高速混合陶瓷球軸承分析與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、高速化是機械產(chǎn)品重要發(fā)展方向之一。而實現(xiàn)高速化的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件之一就是高速球軸承。在高速工況下，球快速增加的離心力和摩擦生熱極大的限制了鋼球軸承的最高轉(zhuǎn)速。混合陶瓷球軸承(用氮化硅陶瓷球替代鋼球)則能突破該限制。
　　 陶瓷與鋼的材料性能相差懸殊，混合陶瓷球軸承和鋼球軸承在高速工況下的運轉(zhuǎn)性能差異很大，常規(guī)疲勞壽命和熱分析方法基于多年來大量軸承試驗建立了一系列經(jīng)驗公式，這些經(jīng)驗公式不能很好的適應(yīng)材料和高速工況的變化。另外，針對鋼球

2、軸承的常規(guī)設(shè)計已不能充分發(fā)揮出陶瓷球軸承的優(yōu)越性。
　　 本文首先將Ioannides-Harris理論應(yīng)用于高速混合陶瓷球軸承疲勞壽命的計算中。用有限元法中的子模型技術(shù)精確求解Ioannides-Harris理論所需的球-滾道接觸表面及次表面應(yīng)力場。然后用二維插值法簡化疲勞壽命的計算。
　　 接著用有限元法仿真高速混合陶瓷球軸承運轉(zhuǎn)，獲取計算軸承摩擦功率所需的動力學參數(shù)(包括球與內(nèi)外圈接觸載荷、接觸角、自旋角速度等)。

3、將這些摩擦功率作為熱源加載于軸承溫升有限元模型對軸承進行熱分析。結(jié)果顯示，軸向載荷和內(nèi)圈轉(zhuǎn)速對球在內(nèi)圈自旋摩擦功率影響顯著，而對球在外圈自旋摩擦功率和球在外圈差速滑動摩擦功率影響不大。軸向載荷和內(nèi)圈轉(zhuǎn)速對內(nèi)圈和球的溫升影響顯著，而對外圈影響不大。
　　 然后建立高速混合陶瓷球軸承多目標優(yōu)化模型，針對高速混合陶瓷球軸承的特點，選取疲勞壽命、自旋摩擦功率和軸向剛度等作為目標函數(shù)。針對混合陶瓷球軸承的三個目標函數(shù)都是隱函數(shù)的特點，采用

4、非劣排序遺傳算法-Ⅱ求解混合陶瓷球軸承多目標優(yōu)化問題。在優(yōu)化過程中，采用自適應(yīng)賦初值法解決了擬動力學程序里不同非線性方程組求解時的賦初值難問題。
　　 最后以四種型號混合陶瓷球軸承為算例，分析多目標優(yōu)化結(jié)果中的Pareto最優(yōu)前端、優(yōu)化解集中各設(shè)計變量的分布規(guī)律。對比分析鋼球軸承的當前設(shè)計、陶瓷球軸承的當前設(shè)計和陶瓷球軸承優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)隨工況的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，當優(yōu)化設(shè)計與當前設(shè)計的額定壽命相等時，優(yōu)化設(shè)計的自旋摩擦功率約