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1、液压扭矩扳手优化设计和改进方案摘 要 : 液压扭矩扳手作为一种大直径螺栓的装配工具，具有很多的优点，如输出扭矩大，使用方便，能够在狭窄的空间范围内使用，且能够比较准确控制预紧扭矩的大小等。这对大量使用高强度螺栓的一些大型基础设施及大型机电设备，尤其是承受载荷及强烈冲击振动的重型机械设备而言显得尤为重要，螺栓联接质量的好坏将直接影响其运转可靠性和使用寿命。虽然液压扭矩扳手已经被广泛应用于冶金、机械、电力、化工、铁路、造船、桥梁、锅炉等行业的重要螺栓联接的安装及拆卸维修，但是其本身还有很多的缺陷，其中最重要的就是输出扭矩的精度较低，工作效率不高。研究人员在液压扭矩扳手执行机构的设计过程，大多是参考
2、国内外现有的产品，再根据经验对其进行改进，采用的是经验类比法，不但计算量大，而且不容易得到最优方案。本论文在对液压扳手执行机构的工作原理以及存在的缺陷进行了深入的分析和研究以后，引用现代优化设计方法，对执行机构的优化设计进行了研究。本文同时还对液压扭矩表的工作原理进行了分析和研究，并针对其不足，提出了机械式液压扭矩表的改进方案，并进一步给出了数字式液压扭矩表的设计方案。论文研究的工作与结论主要表现在以下几个方面： 针对液压扭矩扳手输出扭矩精度较低，工作效率不高的问题，在深入分析液压扭矩扳手执行机构工作原理基础上，提出了机构精度的概念，并给出了评价表达式，推导出了机构的摆角和机构精度的计算公式以
3、及二者之间的关系式。为液压扭矩扳手执行机构的设计提供了理论依据。 首次在液压扭矩扳手的设计过程中，引入了优化设计方法，建立了基于扭矩精度的液压扭矩扳手执行机构的优化设计的数学模型，并将惩罚函数法以及用于求解多维无约束优化问题的的 Powell 法应用到液压扭矩扳手执行机构的优化求解过程中来。 利用 C 语言编制出了优化计算程序；采用 VC+语言对液压扭矩扳手执行机构的优化设计进行了系统集成和实例计算；通过对实例求解结果的分析验证了优化设计方法的优越性。 在分析了液压扭矩表的缺陷和不足后，对机械式液压扭矩表提出了改进方案。由于传感器和数字显示技术的不断发展和进一步的推广，数字仪表将是未来的发展趋
4、势，数字仪表具有机械式仪表无可比拟的优越性，因此本论文还给出了数字式液压扭矩表的设计方案。 37008 源自！六维论文;网毕业论文关键词：液压扭矩扳手，摆动油缸机构，优化设计，扭矩表1.1研究的目的、意义和内容1.1.1 研究目的 就现有的液压扭矩扳手资料来看，现有产品存在有读数精度低和工作效率不高的缺点。在本论文中，针对其存在的问题和缺点，开展了具有普遍意义的研究，力求在提高扭矩读数精度的同时来提高液压扭矩扳手的工作效率。对液压扳手执行机构的精度误差产生的原因及影响因素进行了研究和分析，并且对精度和摆角之间的关系进行了深入的探讨，给出了二者之间的关系式，为液压扳手的设计提供理论依据。通过引用
5、现有先进的设计理论和方法，充分利用计算机的辅助计算功能，找出一种大功率液压扭矩扳手的设计方法，利用此方法，可以根据不同用户的实际需求方便地为其设计出一种符合实际需要的高精度，高工作效率的液压扭矩扳手，实现设计自动化。针对目前液压扭矩扳手输出扭矩精度不高的现状，找出一种机械式液压扭矩表的改进方案，同时对数字式液压扭矩表进行研究，给出其设计方案。论文网1.1.2 研究意义 工业生产和工程建设中，螺纹联接质量的重要性已引起广泛的重视。螺纹联接的质量是保证工程质量、设备质量和设备正常运转的基础。绝大多数螺纹联接在联接时都要预紧，目的在于增强联接的刚性、预紧性、防松及防滑。预紧力的适当控制又是确保螺纹联
6、接质量的关键。因为螺纹联接的预紧力将对螺纹的总载荷、联接的临界载荷、抵抗横向载荷的能力和接合面密封能力等产生影响。过大或过小的预紧力均是有害的，所以预紧力的大小、准确度都十分重要。从而使预紧力的控制成为螺纹联接的重要问题之一。 常用的预紧方法有力矩法、螺母转角法、螺栓预伸长法、特殊垫圈法等，这 4 种控制预紧力的方法，都是施加力矩拧紧螺栓联接的，而施加力矩的大小则是人工来控制，无法做到准确、统一，因而这几种方法都有预紧力控制不准确的缺陷。 :目前，国家对水利、水电、桥梁等基础设施投资力度很大，在其施工、维修和改造过程中，大扭矩紧固件的拆装作业必不可少同时又十分的艰巨；同样，一些大型的机械设备如
