叶片式摆动液压油缸的叶片结构优化.pdf

机 械设 计 与制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 8期 2 0 l 2年 8月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 8 0 2 0 0 0 2 叶片式摆动液压油缸 的叶 片结构优化 谢良喜孔建益蒋国璋李公法赵 丽 武汉科技大学 机械 自动化学院， 武汉 4 3 0 0 8 1 术 Op t i mi z a t i o n De s i gn o f Va n e St r u c t u r e f o r a RVA XI E L i a n g - x i ， KONG J i a n - y i ， J I ANG Gu o z h a n g ， L I Go n g - f a ， Z HAO L i C o l l e g e o f Ma c h i n e ry a n d A u t o m a t i o n ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a “ 、． “ 、 ” “ ● 一 卜 l， “ l， H 、 ．斤 “ 、 ． “ 、 晕 “ 、 | 、 且 I H 、 | t 1 、 H l H 、 ． t 斤 t 一 “ ＼． 蠹一 ＼ 量 ● 【 摘要】 叶片式液压摆动油缸具有结构紧凑、 机械效率高、 转矩输出平稳、 操控性好、 便于隔离外 部灰尘等优点， 叶片的结构参数对定子乃至整个摆动油缸的体积、 重量有极大的影响。综合分析了叶片 结构优化的约束条件 ， 考虑到作用在叶片上的液压力产生的转矩应大于所需转矩 ， 将摆动油缸的定子 视为单层内压圆筒形压力容器， 在满足转子和定子强度条件的前提下， 以定子和摆动油缸质量最轻为 优化目 标， 建立了矩形叶片的结构优化模型， 结合实例进行了叶片结构优化。本优化模型有助于进行叶 片式摆动液压油缸的结构设计与优化。 关键词 叶片式液压摆动油缸； 优化设计 ； 叶片 【 A b s t r a c t 】 A h y d r a u l ic r o ta r y v a n e a c t u a t o r R V A h a s th e a d v a n t a g e s of c o m p act s t r u c t u r e ， h i g h 一 c h a n i c al e f fi c i e n c y , s t e ady t o r q u e o u t p u t ,f a v o r a b l e c o n t r o l l abi l i t y a n d g o o d d u s t - p r o o fin g p r o p e r t i e s ， a n d t h e s t r u c t u r al p ara m e t e r s oft h e v a n e h ave i m p o r t a n t e f f e c t o n t h e v o l u m e and w e i g h t oft h e s t ato r a n d t h e R V A T h e n t h e c o n s t r a i n t c o n d i t i o n oft h e V lt e s t r u c t u r e w a s c o m p r e h e n s i v e l y ana l y z e d C o nsi d e r i n g t h e t o r q u e g e n e r at e d b y h y d r a u l i c f o r c e u p o n t h e v o l t e s h o u l d b e m o r e t h an t h e r e q u i r e d ， t h e s t at o r oft h e r o t ary act u ato r i s r e g a r d e d a s p r e s s u r e v e s s e l w i t h s i n g l e l a y e r i n t e r n al c y l i n d e r ． an d帆 o p t i miz ati o n mo d e l h as b e e n d e v e l o p e d at a p r e m i s e o f s ati s f y i n g t h e s t r e n g t h oft h e r o t o r and s t ato r w i t h t h e l i g h t e s t q u a l i t y oft h e s t ato r and R V A b e - i n g as t h e o p t i m iz at i o n g o a 1 ． A fte r w ard s a s t r u c t u r a l o p t i miz at i o n W a S d o n e c o m b i n i n g t o t h e e x a m p l e ． T h e r e s u h s h o w s t h at t h e o p t i mi z ati o n m o d e l is h e l p f u l i n v a n e and R V A d e s i g n and o p t i mi