占自濤，沙永柏，王清巖，樸沖，劉曉利

（1.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130025；2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130026）

新型鐵鉆工鉸接臂鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化

占自濤1，沙永柏1，王清巖2，樸沖1，劉曉利1

（1.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130025；2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130026）

鑒于鐵鉆工鉸接臂鉸點(diǎn)的位置直接影響伸展與升降油缸的最大工作壓力與油壓穩(wěn)定性，在分析鐵鉆工鉸接臂運(yùn)動特性的基礎(chǔ)上，以降低最大工作壓力與提高壓力穩(wěn)定性為目標(biāo)，采用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法建立針對鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化模型。采用遺傳基因算法，利用Matlab優(yōu)化工具箱，優(yōu)化鉸點(diǎn)位置。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，借助Adams軟件建立鉸接臂動力學(xué)模型，比較優(yōu)化前后伸展與升降油缸油壓的變化情況。仿真結(jié)果表明：優(yōu)化后的鉸點(diǎn)位置大大提高鉸接臂工作性能。

鐵鉆工；鉸接臂；鉸點(diǎn)位置優(yōu)化；最大工作壓力；油壓穩(wěn)定性；遺傳基因算法；動力學(xué)分析

鐵鉆工是一種多功能、安全高效的鉆具旋扣設(shè)備，主要完成鉆井作業(yè)中上卸鉆桿接頭絲扣、正常鉆進(jìn)時卸方鉆桿接頭、上卸鉆挺、甩鉆桿、活動井下工具等工作。開展針對鐵鉆工的研發(fā)，推廣現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理論方法，對加快推進(jìn)我國石油機(jī)械的現(xiàn)代化與自動化，有重要意義。在借鑒國內(nèi)外對鐵鉆工研究設(shè)計(jì)有益經(jīng)驗(yàn)［1?3］的基礎(chǔ)上，吉林大學(xué)深部探測裝備研制課題組開展了對鐵鉆工的研發(fā)，取得了一系列的成果［4?5］。

鐵鉆工鉸接臂主要連接支撐總成與鉗體［6］，實(shí)現(xiàn)帶動鉗體快速、平穩(wěn)的對準(zhǔn)鉆桿接頭處的作用。鉸接臂是鐵鉆工的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)水平直接影響鐵鉆工工作性能。鉸接臂鉸點(diǎn)位置的確定與伸伸展與升降油缸的最大工作壓力與壓力穩(wěn)定性直接相關(guān)，進(jìn)而決定鐵鉆工整機(jī)的工作效率與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。因此，針對鉸接臂鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化，在鐵鉆工的研發(fā)過程越來越受到重視。

傳統(tǒng)上，對鐵鉆工鉸接臂的設(shè)計(jì)與優(yōu)化均以圖解法為主。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法的普及，特別是遺傳算法、正交設(shè)計(jì)，蟻群算法等智能算法的出現(xiàn)，為機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)優(yōu)化提供了新的手段。

本文在對鉸接臂進(jìn)行運(yùn)動與受力分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論，建立對鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化模型，并利用Matlab遺傳算法優(yōu)化工具箱對鉸接臂鉸點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，建立動力學(xué)模型驗(yàn)證優(yōu)化效果。

1 鉸接臂運(yùn)動與受力分析

圖1為新型鐵鉆工數(shù)字樣機(jī)三維模型圖。鉸接臂主要由伸展油缸、升降油缸、上連桿、下連桿、支撐桿、上滑車、下滑車等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、工作平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。參照圖2，以伸展運(yùn)動為例分析，∠FCD為驅(qū)動變量，伸展油缸4行程變化，油缸8行程保持不變，整體機(jī)構(gòu)變?yōu)閱巫杂啥葐栴}。

圖1 SP?I?04鐵鉆工數(shù)字樣機(jī)圖Fig.1 The digital prototype of the SP?I?04?type iron roughneck

圖2 鐵鉆工鉸接臂結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 The structure diagram of articulated boom

根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系

對A、C點(diǎn)分別取矩，則有

由于連桿質(zhì)量相對于油缸作用力以及E、F、M、N點(diǎn)的受力很小，此處忽略不計(jì)連桿重力。

伸展油缸對A點(diǎn)的作用力臂

二力桿ND對C點(diǎn)作用力臂

Fex、Fey、Ffx、Ffy分別為E、F 2點(diǎn)在橫軸與縱軸上的受力，F(xiàn)1、F2分別為伸展油缸與升降油缸的作用力。對鉗體9受力分析可知

式中：G是鉗體質(zhì)量。

聯(lián)立（7）～（11），求得

需要說明的是，由于伸展動作較緩慢，所以此處對鉗體質(zhì)量引起的慣性力忽略不計(jì)。聯(lián)立（4）、（5）、（9）、（12）此處，記伸展油缸傳力比［7］

