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摘 要：采用非传统优化设计方法，以螺旋千斤顶螺纹副体积最小为目标函数, 用MATLAB语言优化工具对其进行优化设计，并给出了计算实例。
关键词：优化设计；千斤顶；传动螺纹副
1 数学模型的建立
手动螺旋千斤顶主要包括底座、棘轮、圆锥齿轮副、托杯、传动螺纹副等部分。千斤顶最大起重量是其最主要的性能指标之一。千斤顶在工作过程中，传动螺纹副承受主要的工作载荷，螺纹副工作寿命决定千斤顶使用寿命，故传动螺纹副的设计最为关键，其设计与最大起重量、螺纹副材料、螺纹牙型以及螺纹头数等都有关系。
1.1 目标函数与设计变量
手动螺旋千斤顶在满足设计性能和要求的前提下，从结构紧凑、减轻重量、节省材料和降低成本考虑。在给出千斤顶最大起重量、传动螺纹副材料及其屈服应力、螺纹头数等基本设计要求和圆锥齿轮副等已定的情况下，可从螺纹副设计着手考虑，使螺纹副所用材料最少，即在满足设计性能的情况下，传动螺杆、螺母所占体积最少。
螺杆的体积为：v1=πd22L/2
螺母的体积为：v2=π(Ｄ′2-D22)H/4
式中：d2——螺杆中径，mm；
D′——螺母外径（虚拟），mm；
D2——螺母中径，mm；
L——螺杆总长，mm；
H——螺母高度，mm.
考虑到传动效率要求较高和螺纹受力较大等因素，千斤顶一般采用锯齿形螺纹传动，其大径、中径、小径之间有如下关系：
d2=d－0.75P
d1=d－1.736P
且内、外螺纹有如下关系：D＝d;D2=d2;
式中，D2、d2为内、外螺纹中径；P为螺距;Ｄ、ｄ为内、外螺纹大径；ｄ1为内螺纹小径。
则目标函数（即传动螺纹副体积之和）为：
V=V1+V2=πL(d-0.75P)2-/4+π［D′2--(d-0.75P)2-］H/4
从目标函数表达式中可以看出，Ｌ、Ｄ′均为常量，而螺距P取值虽为整数，但其取值随螺纹公称直径而变化，这里将其作为变量。故变量有ｄ、Ｈ、P 三个，记作：
X=［x1,x2，x3］T=［d,H，P］T
目标函数表达式为：
V(x)=πL(x1-0.75x3)3/4+π［D′2-(x1-0.75x3)2］x2/4
1.2 优化约束条件
1.2.1 约束条件分析
(1)耐磨性条件
锯齿形螺纹工作高度h：h=0.75P
根据手动螺旋千斤顶传动螺纹副滑动速度较低，及螺母和螺杆材料等条件，查取许用比压［p］：
计算比压为：p=FP/[(d-0.75P)πhH]＜［p］
(2) 螺纹的自锁条件
螺旋升角ψ：ψ=arctanP/πd2=arctanP/[π(d-0.75P)]
当量摩擦角ρv=arctanuv，uv为螺纹副当量摩擦系数。
自锁条件为：ψ＜ρv－(1°～1.5°),即
arctanP/[π(d-0.75P)]＜ρv－(1°～1.5°)
(3)螺杆的强度条件
螺纹危险截面面积A为：A=π(d-1.736P)2/4
螺杆所受转矩T：T=F·tan(ψ+ρv)(d－0.75P)/2
当量应力为： （图片） 式中，F为千斤顶最大起重量，单位为N.
查表,确定许用应力［σ］.
当量应力应小于许用应力，即：σca＜［σ］
(4) 螺纹牙剪切强度条件
按机械性能较弱的螺母材料进行计算：
螺母的外径D等于螺杆外径d：D=d
螺纹牙根厚b：b=0.75P
螺纹旋合圈数z：z=H/P
查表取得许用剪切应力［τ］.
