液压扭矩扳手优化设计和改进方案(3)
2 液压扳手执行机构工作原理分析与设计计算
2.1 液压扳手执行机构就其机构类型而言是一种包括液压缸在内的摆动油缸四杆机构，其机构简图如图 2.1 所示。 它是由机架 1、摇臂 2、活塞杆 3 以及液压缸 4等四个杆件组成；机构的特点是当液压缸工作时，其轴线不断摆动且活塞杆的中心线和工作缸的中心线重叠在一起。
2.2 液压扳手执行机构的工作原理分析
液压扳手由动力源和执行机构两大部分组成。液压泵作为动力源，用液压油来驱动拆装执行机构，完成大直径螺栓的拧紧和拆卸作业。液压传动由于结构紧凑，输出功率及输出扭矩大，工作可靠，并易于实现变量，特别是超高压液压系统的日益成熟，使其能够胜任大扭矩紧固件拆装设备的动力源。 液压扳手执行机构的工作原理[17]：从变量液压泵站输出高压油，推动液压缸的活塞杆，液压缸缸底一端铰接于机架，活塞杆一端和摇臂的一端铰接。摇臂的另一端是棘轮棘爪机构，实现单向间歇转动。液压缸活塞杆的往复运动使得摇臂带动紧固件转动，完成拆装作业。其执行机构示意图如图 2.2 所示。 根据实际作业，液压扳手的设计主要要求有两个：工作效率和输出扭矩的精度，就液压扳手执行机构而言工作效率的大小可以由机构在一个循环过程中摇臂摆角的大小来描述，这个角度值也被称为工作角。根据机构的工作原理，其摆角越大、输出扭矩的精度越高对实际作业越有利。为了提高机构的工作效率就必须增大摆角，但是由定性分析可知增大摆角会降低机构的精度，二者是矛盾的，下面就二者的计算公式和关系进行具体的推导。
2.3拧紧力矩与工作摆角的设计计算
机构运动示意图如图 2.3 所示。摇臂 O2A1在液压缸 O1A1活塞杆的推力F 的作用下绕 O2点从位置 1 转到位置 2（虚线表示），转过的角度为θ 1，O2处的棘轮棘爪机构带动作业对象（螺栓或螺母）拆松或拧紧。忽略机构中的摩擦阻力。
由式(2.1)可以看出机构的拆装力矩M 和液压缸的输出推力F 、摇臂长度2L 以及传动角γ 的正弦值成正比。液压缸输活塞杆的推力F 和摇臂的长度2L 的大小与机构转动过程中所处的位置无关，而传动角γ 的大小则由机构所处位置来决定。由机械原理知识可知在机构的工作过程中传动角γ 的值愈大对机构的工作愈有利。
3优化设计研究
3.1 优化设计概述 在设计过程中，作为设计工作者总是希望能够根据产品设计的要求，合理地确定各种参数，找出一个最好的设计方案，使自己所设计的产品或工程设施具有最好的使用性能和最低的材料消耗与制造成本，以期达到最佳的设计目标。 为了能够达到最佳的设计目标，设计工作者在设计过程中往往会提供几种备选方案，再从中择其“最优”者。然而长期以来设计工作者采用的设计方法是经验类比法。这种传统设计方法必须经过 “设计――分析――再设计”的过程，即首先根据设计任务及要求进行调查研究和搜集有关资料，参照相同或类似任务现有的、已完成的较为成熟的设计方案，凭借设计者的经验，辅以必要的分析计算，确定一个合适的设计方案，并通过估算，初步确定有关参数；然后对初定方案进行必要的分析及校核计算；如果某些设计要求得不到满足，则可进行设计方案的修改，设计参数的调整，并再一次进行分析及校核计算，如此多次反复，直到获得满意的设计方案为止。显然，这个设计过程是人工试凑与类比分析的过程，不仅需要花费较多的设计时间，增长设计周期，由于受设计经费和时间的限制，只能在少数几个候选方案中进行分析比较。这样得出的“最优方案”只是有限候选方案中的最好方案，不可能得到一切可能方案的“最优方案”。而现代优化设计方法能够很好地解决上述问题。 优化设计是近几十年发展起来的一门新的设计方法，是现代设计方法的重要内容之一。它以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下，寻求满足预定目标的最佳设计。 优化设计方法的出现与电子计算机技术的应用和发展有着密切的关系。随着电子计算机技术的发展和应用，50 年代发展起来的以线性规划与非线性规划为主要内容的新的数学分支――数学规划被应用于解决工程设计问题，形成了工程设计的新理论和新方法，即工程优化设计理论与方法，为新的设计方法――优化设计的发展奠定了坚实的理论基础。 由于现代优化设计方法以电子计算机为工具，把设计工作者从繁重的设计计算工作中解放出来，使设计工作者有更多的时间和精力从事创造性设计，理论上讲它可以从所有可能的可行方案中择其“最优”，因而彻底解决了因为备选方案过少而不能得到实际最优方案的问题，大大提高设计效率和设计质量。