机械优化设计 抽油机
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抽油机优化设计
clc
clear
N=72;%把曲柄转角等分72份
n=6;%冲次
OMIGA=2*pi*n/60;%角速度
R=1.614;%曲柄半径
A=8.484;%前臂长
C=3.09;%后壁长
I=5.145;%曲柄回转中心与游梁支座的水平距离
P=4.915;%连杆长
H=4.648;%曲柄回转中心与游梁支座的竖直距离
G=2.000;%曲柄回转中心到地面距离
HG=H-G;
K=sqrt(I^2+HG^2); %机架长度
FI=pi+atan(I/HG);%fi角计算机架倾角
THTAO=-acos(((P-R)^2+K^2-C^2)/(2*(P-R)*K))+asin(I/K);%初始角，即上冲程起始点时刻即光杆处于最低位置时曲柄对应的转角
CDJ1=acos(((P-R)^2+K^2-C^2)/(2*(P-R)*K));%曲柄与连杆反向共线时连杆与机架的夹角
CDJ2=acos(((P+R)^2+K^2-C^2)/(2*(P+R)*K));%曲柄与连杆共线时连杆与机架的夹角
SITA=CDJ1-CDJ2;%求极位夹角
KS=(180+SITA)/(180-SITA);%求行程速比系数
BETA_max=acos((C^2+K^2-(P-R)^2)/(2*K*C));%最小传动角
BETA_min=acos((C^2-K^2+(P+R)^2)/(2*(P+R)*C));%最大传动角
Kosai_min=acos((C^2+K^2-(P-R)^2)/(2*C*K));%当光杆位于下死点时机架与游梁的夹角
Kosai_max=acos((C^2+K^2-(P+R)^2)/(2*C*K));%当光杆位于上死点时机架与游梁的夹角
KoSai=Kosai_max-Kosai_min;%游梁摆角
data_down=pi/2-Kosai_min-asin(I/K);%游梁相对于水平线下摆动角
data_up=Kosai_max+asin(I/K)-pi/2;%游梁相对于水平线上摆动角
%循环求悬点位移
for i=1:N+1
THTA(i)=THTAO+(i-1)*(2*pi/N);%以度表示的曲柄转角，从6点开始，逆时针为正
THTAK(i)=-THTA(i)+FI;%基杆与曲柄半径的夹角
J(i)=sqrt(K^2+R^2-2*K*R*cos(THTAK(i)-FI));%曲柄销中心到游梁支撑中心之间的距离
BETA(i)=acos((C^2+P^2-J(i)^2)/(2*C*P));%游梁后臂c与p的夹角
xO(i)=asin(P*sin(BETA(i))/J(i));%游梁后臂c与j的夹角 RO(i)=asin(R*sin(THTAK(i)-FI)/J(i));%j与基杆k的夹角
Kosai(i)=xO(i)+RO(i);%游梁后臂c与基杆k的夹角
alfa(i)=((FI-THTA(i))-BETA(i)-Kosai(i));%连杆p与曲柄半径的夹角
data(i)=Kosai_max-Kosai(i);%游梁摆角
data1(i)=Kosai(i)+FI-3*pi/2;%游梁后臂与水平线的夹角，以水平位置为0度，沿逆时针旋转为正
Si(i)=A*data(i);%悬点位移
v(i)=(A*R/C)*OMIGA*sin(alfa(i))/sin(BETA(i));%悬点速速
a(i)=(A*R*OMIGA^2/(C*sin(BETA(i))^3))*((sin(BETA(i))*cos(alfa(i))*sin(xO(i)))-((R/C)*sin(alfa(i))*cos(BETA(i))*sin(THTA(i)-FI)));%悬点加速度
TF(i)=(A*R/C)*sin(alfa(i))/sin(BETA(i));%扭矩因素
end
plot((THTA-THTAO)*180/pi,Si,(THTA-THTAO)*180/pi,v,(THTA-THTAO)*180/pi,a)
clc
clear
S=3;%抽油机冲程
n=6;%冲次
OMIGA=2*pi*n/60;%角速度 N=360;%把曲柄转角等分360份
%设计变量X=[x1,x2,x3,x4,x5]]=[C,P,R,I,K]
%后臂长C,连杆长P,曲柄半径R，基杆水平投影长度I，机架长度K
x0=[3.09;4.915;1.614;5.145;6.000];%设计变量初值
A=[0 -1 1 0 0;-1 0 1 0 0;0 0 1 0 -1;1 0 0 0 -1;0 1 0 0 -1;-1 -1 1 0 1]
b=[0;0;0;0;0;0;];%线性不等式约束
Aeq=[];beq=[];%无线性等式约束
Lb=[5;2.5;0.5;3;5]
Ub=[9.5;6;2.5;7.5;9];%设计变量的上下界
[x,fval,exitflag]=fmincon(@(x)CYJ_objfun(x,S,n),x0,A,b,Aeq,beq,Lb,Ub,@(x)CYJ_confun(x,S,n))
function objfun=CYJ_objfun(x,S,n)
%前置式抽油机机构尺寸优化设计的目标函数
%设计变量X=[x1,x2,x3,x4,x5]]=[C,P,R,I,K]
m=180;%把曲柄转角分为180等分
OMIGA=2*pi*n/60;%角速度
HG=sqrt(x(5)^2-x(4)^2);%基杆垂直投影长度HG
