基于遺傳算法的齒輪減速器模型優(yōu)化設(shè)計.doc

畢業(yè)設(shè)計(論文)基于遺傳算法的齒輪減速器模型優(yōu)化設(shè)計OPTIMALDESIGNFORGEARREDUCERBASEDONGENETICALGORITHM學(xué)生姓名學(xué)院名稱專業(yè)名稱機械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師摘要齒輪減速器是原動機和工作機之間的減速傳動裝置，它廣泛應(yīng)用于日常生活和生產(chǎn)中，但傳統(tǒng)設(shè)計中仍存在著體積過大、效率過低的問題，因此有必要對齒輪減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。針對一級齒輪減速器，選取合理的設(shè)計變量，以減速器體積最小為目標(biāo)建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)齒寬系數(shù)、模數(shù)、齒輪的應(yīng)力和軸的彎曲強度等約束條件來確定約束函數(shù)。采用遺傳算法對模型進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過實數(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)過機械校核得出優(yōu)化出的參數(shù)是滿足約束條件，實現(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；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.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.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機械設(shè)計與校核.234.1齒輪的設(shè)計與校核.234.1.1優(yōu)化結(jié)果.234.1.2大齒輪的強度的校核.234.1.3小齒輪的強度的校核.254.2軸的設(shè)計和校核.264.2.1高速軸設(shè)計.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.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減速器減速機是一種相對精密的機械，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，按照傳動級數(shù)不同可分為單級和多級減速器；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，按照傳動和結(jié)構(gòu)特點來劃分，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，使用時只需要結(jié)合所需傳動功率、轉(zhuǎn)速、傳動比、工作條件和機械的總體布置等具體要求，從產(chǎn)品目錄和有關(guān)手冊中選取即可，只有在選不到合適的產(chǎn)品時，才自行設(shè)計制造，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，它們的減速器工作具有可靠性好，使用壽命長的優(yōu)點。但其傳動形式仍是以定軸齒輪傳動為主。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、大傳動比以及長壽命的趨勢發(fā)展。因此，除了不斷提高工藝水平、改進(jìn)材料品質(zhì)外，還在傳動結(jié)構(gòu)和傳動原理上要深入探討和創(chuàng)新，平動齒輪傳動原理的出現(xiàn)就是一例。國內(nèi)的減速器多以齒輪傳動、蝸桿傳動為主，但普遍存在著功率與重量比小，或者機械效率過低而傳動比大的問題。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、擺線針輪傳動、諧波傳動等減速器具有傳動比大、體積小、機械效率高等優(yōu)點。但受其傳動的理論的限制，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、機械效率高、傳動比大、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級提高到GB1009588的6級,高速齒輪的制造精度可穩(wěn)定在45級。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、傳動效率有了大幅度的提高,對節(jié)能和提高主機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)計制造2800kW的水泥磨減速器、1700mm軋鋼機的各種齒輪減速器。各種棒材、線材軋機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)品并存過渡會經(jīng)歷一段較長的時間。90年代初期，國內(nèi)出現(xiàn)的三環(huán)（齒輪）減速器，是一種外平動齒輪傳動的減速器，它可實現(xiàn)較大的傳動比，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)簡單并且效率也高。1.1.2齒輪減速器的介紹對于齒輪減速器，它是原動機和工作機之間的獨立減速傳動裝置3，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高、傳遞運動準(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、機車、建筑用的重型機具中得到廣泛應(yīng)用。并且從機械工業(yè)所用的加工機具以及自動化生產(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按減速齒輪的級數(shù)可分為單級齒輪減速器、二級齒輪減速器、三級齒輪減速器和多級齒輪減速器幾種；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；按運動簡圖的特點可分為展開式、同軸式和分流式減速器等。單級圓柱齒輪減速器的最大傳動比一般為810，作此限制主要為避免外廓尺寸過大。若要求i10時，就應(yīng)采用二級圓柱齒輪減速器。二級圓柱齒輪減速器應(yīng)用于i為850及高、低速級的中心距總和為250400mm的情況下。三級圓柱齒輪減速器，用于要求傳動比較大的場合。圓錐齒輪減速器和二級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總是采用圓錐齒