基于遺傳算法的齒輪減速器模型優(yōu)化設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)基于遺傳算法的齒輪減速器模型優(yōu)化設(shè)計(jì)OPTIMALDESIGNFORGEARREDUCERBASEDONGENETICALGORITHM學(xué)生姓名學(xué)院名稱專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師摘要齒輪減速器是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的減速傳動(dòng)裝置，它廣泛應(yīng)用于日常生活和生產(chǎn)中，但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中仍存在著體積過大、效率過低的問題，因此有必要對(duì)齒輪減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)一級(jí)齒輪減速器，選取合理的設(shè)計(jì)變量，以減速器體積最小為目標(biāo)建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)齒寬系數(shù)、模數(shù)、齒輪的應(yīng)力和軸的彎曲強(qiáng)度等約束條件來確定約束函數(shù)。采用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過實(shí)數(shù)交叉、高斯變異和可行性規(guī)則選擇反復(fù)循環(huán)得出優(yōu)化后的參數(shù)，經(jīng)過機(jī)械校核得出優(yōu)化出的參數(shù)是滿足約束條件，實(shí)現(xiàn)了齒輪減速器體積最小的優(yōu)化目標(biāo)。關(guān)鍵詞減速器；遺傳算法；優(yōu)化設(shè)計(jì)；AbstractGearreduceristhetransmissiondeviceforspeeddeceleration,connectingprimemotorandworkingmachine，whichhasbeenwidelyusedinourdailylifeandproduction.Buttherestillexistsomeproblemsintraditionaldesignandmanufacture,suchasover-largevolumeandlowefficiency.Thereforeitisnecessarytooptimizethedesignofgearreducer.Afterselectingreasonabledesignvariablestothegearreducermodel,optimummathematicalmodelissetupaimingattheleastvolume.Andtheconstraintfunctionsareacquiredbasedonconstraintcondition,suchastoothwidthcoefficient,stressconditionsofgears,bendingstrengthofshaft,etc.Then,geneticalgorithmisadoptedtooptimizethemodel,afterrepeatedcycleofarithmeticcrossoverandGaussianmutation,selectionbasedonfeasiblesolution.Optimizedparametersofthegearreducerisobtainedrealizingtheobjectiveoftheleastoptimizedvolume.Bymechanicalcalculation,parametersofoptimizationareundercertainconstraintsandfinallyrealizethegoalofminimumvolume.KeywordsGearReducerGeneticAlgorithmOptimalD目錄摘要.IIAbstract.III1緒論.11.1減速器.11.1.1減速器國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展.11.1.2齒輪減速器的介紹.21.1.3齒輪減速器的分類.21.1.4齒輪減速器的結(jié)構(gòu).21.1.5齒輪減速器的工作原理.31.2優(yōu)化設(shè)計(jì).31.3本課題的主要內(nèi)容和解決問題.42齒輪減速器數(shù)學(xué)模型的建立.52.1齒輪減速器的數(shù)學(xué)模型.52.1.1建立一級(jí)齒輪減速器的數(shù)學(xué)模型.52.1.2確定約束函數(shù).73遺傳算法程序設(shè)計(jì).123.1智能算法選擇.123.1.1智能算法種類.123.2遺傳算法介紹.133.3遺傳算法程序?qū)崿F(xiàn).143.3.1遺傳算法中的參數(shù).143.3.2遺傳算法的偽代碼.153.3.3編碼和解碼.153.3.4交叉.163.3.5變異.173.3.6選擇.193.3.7約束的處理.204機(jī)械設(shè)計(jì)與校核.234.1齒輪的設(shè)計(jì)與校核.234.1.1優(yōu)化結(jié)果.234.1.2大齒輪的強(qiáng)度的校核.234.1.3小齒輪的強(qiáng)度的校核.254.2軸的設(shè)計(jì)和校核.264.2.1高速軸設(shè)計(jì).264.2.2高速軸校核.274.2.3高速軸軸承壽命校核.294.2.4低速軸設(shè)計(jì).304.2.5低速軸校核.314.2.6低速軸軸承壽命校核.334.3齒輪減速器箱體的結(jié)構(gòu)尺寸.344.4減速器的潤(rùn)滑和密封.35結(jié)論.37致謝.38參考文獻(xiàn).391緒論1.1減速器減速機(jī)是一種相對(duì)精密的機(jī)械，使用它的目的是降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩。它的種類繁多，型號(hào)各異，不同種類有不同的用途。減速器的種類繁多1，按照傳動(dòng)級(jí)數(shù)不同可分為單級(jí)和多級(jí)減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐圓柱齒輪減速器；按照傳動(dòng)的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式減速器，按照傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來劃分，可分為下列六種減速器：齒輪減速器、蝸桿減速器、蝸桿齒輪減速器及齒輪-蝸桿減速器、擺線針輪減速器、諧波齒輪減速器和行星齒輪減速器。