Kosai_min=acos((x(1)^2+x(5)^2-(x(2)-x(3))^2)/(2*x(1)*x(5)));%当光杆位于下死点时机架与游梁的夹角
Kosai_max=acos((x(1)^2+x(5)^2-(x(2)+x(3))^2)/(2*x(1)*x(5)));%当光杆位于上死点时机架与游梁的夹角
KoSai=Kosai_max-Kosai_min;%游梁摆角
A=S/KoSai;%前臂
FI=pi+atan(x(4)/HG);%fi角计算机架倾角
THTAO=-acos((-x(1)^2+x(5)^2+(x(2)-x(3))^2)/(2*(x(2)-x(3))*x(5)))+asin(x(4)/x(5));%初始角，即上冲程起始点时刻即光杆处于最低位置时曲柄对应的转角
for i=1:m+1
THTA(i)=THTAO+(i-1)*(2*pi/m);%以度表示的曲柄转角，从6点开始，逆时针为正
THTAK(i)=-THTA(i)+FI;%基杆与曲柄半径的夹角
J(i)=sqrt(x(5)^2+x(3)^2-2*x(5)*x(3)*cos(THTAK(i)-FI));%曲柄销中心到游梁支撑中心之间的距离
BETA(i)=acos((x(1)^2+x(2)^2-J(i)^2)/(2*x(1)*x(2)));%游梁后臂c与p的夹角
xO(i)=asin(x(2)*sin(BETA(i))/J(i));%游梁后臂c与j的夹角
RO(i)=asin(x(3)*sin(THTAK(i)-FI)/J(i));%j与基杆k的夹角
Kosai(i)=xO(i)+RO(i);%游梁后臂c与基杆k的夹角
alfa(i)=((FI-THTA(i))-BETA(i)-Kosai(i));%连杆p与曲柄半径的夹角
a(i)=(A*x(3)*OMIGA^2/(x(1)*sin(BETA(i))^3))*((sin(BETA(i))*cos(alfa(i))*sin(xO(i)))-((x(3)/x(1))*sin(alfa(i))*cos(BETA(i))*sin(THTA(i)-FI)));%悬点加速度
end;
objfun=max(a);
function [c,cep] =CYJ_confun(x,S,n) %约束条件
%设计变量X=[x1,x2,x3,x4,x5]]=[C,P,R,I,K]
HG=sqrt(x(5)^2-x(4)^2);%基杆垂直投影长度HG
Kosai_min=acos((x(1)^2+x(5)^2-(x(2)-x(3))^2)/(2*x(1)*x(5)));%当光杆位于下死点时机架与游梁的夹角
Kosai_max=acos((x(1)^2+x(5)^2-(x(2)+x(3))^2)/(2*x(1)*x(5)));%当光杆位于上死点时机架与游梁的夹角
KoSai=Kosai_max-Kosai_min;%游梁摆角
A=S/KoSai;%前臂
FI=pi+atan(x(4)/HG);%fi角计算机架倾角
THTAO=-acos((-x(1)^2+x(5)^2+(x(2)-x(3))^2)/(2*(x(2)-x(3))*x(5)))+asin(x(4)/x(5));%初始角，即上冲程起始点时刻即光杆处于最低位置时曲柄对应的转角
CDJ1=acos((-x(1)^2+x(5)^2+(x(2)-x(3))^2)/(2*(x(2)-x(3))*x(5)));%曲柄与连杆反向共线时连杆与机架的夹角
CDJ2=acos((-x(1)^2+x(5)^2+(x(2)+x(3))^2)/(2*(x(2)+x(3))*x(5)));%曲柄与连杆共线时连杆与机架的夹角
SITA=CDJ1-CDJ2;%求极位夹角
BETA_max=acos((x(1)^2+x(5)^2-(x(2)-x(3))^2)/(2*x(1)*x(5)));%最小传动角
BETA_min=acos((x(1)^2-x(5)^2+(x(2)+x(3))^2)/(2*(x(2)+x(3))*x(5)));%最大传动角
DaTa_up=Kosai_max+asin(x(4)/x(5))-pi/2;
DaTa_down=pi-Kosai_min+--asin(x(4)/x(5));%游梁相对于水平线摆动角
%杆长约束条件
c(1)=THTAO;
c(2)=-THTAO-25*pi/180;%初始角限制
c(3)=SITA-22*pi/180;
c(4)=-SITA+10*pi/180;%极位夹角限制
c(5)=KoSai-35*pi/180;
c(6)=-KoSai+28*pi/180;%游梁摆角限定
c(7)=BETA_max-135*pi/180;
c(8)=-BETA_min+45*pi/180;%传动角限定
c(9)=Kosai_max+asin(x(4)/x(5))-pi/2-15*pi/180;%游梁相对于水平线上摆动角限定
c(10)=Kosai_max+asin(x(4)/x(5))-pi+Kosai_min+asin(x(4)/x(5))-3*pi/180;
c(11)=-(Kosai_max+asin(x(4)/x(5))-pi+Kosai_min+asin(x(4)/x(5)));%游梁相对于水平线摆动角限定
c(12)=FI-45*pi/180;
c(13)=-FI+32*pi/180;%基杆倾角限定
c(14)=-A+x(4)+x(3)+1.0;%曲柄最大回转半径边缘到光杆垂线的距离限定
