双螺旋摆动液压缸输出轴螺纹升角的优化设计.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 2卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 4 ． 0 1 6 双螺旋摆动液压缸输出轴螺纹升角的优化设计 孔鹏 ，蒲显坤 四川大学制造科 学与工程学院，四川成都 6 1 0 0 6 5 摘要双螺旋摆动液压缸的缺点之一是螺旋副传动效率太低。为了求得螺纹升角为何值时其传动效率最高，利用机械 优化设计方法建立数学模型，并借助 V B及 MA T L A B优化工具求得其最优值。结果表明螺纹升角为 4 6 ． 8 。 时，其传动效 率最高，为 8 8 ． 3 1 ％。 关键词双螺旋摆动液压缸；优化设计；螺纹升角；传动效率 中图分 类号 T H1 3 7 文献 标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 41 40 5 1 3 Opt i mi z e d De s i g n f o r Le a d Ang l e o f Out p ut S ha f t o f t h e Do ub l e He l i x Ro t a r y Cy l i n de r K0NG P e n g．PU Xi a n k un Ma n u f a c t u r e S c i e n c e a n d e n g i n e e r i n g C o l l e g e ，S i c h u a n U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i e h u a n 6 1 0 0 6 5 ，C h i n a Ab s t r a c t O n e d i s a d v a n t a g e o f t h e d o u b l e h e l i x r o t a r y c y l i n d e r i s t h a t t h e t r a n s mi s s i o n e ffi c i e n c y o f t h e s c r e w p a i r i s t o o l o w．I n o r d e r t o g e t t h e v a l u e o f t h e l e a d a n g l e w h e n t h e t r a n s mi s s i o n e ffi c i e n c y w a s ma x i mu m ，t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l w a s b u i l t ．T h e n w i t h t h e h e l p o f VB a n d MA TL AB，t h e o p t i mu m v a l u e o f t h e l e a d a n g l e w a s g o t t e n ． I t i s i n d i c a t e d w h e n t h e v a l u e o f t h e l e a d a n g l e i s 4 6 ． 8 。 ，t h e t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y i s m i mu m ，w h i c h i s 8 8 ． 3 1 ％ ． Ke y wo r d s D o u b l e h e l i x r o t a r y c y l i n d e r ； O p t i mi z e d d e s i g n；L e a d a n g l e ；T r a n s mi s s i o n e ffi c i e n c y 双螺旋摆动液压缸是一种把活塞的直线运动转变 成扭矩输 出并做 功的液压元件 。它是完全不 同于传统 摆动缸设计理念的双螺旋摆动缸，相对于传统的齿轮 齿条摆 动油缸和叶片摆动马达 ，双螺旋摆 动液压油缸 具有结构紧凑、安全可靠 、占位空间小，易于设计、 输出扭矩和摆动 角度 大等优点 。双螺旋摆动液压油缸 几乎在每一需 要高扭矩有 限摆动运 动的场 合都得到 了 应用 。鉴 于此 ，对该 类型摆动缸 的研究有着 重要 的实 际意义 。 机械产品 的优化设 计就 是根 据规 定 的约束条 件 ， 经过分析计算 ，优化设计参数，使得某项或几项参数 达到最优值。应用机械优化设计方法 ，可以缩短设计 周期 ，提高设计精度和质量，获得显著的技术与经济 效 。 双螺旋摆动缸单级螺旋副传动效率只有 8 0 ％左 右 ，两级螺旋副的效率相乘之后再乘以轴承效率则摆 动缸 的机械效率就更低 了。