z ati o n ． Ke y W o r d s Hy d r a u l i c R o t a r y Va n e A c t u a t o r R VA ； Op t i mi z a t i o n D e s i g n ； Va n e 中图分类号 T H1 6 ； T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 1 前 言 片， 定子叶片和转子叶片 在定子和转子之间形成油腔， 液压油作 日 U舀 万， 疋丁” 1 月 “ 将丁“ I 厅 仕疋丁利精于 1日 J 形从 出 胜， 撒j直 删 F 叶片式液压摆动油缸包括定子、定子叶片、转子和转子叶 用在转子叶片上形成转矩驱动转子旋转， 通过控制油压方向形成 ★来稿 日 期 2 0 1 1 - 1 0 1 2 ★基金项目 武汉市科技局攻关项 目 2 0 1 1 1 0 8 2 1 2 4 7 ； 湖北省教育厅科学技术研究项目 D 2 0 1 2 1 1 0 5 综合比较上述曲线可知， 进给量对表面粗糙度的影响最大， 刀尖圆弧半径次之 ， 切削速度也有较大影响， 而切削深度的影响 则非常微弱。 同时， 将仿真分析结果与极差分析结果比较可知， 两 方法得出的切削参数对表面粗糙度的影响规律是一致的。 4结论 1 正交试验分析显示， 为获得较低的表面粗糙度， 切削速度 应采用其高值， 进给量取低值， 刀具圆弧半径取高值； 而切削深度对 表面粗糙度影响非常小， 可根据加工需要确定。 故在试验范围内， 最优加工参数组合应为 v o 6 0 0 m ／ mi n ,f O ． 1 mll l e v ， 1 ．2 m m； 2 增大切削速度和刀尖圆弧半径可有效降低已加工表面 的表面粗糙度， 而切削深度增大时， 表面粗糙度略有下降； 当进给 量增大时， 表面粗糙度几乎线性增加， 且影响显著； 3 进给量对表面粗糙度的影响最大， 刀尖圆弧半径次之， 切削速度也有较大影响， 而切削深度的影响则非常微弱。 参考文献 [ 1 ] 张玉周， 龚志坚， 闫勇刚． 淬硬钢硬态切削表面粗糙度研究[ J ] ．青岛理 工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 6 3 0 1 0 3 1 0 6 ． [ 2 ] 朱学超 ，沈利平．硬态 干式车削淬硬钢 S K D1 1 表面粗糙度试验研究 [ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 9 1 2 3 1 3 3 ． [ 3 ] 杨普， 李学岜， 陈明．铣削和磨削淬硬钢 S K D 1 1 的表面完整性比较[ J ] ． 上海交通大学学报 ， 2 0 0 7， 4 4 1 5 8 2 5 8 5 ． 1 4 j A r s e c u l a r a t n e J A， Z h a n gL C， Mo n t r o s s C， Ma t h e wP ．O nm a c h i n i n g o f h a r - d e n e d A I S I D 2 s t e e l w i t h P C B N t o o l s [ J ] ． J o u rna l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 1 7 1 2 4 4 - 2 5 2 ． [ 5 ]L a l w a n i DI ， Me h t a N K， J a i n P K ． E x p e ri m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s o f c u t t i n g p a r a me t e r s i n flu e n c e o n c u t t i n g f o r c e s a n d s u r f a c e r o u g h n e s s i n f i n i s h h a r d t u rn i n g o f M D N 2 5 0 s t e e l [ J ] ．J o u r n a l o f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o - l o gy， 2 0 0 8 2 0 6 1 6 7 1 7 9 ． L 6 j Di n i z A E， O l i v e r i a A J ．Ha r d t u r n i n g o f i n t e r r u p t e d S u r f a c e u s i n g C B N t o o l s [ J ] ．J o u r n a l o f Ma t e r i als P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 o o 8 1 9 5 2 7 5 2 8 1 ． [ 7 ] 袁哲俊． 金属切削试验技术[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 8 ． 第8 期 谢良喜等 叶片式摆动液压油缸的叶片结构优化 2 0 1 转子的往复摆动『 】1 。 由于可直接将油压转换成摆动运动， 无需额外 的传动机构 ， 因而具有结构紧凑、 机械效率高、 扭矩输出平稳 、 操 控性好等优点， 此外还可避免直线油缸外露部分易将灰尘带人液 压系统的问题[2 1 。叶片形状通常为矩形， 其长度 B与高度 之积 决定了液压油的作用 面积 。 