按剪切强度进行计算：τ=F/(πDbz)=F/(πd·0.75P·H/P)，τ＜［τ］.
(5)螺纹牙弯曲强度条件
同样，取机械性能较弱的螺母材料进行计算。
按弯曲强度进行计算：σb=3F(D-D2)/(πDb2z)=3F(d-d2)/(πDb2z)=3F［d-(d-0.75P)］/(πDb2z)
σb＜［σb］.
对静载，许用应力应取较大值。
(6)螺杆的稳定性条件
确定螺杆的柔度λ值：λ=μL/i
式中，μ为螺杆的长度系数，L为螺杆的总长度，i为螺杆危险截面惯性半径，i=d1/4.
螺杆的长度系数根据螺纹副固定形式取值。
λ值小于许用值［λ］，即：λ＜［λ］.
(7)螺杆公称直径取值范围
查《机械设计手册》，取d值范围为：20mm≤d≤650mm.
(8)螺母最大高度（螺纹啮合长度）范围：30 mm≤H≤280 mm.
(9)螺纹螺距取值范围
查《机械设计手册》，得P值范围为2 mm≤P≤24 mm.
1.2.2 约束条件
约束条件表达式如下：
g1(x)=F-［0.75π(x1-0.75x3)x2］［p］≤0
g2(x)=arctanx3/[π(x1-0.75x3)]-ρv+(1°～1.5°)≤0
（图片）
g4(x)=F/(0.75πx1x2)-［τ］≤0
g5(x)=3F/(0.75πx1x2)-［σb］≤0
g6(x)=4μL/(x1-1.736x3)-［λ］≤0
g7(x)=30-x2≤0
g8(x)=x2-280≤0
g9(x)=20-x1≤0
g10(x)=x1-650≤0
g11(x)=2-x3≤0
g12(x)=x3-24≤0
2 优化方法
本问题有三个变量12个约束条件，采用MATLAB优化工具对其进行优化设计。
3 优化设计实例
某厂生产一种手动螺旋千斤顶，最大设计起重量为40 kN，螺纹为锯齿形，螺杆材料采用40Cr，热处理HRC45～50，σs=785Mpa，螺母用ZCuAl10Fe3，螺纹副当量摩擦系数为μv=0.13,千斤顶最大起重高度为130 mm,圆锥齿轮厚为30 mm,轴承固定端l0/d0=7/18。试设计传动螺纹副，使其结构紧凑、所用材料最省。
根据前面的数学建模，我们先通过查表或计算，得到约束条件的各个相关参数，然后再将其代入上述建模的约束条件，从而得到螺纹副的最优设计方案。
现将原设计与优化设计结果加以对照（表1），可以看出，优化设计后螺纹副体积比原设计减少12.51%。采用优化设计方法，不仅节省材料，降低工厂生产成本，而且节省设计时间。这有助于改革传统的设计方法，为新产品开发改进提供了有力的依据。表1 原设计及优化设计结果
（图片）参考文献：
［1］ 机械设计手册联合编写组.机械设计手册第二分册.第二版［M］.北京:化学工业出版社，1987.757-814.［2］ 范鸣玉，张莹.最优化技术基础［M］.北京：清华大学出版社，1982.102-156.
［3］ 邱宣怀，吴宗泽，郭可谦，等.机械设计.第四版.［M］北京：高等教育出版社，1987.100-122.
［4］ Eva PartEnander Ander Sjober.MATLAB 5手册［M］.北京：机械工业出版社，2000.165-192.
［5］ 高俊斌.MATLAB 5.0语言与程序设计.［M］武汉：华中理工大学出版社，1998.189-198.［6］ 龚小平，张丹峰.高速齿轮传动可靠性优化设计［J］.机械设计与制造，2000，(4)： 1-3.
［7］ 王步瀛.现代设计方法综述［M］.北京：高等教育出版社，1985.127-132.
［8］ Rao S J.Desription and Optimum Design of Fuzzy Mechanical System［J］.Transactions of ASME,1987,(109)：31-33.
3/31/2005
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