机械结构组合对称概念体系及应用分析

机械结构组合对称概念体系及应用分析

王文亮

身份证号码：362426198511154315

摘要：在社会生产中，机械设备的应用非常广泛，而机械结构组合对称性直接影响机械设备的整体性能。为了将结构组合对称性思想应用到机械设计中，从主体、对称基准角度分析了对称机械体系结构，并提出构建单层与多层、串联与并联关系的机械结构组成概念体系。

关键词：机械结构组合；对称概念

引言

当今，工艺对称性对我国机械制造的发展有着极其重要的作用，有利于提高我国的机械制造水平。“对称性”在数学、物理性等方面都有应用，对称性在数学学科方面变现在原点对称等方面，在物理学方面泛指规范对称性，和整体对称性，同时在机械工艺方面也有着对称性，在机械工艺方面对称性表现在各切面的中心点对称结构对称性在机械制造领域得到了广泛应用，相关设计人员通过分析零件结构对称与生产装配关系，分析零件之间的对称性即可找出对称条件，然后从衍生出的多个对称零件的组合匹配中，判定出顺利装配的方法。分析组合对称的实质性是机械领域生产的主要内容，而分析组合对称的层次性与串并联关系，人们可以挖掘、提炼结构组合对称性设计知识。

1机械结构组合对称概念体系

机械结构是影响机械运行质量的基础内容，可以划分为对称组元和对称基准。其中，对称组元与对称主体相似，包括旋转、平移对称组元结构。对称基准主要包括空间上的点、线、面等，包括数目、维度、种类三大属性。维度与基准方向有着直接关系，而基础类型与种类相互影响，数目决定了基准个数。这些因素决定了机械对称种类，同时也约束了组元间的空间位置关系。

1.1组合对称部件

在进行研究过程中，不能单考虑单个零部件结构上的对称，还需要结合对称主体数目进行研究。在组合单对称主体部件中，最为基础的组合对称形态也表现出多基准组合形态。螺旋线直齿齿轮副是一个单主体组合对称部件，其中有两个对称基准，一是通过齿和点且垂直纸面轴线旋转的对称轴；二是通过与机械直面重合的镜射对称面。在机械设计领域，通常将多个对称主体的组合划分为两大类。一是多个对称零件以及零件结构对称要素进行组合，以最为常见的齿轮器械为例，通常要将旋转齿轮和平移齿条进行对称设计，这样才能够更好地结合，使旋转、平面直线运动实现相互转换，实现力的传递。二是很多零件中存在跨越式对称，所以要进行跨越式零件组合对称设计。例如，三抓轴承拉马组合结构就是非常典型的跨越组合，并且是双跨度零件旋转对称的组合形式，也是一种零部件和主体的组合形态，零件与主体有依附关系。螺杆与底座是旋转、外螺纹对称，它是零件对称结构要素的组合形式。从基准层面分析，如果基准面的维度和对称种类相同，则可以判定为同基准关系，都是设置在同一个对称基准面上。从主体层级上分析，对称主体与零部件相互独立，形成了相互独立的组成关系。除了单级对称外，还有部分部件具有多个对称级，也就是说，相似或相同部件在同一个主体单元中构成的对称组元，组成复合式嵌套关系。在连接与功能关系层面上，将能量、物料、信息上进行整合分解，并采用并联连接形式，但传递和输送装置都采用串联连接法，这样可以减少机械内部复杂度。

1.2单层组合关系

单层组合关系通常表现为多个对称零件之间或多个零件对称构成要素间的串并联连接形成的单层次对称组合。单层串联形式，是一种蜗杆传动机构，将蜗杆与蜗轮进行串联，这样即可实现垂直方向的运转。齿轮通常采用螺旋对称形态，如果齿轮不对称，除了会增加做功外，还会提高磨损度，所以应采用单一层零件对称串联组合形态。对于单层并联组合，机械两侧齿轮凹凸镶嵌，采用并联结构链接形式，这样即可让咪齿对称衔接，并沿着Y轴对称，但整体高低结构需要错开一些，是非对称结构，构成单一层次两对称并联组合。多层嵌套是指多个结构对称，由多层次机械构成的对称组合。将物料通过多层组合形式传送到传输机中，物料输送转轮主要采用串联形式，这样多层嵌套相抵即可实现运输传送。分析整体传统结构可见，旋转对称转轮组分别对称，在滑动过程中依然会形成运动对称；而在低层次中，每个转轮都旋转对称，可见零件间的串联组合形式可以划分为双层对称嵌套关系。多层并联组合形式，主要包括三蜗轮机构、蜗杆和蜗轮，形成并联齿和形态。这样不仅可以保证运动量部件的独立性，在运动中实现分解功能，同时也能够联合对称运行。在低层次中，蜗杆和蜗轮主要采用对称串联组合形式；而在高层上，蜗轮、蜗杆副都是对称组元，从而并联形成一个上层主体形式。

2机械结构组合对称用于产品创新的实践

2.1问题描述

液压泵的主要功能是提升油液压力，供执行元件使用．叶片泵是各类液压系统常用的一种液压泵．在一个作业循环周期中，叶片在压缩腔内的扫掠体积不均匀，导致单作用和双作用叶片泵出现输出流量发生周期波动的问题．在一些精密设备或医用设备中，常有连续输出无周期性波动液体的功能需求．利用结构组合对称设计知识，发明一种新液压泵，能够同时解决受力平衡问题和瞬时流量周期性波动问题．

2.2发明过程

设计任务：发明一种转子受力近似平衡，流量稳定，噪音小、发热小、纯机械结构的无冲击液压泵．核心功能、性能：利用平台挖掘、检索功能，得出表1所示的组合对称设计应用知识，指明了设计方向．原理与结构解：现有叶片泵采用扩大体积吸油，压缩体积排油的物理效应，转子中叶片的瞬时扫掠面积动态变化，当转速恒定时，输出流量呈周期性波动.如图2所示，采用与现有叶片泵同样的物理效应，但是将原来单泵腔体独立工作转变为四腔体并联工作．通过调整4个腔体叶片的相位角，使４个腔体转子叶片的瞬时扫掠面积之和恒定，实现泵的总输出流量稳定．为了确保“合并”后能够输出“流量稳定高压油”，各并联子功能输出的“波动高压油1”、“波动高压油2”、“波动高压油3”和“波动高压油４”应便于叠加．为此，将单个腔体内定子与转子剖面设计为椭圆（镜射对称）与圆（旋转对称）的对称组合．此时，叶片瞬时扫掠面积与叶片转角的关系为简单的三角波曲线。

表1平台检索得到的组合对称设计应用知识