根據(jù)伸展油缸與升降油缸傳力比的計(jì)算式（13）、（14），其表達(dá)式含有較復(fù)雜的非線性函數(shù)。為減小油缸的最大工作壓力和提高油壓穩(wěn)定性，需要以伸展油缸與升降油缸的傳力比的計(jì)算式為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。上述優(yōu)化的關(guān)鍵是要合理布局鉸點(diǎn)M、N位置以及選定拉桿DN長度與拉桿AC的水平夾角θ。

2 優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)的建立

在確保鐵鉆工鉸接臂伸展動作平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合動力學(xué)以及經(jīng)濟(jì)性的要求，本文選定伸展油缸與升降油缸的最大工作壓力最小和壓力穩(wěn)定性最好為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，依據(jù)計(jì)算式（12），上述的要求可轉(zhuǎn)化為最小傳力比最大以及伸展過程中傳力比的變化量最小。

2.1.1 最大工作壓力為目標(biāo)函數(shù)

為了使鐵鉆工鉸接臂在舉升鉗體的過程中，達(dá)到以較小的油缸輸入力輸出盡可能大的作用力的目標(biāo)，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。所以當(dāng)該目標(biāo)在外部載荷近似恒定的前提下，可通過結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)油缸輸出力的最小化。即在伸展角度∠FCD范圍確定的情況下，使傳力比le1、le2的最小值最大作為目標(biāo)函數(shù)，達(dá)到油缸作用力F1、F2的最大值最小。為統(tǒng)一形式，根據(jù)伸展油缸與升降油缸的傳力比公式，分別選擇其倒數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而分別取其最小值。

2.1.2 油壓穩(wěn)定性為目標(biāo)函數(shù)

為了保護(hù)液壓元件，避免出現(xiàn)出現(xiàn)較大的油壓波動，需要提高油缸壓力的穩(wěn)定性，即要求伸展與升降油缸的油壓在整個伸展動作的過程中變化量最小。本文中，在伸展角度∠FCD變化范圍內(nèi)，根據(jù)最大壓力差可以推算出伸展與升降油缸油壓的變化值為［7］

統(tǒng)一形式，分別對伸展油缸與升降油缸的油壓穩(wěn)定性選定以下的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

式中：（le1）min、（le1）max、（le2）min、（le2）max分別是隨∠FCD變化時，伸展油缸的最大傳力比和最小傳力比、升降油缸的最大傳力比和最小傳力比。

采用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)線性加權(quán)和法求解上述四目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題，即本文優(yōu)化的綜合目標(biāo)函數(shù)為minF x()＝ω1·f1x()+ω2·f2x()+ω3·f3x()+ω4· f4x()，根據(jù)各子目標(biāo)函數(shù)對機(jī)構(gòu)性能影響的重要程度［7?8］，分配權(quán)重因子ω1、ω2、ω3、ω4，得到最終優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)變量的確定

為保證鐵鉆工鉸接臂實(shí)現(xiàn)舉升運(yùn)動，以∠FCD為驅(qū)動量，為節(jié)省鉆井平臺空間以及避免桿件干涉，取1°≤∠FCD≤3°，為確保最大伸展范圍與舉升高度，取70°≤∠FCD≤75°。確定∠FCD后，根據(jù)伸展與升降油缸的傳力比公式，設(shè)定優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)變量的向量表達(dá)式：

2.3 優(yōu)化的約束條件

2.3.1 邊界條件

為縮小尋優(yōu)范圍，考慮初始的設(shè)計(jì)尺寸，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可適當(dāng)?shù)脑O(shè)置設(shè)計(jì)變量的上下限。據(jù)此，建立了8個邊界約束條件：

2.3.2 運(yùn)動的約束

在保證ΔAMC、ΔCND互容性的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)避免出現(xiàn)死點(diǎn)的要求［9］，兩油缸的傳動角需在［40°，140°］，則有

根據(jù)油缸穩(wěn)定性的要求［9］，需要對油缸的伸縮比加以約束，則有g(shù)13（X）＝λmax＝（LCM）max／（LCM）min-1.7≤0。

2.4 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)SP?I?04型鐵鉆工鉸接臂的設(shè)計(jì)尺寸，結(jié)合實(shí)際工況的要求，給定以下的優(yōu)化參數(shù)，取∠FCDmin＝1.5°，∠FCDmax＝70°，G＝36 003 N，LAC＝394 mm，LAC＝ 2 030 mm，其他設(shè)計(jì)變量及可行域見表1。上述初值是參考國內(nèi)外同類型較成熟的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定，可行域是按照單變量變化以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給定。

選擇遺傳算法的種群大小為120，編碼方式為格雷碼混合編碼，選擇操作采用輪盤賭轉(zhuǎn)輪法，單點(diǎn)交叉，交叉率Pc＝0.4，變異率Pm＝0.03，進(jìn)化代數(shù)N＝69，α＝0.995，繁殖數(shù)σ＝5，繁殖率μ＝0.85。

表1 SP?I?04鐵鉆工鉸接臂優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量的初值Table1 The relative position of the parameters and the feasible region of articulated boom for SP?I?04?type tron roughneck