所 以 ，很有必要对螺旋副 效率进行研究以提高螺旋副传动效率。传统的设计方 法很难求得最优解以达到最大效率 ，利用机械优化设 计方法对螺旋副进行研究 ，建立螺旋副机械效率的数 学模 型 ，然后借助 V B及 MA T L A B优化工具 可求 得最 优解 。 1 双螺旋摆动缸的工作原理 摆 动缸工作原理 如 图 1 原 图来 自 H E L A C公 司 官方网站 所示 。 3 4 6 一法 兰 缸 体 活 塞 螺 旋导 向套 输出轴 P2 -- 油 口 图 1 摆动缸工作 原理 图 零件 5 、2 、3 、4 、6分别是输 出轴 和法兰 1 一 体 、缸体 、活塞 、螺旋导向套、法兰，P 1 、P 2为油 口。螺旋导向套 4为空心轴，内外表面都有梯形螺 纹。在缸体 内部活塞将缸体 内腔分成前后独立的空 间。活塞杆3和螺旋导向套 4为左旋啮合，当压力油 从 P 1 进 入 、P 2流 出 时 ，活塞 左 端 压 力大 于 右 端压 力 ，于是 ，活塞轴 向右 做 轴 向运 动 ，同 时做 逆 时针 从左向右看旋转运动。活塞杆内螺纹和输出轴螺 纹为右旋啮合，由于活塞轴的转动，使得输出轴逆时 收稿 日期 2 0 1 3 0 52 1 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 7 7 0 9 6 作者简介 孔鹏 1 9 8 7 一 ，男 ，硕士研究生 ，主要 研究 方向为现 代机械设计方法 。Em a i l s h a n k o n g l e y u a n 1 6 3 ． c o m。 第 1 4期 孔 鹏 等 双螺旋摆动液压缸输 出轴螺纹升角的优化设计 5 3 We nd En d I f 弧度变角度 a l a l 1 8 O／ 3 ． 1 4 a 3 a 3 1 8 0／ 3 ． 1 4 I f a 3 a l Th e n mi a 3 ma a l El s e mi a l ma a 3 En d I f T e x t 3 ． T e x t S t r mi T e x t 4 ． T e x t S t r ma En d S u b F u n c t i o n f X A s S i n g l e As S i n g l e 目标函数 f 一 T a n x一 3 ． 5 6 3 ． 1 4／1 8 0 ／T a n x En d F u n c t i o n Pr i v a t e S u b Co mma n d 2 一C l i c k En d E n d S u b 得峰值区间为[ 3 6 ． 4 ， 5 5 ． 6 ] 。 此区间 内的 定满 足约束条件 ，故数学模型简 化 为无约束优化 问题 。 标准数学模 型 O b j ．m i n f 一t a n 一 3 ． 5 6 ／ t a n x 2 用 MA T L A B求解 编写 M 文件 f u n c t i o n f m f u n x f 一t a n x 一 3 ． 5 6 3 ． 1 4 ／ 1 8 0 ／ t a n X 在命令窗 口输入 [ X ， f v a l ， e x i t f l a g ， o u t p u t ] f m i n b n d m f u n ， 3 6 ． 4 3 ． 1 4 ／ 1 8 0， 5 5 ． 6 3 ． 1 4 ／ 1 8 0 得结果 x 0 ． 8 1 6 4 f v a l 一0． 8 8 31 e x i t fla g 1 ou t put i t e r a t i o n s6 f u n c C o u n t 7 a l g o r i t h m‘g o l d e n s e c t i o n s e a r c h， p a r a b o l i c i n t e r p o l a t i o n ’ m e s s a g e [ 1 x l 1 2 c h a r ] 结果显示当 为 0 ． 8 1 6 4 r a d ，即4 6 ． 8 。 时效率最 高，为 8 8 ． 3 1 ％。 4结 论 利用 优 化 方 法 可求 得 螺 纹 升 角 的最 优 值 为 4 6 ． 8 。 ，最大效率可达到8 8 ． 3 1 ％。在当今能源危机比 较严重 的形 势下 ，提 高效 率有 着 较 为重 要 的现实 意 义。该结论可为双螺旋摆动液压缸的设计提高参考。 参考文献 [ 1 ]李万祥． 工程优化设计与 MA T L A B实现[ M] ． 北京 清 华大学出版社， 2 0 1 0 ． [ 2 ]张策． 机械原理与机械设计 [ M] ． 2版． 北京 机械工业 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1 0 1 2 1 1 3一 】】 6．