高速混合陶瓷球軸承分析與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、高速化是機(jī)械產(chǎn)品重要發(fā)展方向之一。而實(shí)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?；旌咸沾汕蜉S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(yùn)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(lái)大量軸承試驗(yàn)建立了一系列經(jīng)驗(yàn)公式，這些經(jīng)驗(yàn)公式不能很好的適應(yīng)材料和高速工況的變化。另外，針對(duì)鋼球

2、軸承的常規(guī)設(shè)計(jì)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(jì)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(chǎng)。然后用二維插值法簡(jiǎn)化疲勞壽命的計(jì)算。
　　 接著用有限元法仿真高速混合陶瓷球軸承運(yùn)轉(zhuǎn)，獲取計(jì)算軸承摩擦功率所需的動(dòng)力學(xué)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(duì)軸承進(jìn)行熱分析。結(jié)果顯示，軸向載荷和內(nèi)圈轉(zhuǎn)速對(duì)球在內(nèi)圈自旋摩擦功率影響顯著，而對(duì)球在外圈自旋摩擦功率和球在外圈差速滑動(dòng)摩擦功率影響不大。軸向載荷和內(nèi)圈轉(zhuǎn)速對(duì)內(nèi)圈和球的溫升影響顯著，而對(duì)外圈影響不大。
　　 然后建立高速混合陶瓷球軸承多目標(biāo)優(yōu)化模型，針對(duì)高速混合陶瓷球軸承的特點(diǎn)，選取疲勞壽命、自旋摩擦功率和軸向剛度等作為目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)混合陶瓷球軸承的三個(gè)目標(biāo)函數(shù)都是隱函數(shù)的特點(diǎn)，采用

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