 达 的使 用 寿命 。 4 结论 1 针对国内气动绞车在使用过程中存在的经 济性 差 、 使 用 寿命 短 等 问题 ， 以 国 内普遍 应 用 的 J QH一 1 O 2 4型气动绞车为例 ， 建立 了优 化数学模 型 ， 利 用 MAT L AB优 化 工 具 箱 编 程 实 现 了对 该 模 型 的优 化 。进行 了动 力 系 统 的重 新 匹配 ， 得 到 了动 力源的重新匹配及传动 比的优化结果。 2 匹配结 果不 仅 能够 满足该 型气 动 绞车 动力 性能， 还极大地降低 了耗气率 ， 提 高了其经济性能。 选择了合理 的进气压力 ， 避免 了高进气压力所造成 的马达损 伤， 延长 了气动 马达 的维护 周 期和 使用 寿命 。 3 本文尚存在不完善之处。由于影Ⅱ 向 绞车性 能的因素还有很多， 使用工况复杂 ， 模 型中还采用 了 一 些理想化状态 ， 同时忽略了一些可能对气动绞车 性能造成影响的次要参数 ， 需要进一步通过试验对 比分 析 匹配优 化前 后结 果 ， 对模 型进 一步 完善 。 4 可以将匹配的方法进行系统化 、 模 块化设 计， 形成匹配系统及简易界面， 为今后气动绞车的设 计及优化工作提供更方便的平台。 参 考 文 献 [ 1 ] 戴相富． 石油系列绞车模块 化设计 与仿真研究 [ D] ． 东 营 中国石 油大学 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 朱资． 煤 矿 提 升绞 车 设 计 与优 化 [ D] ． 湖 南 湖 南 大 学 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 申爱玲． C A7 2 0 4 MT汽车动力传 动系统参 数优化 匹配 [ D ] ． 长 沙 中南大学 ， 2 0 1 0 ． [ 4 ] J B ／ T 9 0 0 6 ． 1 一l 9 9 9 ， 起重 机用 铸造 卷简 直径 和槽 形 I s ] ． [ 5 ] 刘军 营 ， 贺利 乐 ， 凌智 勇． 液压与 气压传 动 l- M] ． 西安 西安电子科技大学 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] J B ／ T 2 5 O 0 1 9 9 7 ， 气动绞车I s ] ． [ 7 ] I n g e r s o l l R a n d ． I n g e r s o l l Ra n d A i r Mo t o r s [ E B ／ OL ] ． [ 2 0 1 3 1 0 0 1 ] ．h t t p ／ ／ ww w． i n g e r s 0 l l r a n d p r o d u c t s ． c o m／ a i r mo t o r s ／ I ND- 0 3 0 5 - 0 6 3 I n d Ai r Mo t o r s ． p d f ． [ 8 ] 曾鸣 ， 王葆葆 ， 张仕 民， 等． 基 于 MAT I A B的气 动马 达 万有 特性 曲线绘制方法研究[ J ] ． 石油矿场机 械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 I 2 2 i - 2 5 ． [ 9 ] 王文斌． 机械设 计手册 [ K] ． 3版． 北 京 机 械工业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 1 O ] 王二化 ， 张 光伟． 基于 MAT I A B优 化工具箱 的行 星 轮 系参数 优化设计 [ J ] ． 石油 矿场机 械． 2 0 0 7 ， 3 6 2 35 36 ． [ 1 1 ] 任 涛． 基 于 MA TL A B优化工具箱算法 的抽 油机优化 设计 [ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 4 5 3 5 6 ． [ 1 2 ] 李万祥． 工程优化设 计 与 MAT L A B实现[ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 1 0 ．