同时经过几十年的工程优化设计理论的与方法的研究和实践，使传统的工程设计方法发生了根本性的变革，从而把经验的、感性的、类比的传统设计方法转变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。 优化设计是现代设计的一个重要组成部分，采用优化设计不但可以使设计参数满足约束条件，同时还可以使产品的主要性能达到最优。大大降低了设计工作者的劳动强度，使设计实现了自动化和半自动化。但是，优化设计只是参数的设计，并不能代替人的创造和经验，特别是解决多目标的优化设计时，各目标的主次和加权数的选择是与经验分不开的，而对于大系统的优化与动态优化，要解决的问题就更复杂了。总之，优化设计是现代设计的核心内容，在理论上和应用上正以高速度向前发展。 液压扭矩扳手的执行机构是一个摆动油缸四杆机构，属于平面四杆机构的范畴。在一般情况下，液压扭矩扳手的工作位置比较特殊，工作空间比较狭窄，工作载荷又比较大。为保证机械的正常工作，设计中应满足一些基本要求。比如安全可靠性，钢结构要有足够的强度。再比如由于工作位置比较特殊，工作空间常常比较小，因而要求其结构尺寸在满足工作性能的条件下要尽量的小；为了携带方便，自重要轻；为了满足工业要求，制造方便；成本要低等等。再有就是性能上的一些基本要求，比如为了满足工程要求，其精度一定要高，工作效率也应尽量高等。采用最优化设计，既可以使方案在规定的设计要求下达到合理的结构形式，又不必耗费过多的计算工作量，而且对于减轻结构重量，降低用钢量和结构造价以及提高结构的精度和工作效率有着一定的意义，同时也可以缩短整个的设计周期。利用计算机实现对结构方案优劣的判断，以求获得工作效率最高，结构尺寸最小，同时精度也较高的设计方案，无疑对提高液扭矩压扳手的设计质量，改善其工作性能，加快设计进程都有着显著的意义。 3.2 优化设计数学模型的建立 所谓的优化设计的数学模型就是指描述优化问题的设计内容、变量关系、有关设计条件和优化意图的数学表达式。建立数学模型是优化设计的基础，数学模型能否严密而准确地反映优化问题的实质，是优化设计成败的关键。但是，要建立能反映客观工程实践的、完善的数学模型并不是一件容易的事。正确的数学模型应能够准确表达设计问题。优化设计数学模型主要有三个要素：设计变量、目标函数和约束条件。为此，要正确地选择设计变量、目标函数和约束条件，并把它们组合在一起，成为一组能准确地反映最优化问题的数学表达式；同时，所建立的数学表达模型要易于计算和处理。设计时要善于处理好这两个方面的问题。 设计变量是指能够影响设计质量或结果的可变参数。但是如果将所有能影响设计质量的参数都列为设计变量，将使问题复杂化，而且也没有必要。因而，应对影响设计指标的所有参数进行分析、比较，从中选择出对设计质量确有显著影响且能直接控制的独力参数作为设计变量，其它参数则作为常数来处理。在一个最优化设计问题中，设计变量太多，将使问题变得十分复杂；而设计变量太少，则设计的自由度太少，不能求得最优化的结果。因而，应根据具体的设计问题综合考虑这两个方面，合理地选取设计变量。 目标函数是以设计变量来表示设计所要追求的某种性能指标的表达式。通常，设计所要追求的性能指标较多，显然应以其中最主要的作为设计追求的目标，建立目标函数。当设计所要追求的目标不止一个时，可以取其中最主要的作为目标函数，其余的列为设计变量；也可以有多个目标函数，采用多目标函数的最优化方法来求解。原则上应尽量控制目标函数的数目，使同时追求的目标少一些。 约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件的数学表达式。设计的约束条件主要有两种：不等式约束和等式约束。约束条件是由实际的设计要求导出的，一般可分为边界约束和性能约束两种。边界约束（又称区域约束）主要限制设计变量的取值范围（最大允许值和最小允许值）。性能约束（或称形态约束），是由某种设计性能导出的一种约束。约束条件的确定，以满足设计要求为原则，应注意约束条件越多，优化问题越难求解。选取约束条件时，特别要注意避免重复的约束、矛盾的约束和线性相关的约束。 在建立数学模型时，片面强调简洁，则可能使数学模型过分失真，以致失去了求解的意义。
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