利用Matlab優(yōu)化工具箱，對上述優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，得到如表2所示的優(yōu)化結(jié)果。

表2 鉸接臂設(shè)計(jì)變量優(yōu)化結(jié)果Table2 The optimal result of design variables

3 仿真驗(yàn)證及動力學(xué)分析

為檢驗(yàn)上述優(yōu)化結(jié)果所達(dá)到的效果，建立如圖3所示的鐵鉆工鉸接臂的動力學(xué)模型。在上述模型中，得到優(yōu)化前后伸展油缸與升降油缸的受力隨驅(qū)動量∠FCD的變化關(guān)系。結(jié)合油缸的內(nèi)徑以及活塞桿直徑等參數(shù)以及油缸布置方式，將上述關(guān)系分別轉(zhuǎn)化為伸展油缸油壓與∠FCD的變化關(guān)系，如圖4所示；升降油缸油壓與∠FCD的變化關(guān)系，如圖5所示。

從圖4可知，相對于初始設(shè)計(jì)值，優(yōu)化后的伸展油缸的最大工作壓力降低了8.4%，油壓穩(wěn)定性提高了13%；伸展油缸完成伸展動作的平均工作壓力降低了25%～30%。分析表明鉸接臂鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化改善了伸展油缸的工作特性。

圖3 鐵鉆工鉸接臂的動力學(xué)模型Fig.3 The dynamic model of articulated boom for SP?I?04?type iron roughneck

圖4 伸展油缸油壓與∠FCD的變化關(guān)系Fig.4 The value of load changes of the stretching cylin?der vs.∠FCD，before and after optimization

圖5 升降油缸油壓與∠FCD的變化關(guān)系Fig.5 The value of load changes of the lifting cylinder vs.∠FCD，before and after optimization

從圖5可知，相對于初始設(shè)計(jì)值，優(yōu)化后的升降油缸最大工作油壓降低了62.8%，油壓穩(wěn)定性提高了78%，升降油缸完成伸展動作的平均工作壓力下降了30%～35%左右。分析表明鉸接臂鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化大大地改善了升降油缸的工作特性。

此外，圖4與圖5中，在伸展角度∠FCD較大值處，優(yōu)化后的伸展油缸與升降油缸的承載效果明顯改善，油缸的最大壓力值控制在合理范圍，且油壓波動較小，穩(wěn)定性較好，可有效避免了液壓沖擊，這對鐵鉆工鉗體完成上卸扣作業(yè)很有好處，改善了鉸接臂的工作性能。

4 結(jié)論

1）通過對鐵鉆工鉸接臂運(yùn)動特性的分析，利用統(tǒng)一多目標(biāo)函數(shù)法建立針對鉸接臂鉸點(diǎn)位置優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。

2）利用Matlab優(yōu)化工具箱，采用遺傳基因算法，求解優(yōu)化模型，得到關(guān)于鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化結(jié)果。

3）根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，建立鉸接臂的動力學(xué)模型，對比優(yōu)化前后伸展油缸與升降油缸油壓最大值與油壓波動，驗(yàn)證了優(yōu)化效果，達(dá)到了改善鉸接臂工作特性的要求。

4）上述優(yōu)化結(jié)果為鐵鉆工鉸接臂的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；優(yōu)化的流程為類似機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)優(yōu)化提供了新的思路。

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Optimization of the hinge point position of the articulated boom for SP?I?04?Type iron roughneck

ZHAN Zitao1，SHA Yongbai1，WANG Qingyan2，PIAO Chong1，LIU Xiaoli1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China；2.College of Construction Engineer?ing，Jilin University，Changchun 130026，China）

The hinge point position of the articulated boom of an iron roughneck is a key factor that directly affects the maximum working pressure and the hydraulic pressure stability of the stretching cylinders and the lifting cylin?ders.Therefore，based on the analysis of the motion characteristics of the articulated boom，a mathematical model aiming at the optimization of the hinge point position is built with unified objective function method，which regards reduction of the maximum working pressure and enhancement of the pressure stability as the optimization objective.Using the genetic algorithm and the optimization toolbox of Matlab，the optimized position of the hinge point is pres?ented.Furthermore，according to the optimization result above，a dynamic model for the articulated boom is estab?lished by Adams software，to compare the changes of working pressure value of the stretching cylinders and the lift?ing cylinders before and after optimization.The simulation results indicate that optimization of the hinge point posi?tion greatly improves the performance of the articulated arm.

articulated boom；iron roughneck；optimization of the hinge point position；maximum working pressure；pressure stability；genetic algorithm；dynamic analysis

10.3969／j.issn.1006?7043.201306004

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006?7043.201306004.html

TH460.20

A

1006?7043（2015）02?0205?04

2013?06?03.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014?11?27.

國家深部探測技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)資助項(xiàng)目（SinoProbe?09?05）.

占自濤（1989?），男，碩士研究生；王清巖（1970?），教授，碩士生導(dǎo)師.

王清巖，E?mail：wangqy＠jlu.edu.cn.