一种基于遗传算法建立盾构主轴承结构优化模型的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于遗传算法建立盾构主轴承结构优化模型的方法，属于轴承设计技术领域。本发明专利技术通过对盾构主轴承工作环境的判断，确定出盾构主轴承在工作过程中的受载特征，得到盾构主轴承力学模型；依据ISO 16281标准以及盾构主轴承的力学模型计算出滚动体的受力状态以及盾构主轴承的寿命值；利用遗传算法对盾构主轴承的寿命和体积进行双目标优化，获得一组最优的寿命方案。本发明专利技术可以提高盾构主轴承的寿命计算效率以及设计效率，同时双目标优化可以保证盾构主轴承在体积一定的情况下获得最优的寿命值，从而提高盾构主轴承的使用寿命。用寿命。用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于遗传算法建立盾构主轴承结构优化模型的方法


[0001]本专利技术属于轴承设计
，具体涉及一种基于遗传算法建立盾构主轴承结构优化模型的方法。

技术介绍

[0002]盾构主轴承是盾构机组中的重要零部件，由轴承内外圈、主推滚子、径向滚子和反推滚子所构成。盾构主轴承作为盾构机的承载部件具有低速、重载的特点，不仅连接着刀盘来传递扭矩，而且还承受着电机和齿轮箱等各部件的重力。盾构主轴承是属于大型轴承类别，盾构主轴承影响着整个盾构机的结构尺寸和整机的性能。大型轴承往往需要根据轴承实际的结构尺寸进行设计，并根据载荷来对轴承的主要性能进行校核，若不合格则需要对主要结构参数进行调整重新设计。这种“设计—校核—设计”的设计方法往往过程繁琐且效率不高。造成这种现象的主要原因是，目前现有的大型轴承设计依然参考系列化轴承的设计方法，这种方法在设计阶段没有考虑到载荷对轴承设计参数的影响，而仅对固定体积下的轴承以其额定动载荷为目标来进行优化设计，并只考虑了对轴承几何尺寸关系的约束。而这种方法对于大型盾构主轴承的设计来说并不理想，在盾构主轴承设计中对轴承的寿命和体积的约束比较严格，很多场合下寿命和应力的校核结果都接近许用值，因此过去的设计方法是一种“试凑”的方法，这种设计方法设计的轴承过于保守。另一方面，以往的设计方法不便于将设计流程程序化，并应用于轴承的优化设计中。而随着优化方法的进步，模块化程序化设计将会大大缩减整个设计时间，提高设计效率，节省人力资源。
[0003]采用过于保守的设计方法设计出的主轴承不仅笨重而且设计周期长，带来的是整个轴承结构尺寸增加和设计效率的降低，这对于减少设计成本是不利的。因此，如何设计出既满足主要性能要求且经济性最优的盾构主轴承成为研究的重点问题。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术的不足，本专利技术提出一种基于遗传算法建立盾构主轴承双目标优化模型的方法，以解决盾构主轴承设计计算效率较低的问题，实现设计后，盾构主轴承体积小、寿命值高的目的。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]一种基于遗传算法建立盾构主轴承结构优化模型的方法，包括以下步骤：
[0007]S1、盾构主轴承滚子变形计算方法
[0008]根据盾构主轴承的结构特点以及工作过程中的受载特点，使用相关符号表示出盾构主轴承滚动体的变形情况，轴承内外圈的变形可以表示为
[0009]Δ
m
＝(r
′
om
‑
r
om
)
·
n
om
ꢀꢀ
(1)
[0010]其中，r
om
为变形前的位置向量，r
′
om
为变形后的位置向量，n
om
为垂直于滚道表面的单位向量。
[0011]外圈与滚动体发生相互作用后，最终的位置向量在惯性坐标系下(XYZ)表示为
[0012]r
′
om
＝r
om
+δ
o
+[θ
o
]r
om
ꢀꢀ
(2)
[0013]其中，δ
o
为外圈的位移向量；[θ
o
]为外旋转矩阵。
[0014]对于外圈上的同一接触点，其变形前在惯性坐标系下(XYZ)表示为
[0015]r
om
＝r
bm
+[T
m
]ρ
om
ꢀꢀ
(3)
[0016]其中，r
bm
为滚动体坐标系原点在惯性系中坐标原点的位置向量；[T
m
]为滚动体坐标系到惯性坐标系的变换矩阵；ρ
om
为外滚道上的点在滚动体坐标系下的位置向量。
[0017]最终轴承内外圈的总变形表示为
[0018]Δ
m
＝[δ
o
+[θ
o
](r
bm
+[T
m
]ρ
om
