螺旋千斤顶螺纹副优化设计
- 发布时间：2012/11/16 9:22:37
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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zui大起重量是其zui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zui为关键，其设计与zui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zui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zui少，即在满足设计性能的情况下，传动螺杆、螺母所占体积zui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：
式中，F为千斤顶zui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zui大高度（螺纹啮合长度）范围：30mm≤H≤280mm.
（9）螺纹螺距取值范围
查《机械设计手册》，得P值范围为2mm≤P≤24mm.
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
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，zui大设计起重量为40kN，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zui大起重高度为130mm,圆锥齿轮厚为30mm,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zui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*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
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