對(duì)于上述六種減速器已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)的系列產(chǎn)品，使用時(shí)只需要結(jié)合所需傳動(dòng)功率、轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比、工作條件和機(jī)械的總體布置等具體要求，從產(chǎn)品目錄和有關(guān)手冊(cè)中選取即可，只有在選不到合適的產(chǎn)品時(shí)，才自行設(shè)計(jì)制造，此外還有一些專用的減速器（如在電梯、閥門開關(guān)等處用）。1.1.1減速器國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展國外的減速器2，以德國、丹麥和日本的處于領(lǐng)先地位，它們特別是在制造工藝和材料的方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，它們的減速器工作具有可靠性好，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但其傳動(dòng)形式仍是以定軸齒輪傳動(dòng)為主。日本住友重工研制的FA型高精度減速器，美國Alan-Newton公司研制的X-Y式減速器在結(jié)構(gòu)上和傳動(dòng)原理上都為當(dāng)今世界先進(jìn)的齒輪減速器。目前的減速器是向著小體積、大功率、高效率、大傳動(dòng)比以及長(zhǎng)壽命的趨勢(shì)發(fā)展。因此，除了不斷提高工藝水平、改進(jìn)材料品質(zhì)外，還在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)原理上要深入探討和創(chuàng)新，平動(dòng)齒輪傳動(dòng)原理的出現(xiàn)就是一例。國內(nèi)的減速器多以齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)為主，但普遍存在著功率與重量比小，或者機(jī)械效率過低而傳動(dòng)比大的問題。另外，工藝水平和上材料品質(zhì)還有許多不足之處，特別是大型的減速器的不足之處更加的突出。60年代開始生產(chǎn)的少齒差傳動(dòng)、擺線針輪傳動(dòng)、諧波傳動(dòng)等減速器具有傳動(dòng)比大、體積小、機(jī)械效率高等優(yōu)點(diǎn)。但受其傳動(dòng)的理論的限制，不能傳遞過大的功率，功率一般都是要小于40kw。由于在材料品質(zhì)方面、傳動(dòng)的理論和工藝水平方面沒有突破，因此，國內(nèi)沒能從根本上解決傳遞功率大、機(jī)械效率高、傳動(dòng)比大、重量輕、體積小等這些基本要求。改革開放以來,我國引進(jìn)了一批先進(jìn)的加工裝備。通過不斷引進(jìn)、消化和吸收國外先進(jìn)技術(shù)以及科研攻關(guān),開始掌握了各種高速和低速重載齒輪裝置的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。材料和熱處理質(zhì)量及齒輪加工精度都有較大的提高,通用圓柱齒輪的制造精度可從JB17960的89級(jí)提高到GB1009588的6級(jí),高速齒輪的制造精度可穩(wěn)定在45級(jí)。部分減速器采用硬齒面后,體積和重量明顯減小,承載能力、使用壽命、傳動(dòng)效率有了大幅度的提高,對(duì)節(jié)能和提高主機(jī)的總體水平起到明顯的作用。從1988年以來,我國相繼制定了5060種齒輪和蝸桿減速器的標(biāo)準(zhǔn),研制了許多新型減速器,這些產(chǎn)品大多數(shù)達(dá)到了20世紀(jì)80年代的國際水平。目前,我國可設(shè)計(jì)制造2800kW的水泥磨減速器、1700mm軋鋼機(jī)的各種齒輪減速器。各種棒材、線材軋機(jī)用減速器可全部采用硬齒面。但是,我國大多數(shù)減速器的水平還不高,老產(chǎn)品不可能立即被替代,新老產(chǎn)品并存過渡會(huì)經(jīng)歷一段較長(zhǎng)的時(shí)間。90年代初期，國內(nèi)出現(xiàn)的三環(huán)（齒輪）減速器，是一種外平動(dòng)齒輪傳動(dòng)的減速器，它可實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，傳遞載荷的能力也大。它的體積和重量都比定軸齒輪減速器輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且效率也高。1.1.2齒輪減速器的介紹對(duì)于齒輪減速器，它是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立減速傳動(dòng)裝置3，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高、傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠、使用維護(hù)方便，并可成批生產(chǎn)，所以在船舶汽車、機(jī)車、建筑用的重型機(jī)具中得到廣泛應(yīng)用。并且從機(jī)械工業(yè)所用的加工機(jī)具以及自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，到常見的電鐘表等，齒輪減速器都起到了重要的作用。盡管齒輪減速器廣泛的應(yīng)用于日常生活和生產(chǎn)中，但是它的設(shè)計(jì)和制造等方面仍存在著種種問題。1.1.3齒輪減速器的分類齒輪減速器3按減速齒輪的級(jí)數(shù)可分為單級(jí)齒輪減速器、二級(jí)齒輪減速器、三級(jí)齒輪減速器和多級(jí)齒輪減速器幾種；按軸在空間的相互配置方式可分為立式和臥式減速器兩種；按運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的特點(diǎn)可分為展開式、同軸式和分流式減速器等。單級(jí)圓柱齒輪減速器的最大傳動(dòng)比一般為810，作此限制主要為避免外廓尺寸過大。若要求i10時(shí)，就應(yīng)采用二級(jí)圓柱齒輪減速器。二級(jí)圓柱齒輪減速器應(yīng)用于i為850及高、低速級(jí)的中心距總和為250400mm的情況下。三級(jí)圓柱齒輪減速器，用于要求傳動(dòng)比較大的場(chǎng)合。圓錐齒輪減速器和二級(jí)圓錐圓柱齒輪減速器，用于需要輸入軸與輸出軸成90度配置的傳動(dòng)中。因大尺寸的圓錐齒輪較難精確制造，所以圓錐圓柱齒輪減速器的高速級(jí)總是采用圓錐齒