通常而言 ， 叶片长度 越大 ， 液压力 的力臂越大， 产生的转矩越大， 然而长度 又成倍影响定子直径， 后者又对定子乃至整个摆动油缸的体积、 重量有极大的影响。因 此需要对叶片的结构参数进行优化设计。 2问题分析 叶片式摆动液压缸的转子叶片数量与定子叶片数量相等， 实际应用中叶片数量通常为 2 4 个。 叶片数量越多， 同样条件下 转矩输出能力越强， 但允许的往复摆动角度范围会相应减小。作 用在叶片上的液压力产生的转矩 应大于所需转矩 ， 即 ．1} 2 ， T k F R 1 式 中 转子叶片或定子叶片数量； ， 摆动液压缸转矩的安 全裕度； 尺 ． ． 一液压力对摆动液压缸轴线的力臂， 显然 R v - R R 2 式中 ．_作用在单个叶片上的液压力。 。B L 3 式中 ￡ 一叶片高度 ； 曰 ，一叶片长度。因此有 T k ． R - R ／ 2 4 式中 研转子半径， 根据圆形截面轴的扭转强度条件 r l_ T 一≤ J r l ， 尺 ， 应满足 见 争 V ． 式中 当转子为实心圆轴时， 卢 0 。 【 卜一 材料许用扭转切应力， 轴 常用的几种材料的许用扭转切应力， 如表 1 所示。 表1 轴常用几种 材料的[ ] 值 考虑弯矩影响。 已将表中值有所降低 摆动油缸的定子为单层内压圆筒形压力容器， 其壁厚 t 应满 to 其 中 ，to 南 6 式中 [ ] 材料许用应力。 3优化模型 叶片结构设计的可能方案往往不只一个 ，优化设计的目标 是从多种方案中选择最佳的设计方案。设计变量、 约束条件和目 标函数是优化设计的三大要素 。 对于叶片式摆动液压油缸， 当系统压力 叶片数量 J} 安 全裕度k 确定， 且定子材料选定时， 其设计变量为 ， R ， ， L 7 优化设计的目标为定子质量最轻， 则 目标函数为 f 2 1 『 【 JR z - R 】 1 T 【 z - R 】 } 8 约束条件为 t o - t S 0 T o -7 1 0 见 V R ， ￡ 9 4优化实例 假定所需转矩 T o 5 k N m，安全系数 |j} 2 1 ． 2 5 ，液压力 I 2 0 MP a ， 转子和定子材料均为优质碳素结构钢 4 5 ， 为材料许用扭 转切应力[ ] 3 5 M P a ， 许用应力[ c r ] 1 5 0 M P a ， 叶片式液压摆动 油缸的叶片数量k l 3 ，定子质量与定子内孔半径 R 和转子外圆 半径 R 关系曲线， 如图 1 所示。图 1 中可见， R 和尼对定子质量 的影响均为抛物线型， 存在合适的 ⋯ R 使定子质量最小， 此即 为优化结果。计算表明， 最优解 单位 mm 为R 6 3 ， R F - 4 8 ， 叶片 高度 L u 1 2 1 ， 叶片长度 B 1 5 。 l 2 00 1 0 00 ,a t 8 0 0 6 0 0 蛊 4 0 0 2 0 0 0 l 60 图 1定子质量与定子内孑 L 半径 ， 和转子外圆半径 尼 关系曲线 5结束语 叶片摆动液压油缸的叶片结构参数对定子及缸体的体积与 重量有重要影响。增大叶片长度 ， 一方面能增大作用在叶片上 的液压力的力臂， 另一方面也大幅度增大了定子和摆动油缸的体 积与质量。综合分析了叶片结构优化的约束条件， 以定子和摆动 油缸质量最轻为优化 目标，建立了矩形叶片的结构优化模型， 结 合实例进行了叶片结构优化。通过建立优化模型与优化计算， 确 定了最优的叶片结构参数。 参考文献 [ 1 ] 谢 良喜 ， 孑 L 建益．矩形截面叶片密封可靠性和机械效率的数值研究[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 9 7 1 3 0 - 1 3 4 ． I S S N0 2 5 4 -4 } 1 5 0 ． [ 2 ] 雷天觉 ． 新编液压 工程 手册 [ M] ．北京 北京理工大学 出版社 ， 1 9 9 8 1 2 3 4 5 3 4 8 ． [ 3 ] N i k a s ， G ． K ．M o d e l l i n g a n d o p t i m i z a t i o n o f r o t a r y v a n e s e a l s ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r s ， P a r t [ J ] j o u m a l o f E n g i n e e r i n g T r i b o l o g y ， v 2 21 ， n 6， S e p t e mb e r ， 2 0 0 7 6 9 9 - 71 5 ． [ 4 ] N i k a s ， G ． K ．a n d S a y l e s ， R ． S ． S t u d y o f l e a k a g e a n d f r i c t i o n o f fl e x i b l e s e a l s f o r s t e a d y m o t i o n v i a a n u m e ri c a l a p p r o x i m a t i o n m e t h od [ J ] ．T ri b o l o g y I n t e rna t i o n a l ， 2 0 0 6， 3 9 9 9 2 1 - 9 3 6 ． [ 5 ] M O S S D ．R ．编著． 陈允中， 译． 压力容器设计手册[ M] ． 北京 中国石化出 版社 ， 2 0 0 6 1 2 5 1 2 6 ． [ 6 ] 汪光文．基于并行遗传算法的风扇压气机叶片气动优化设计[ D ] 南京 南京航 空航天大学， 2 0 0 9 6 8 - 7 5 ．