7、锅炉等的年度检修中，也会遇到类似的情况。而螺纹连接质量将会直接影响工程质量与设备的正常运行。 大功率液压扭矩扳手可以用于拆装螺栓、螺母，能比较准确地控制拧紧扭矩，广泛用于冶金、机械、电力、化工、铁路、造船、桥梁、锅炉等行业的重要螺栓联接的安装及拆卸维修，能方便、快捷地完成拆装螺栓任务，同时，大功率液压扭矩扳手能够通过液压系统的压力表比较精确、可靠的控制螺栓的预紧力矩，保证所需要的扭矩值，提高螺纹联接的刚度，降低螺栓疲劳断裂的危险性；能够保证广泛采用螺栓联接的可靠性，以利减轻重量和节约空间；适用范围广、适应性强，可用于螺栓及内角螺钉的预紧，且操作简单，使用方便，经济安全。 液压扭矩扳手的输出扭矩
8、的精度与人工方法相比有了很大的提高，但是在某些要求较高的场合下，精度仍然无法满足要求，需要进一步的提高，同时液压扭矩扳手的工作效率也较低，无法满足工程的需求。因而把液压扭矩扳手作为研究课题具有重要的意义。1.1.3 研究内容 本研究对液压扭矩扳手的工作原理进行了深入的研究和探讨，并对液压扭矩扳手的发展历史作了简单的描述，同时对现有液压扭矩扳手在实际应用中存在的问题进行了分析，对现有的设计方法进行了分析和探讨，并针对现有的设计方法存在的问题，在液压扭矩扳手的设计中引入了目前先进的设计理论机械优化设计理论，建立了优化设计的数学模型，并用 C 语言进行了优化程序设计。 为了使机构设计过程更加直观和方
9、便，本论文利用 VC+语言建立了优化设计的参数化的数据输入输出界面，给出了液压扳手执行机构的机构优化设计系统，解决了因没有标准的设计方法，每设计一种类型的液压扭矩扳手都必须进行大量计算的问题，第一次提出了一种自动化优化设计方法，并且给出了具体的优化实例。 本论文还对现有的液压扭矩表的工作原理进行了分析和研究，找出了问题存在的根源，并针对问题，提出了自己的改进方案，并且针对对精度有较高要求的使用场合，给出了液压扭矩扳手的数字扭矩表的设计方案，以满足高精度、高工作效率的要求。1.2 技术路线由液压扳手的工作原理我们知道，液压扳手的执行机构实际上是一个摆动油 缸机构，是一种包括液压缸在内的四杆机构。
10、由于本机构一般对机构的位置都有比较严格的要求，同时机构本身还有力学上的要求。因此，设计一个同时满足这些要求的摆动油缸机构并非易事。采用作图法14要作多次修正才能得到基本满足要求的方案。为了提高设计效率和精度，本研究将采用适合借助计算机进行数值计算的解析方法，建立数学模型，编制一定的程序对执行机构进行优化计算，得到符合设计要求的设计结果，在此基础上给出了液压扭矩扳手的改进方案。其具体的技术路线如下：第一步，首先对液压扭矩扳手的工作原理进行分析，找出现有液压扳手存在的问题和缺陷，提出机构精度的评价指标，然后对机构进行设计计算，初步确定机构的结构尺寸。第二步，引入现代优化设计理论，建立优化数学模型，
11、对液压扳手执行机构进行优化设计，编制优化设计计算程序，给出参数化设计界面，进行实例计算。第三步，对液压扭矩表的工作原理进行深入分析，给出机械式液压扭矩表的改进方案，提出数字式液压扭矩的设计方案。其设计流程如图 1.4.1 所示。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 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 的正弦值成正
12、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 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 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
13、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
14、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
15、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
16、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