)]·
n
om
ꢀꢀ
(4)
[0019]S2、确定盾构主轴承的力学模型
[0020]盾构主轴承的受力特点为：同时承受轴向力F
z
、径向力F
x
和F
y
以及倾覆力矩M
x
和M
y
。主推滚子主要承受Z方向的推力F
z1
、Y方向的扭矩M
y1
以及X方向的扭矩M
x1
，径向滚子主要承受X方向和Y方向的推力F
x2
、F
y2
以及X方向和Y方向的扭矩M
x2
、M
y2
，反推滚子主要承受Z方向的推力F
z3
、Y方向的扭矩M
y3
以及X方向的扭矩M
x3
。根据以上描述的盾构主轴承的力学模型可以得到以下的平衡方程：
[0021][0022]其中，Z1表示主推滚子数量，Z2表示径向滚子数量，Z3表示反推滚子数量。
[0023]S3、盾构主轴承的寿命计算方法
[0024]使用ISO/TS 16281
‑
2008标准提出的寿命计算方法，将轴承的滚动体沿滚动体轴线方向，将有效接触长度划分为固定的段数，进行寿命计算。
[0025]首先计算轴承层的基本额定动态负载荷
[0026]内圈轴承层的额定动载荷q
ci
：
[0027][0028]外圈轴承层的额定动载荷q
ce
：
[0029][0030]其中，n
s
为轴承划分的层数；Q
ci
和Q
ce
为滚动体的载荷。
[0031]轴承层的等效动载荷表示为：
[0032]内圈：
[0033]外圈：其中，Z为滚动体数量，q
j,k
为轴承层所受载荷，f
i
[j,k]和f
e
[j,k]为边缘集中应力。
[0034]结合前面的计算过程，可以得到单个滚道的额定寿命计算公式
[0035][0036]其中，q
kci
表示内圈第k片轴承层的额定动载荷，q
kce
表示外圈第k片轴承层的额定动载荷。
[0037]单一工况下盾构主轴承的寿命可以表示为
[0038][0039]其中，L1、L2、L3为单一工况下各个滚道的寿命。
[0040]S4、根据步骤S2的力学模型计算盾构主轴承的寿命和体积
[0041]复合工况下盾构主轴承的寿命计算
[0042][0043]其中，L
z1
为盾构主轴承在工况一下的寿命，L
z2
为盾构主轴承在工况二下的寿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法建立盾构主轴承结构优化模型的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、盾构主轴承滚子变形计算方法根据盾构主轴承的结构特点以及工作过程中的受载特点，轴承内外圈的变形表示为Δ
m
＝(r
′
om
‑
r
om
)
·
n
om (1)其中，r
om
为变形前的位置向量，r
′
om
为变形后的位置向量，n
om
为垂直于滚道表面的单位向量；外圈与滚动体发生相互作用后，最终的位置向量在惯性坐标系下表示为r
′
om
＝r
om
+δ
o
+[θ
o
]r
om
ꢀꢀ
(2)其中，δ
o
为外圈的位移向量；[θ
o
]为外旋转矩阵；对于外圈上的同一接触点，其变形前在惯性坐标系下表示为r
om
＝r
bm
+[T
m
]ρ
om
ꢀꢀ
(3)其中，r
bm
为滚动体坐标系原点在惯性系中坐标原点的位置向量；[T
m
]为滚动体坐标系到惯性坐标系的变换矩阵；ρ
om
为外滚道上的点在滚动体坐标系下的位置向量；最终轴承内外圈的总变形表示为Δ
m
＝[δ
o
+[θ
o
](r
bm
+[T
m
]ρ
om
)]
·
n
om
ꢀꢀ
(4)S2、确定盾构主轴承的力学模型盾构主轴承的受力特点为：同时承受轴向力F
z
、径向力F
x
和F
y
以及倾覆力矩M
x
和M
y
；主推滚子主要承受Z方向的推力F
z1
、Y方向的扭矩M
y1
以及X方向的扭矩M
x1
；径向滚子主要承受X方向和Y方向的推力F
x2
、F
y2
以及X方向和Y方向的扭矩M
x2
、M
y2
；反推滚子主要承受Z方向的推力F
z3
、Y方向的扭矩M
y3
以及X方向的扭矩M
x3
；根据以上描述的盾构主轴承的力学模型可以得到以下的平衡方程：其中，Z1表示主推滚子数量，Z2表示径向滚子数量，Z3表示反推滚子数量；S3、盾构主轴承的寿命计算方法使用ISO/TS 16281
‑
2008标准提出的寿命计算方法，将轴承的滚动体沿滚动体轴线方向，将有效接触...

【专利技术属性】
技术研发人员：李震，葛浩田，王林涛，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：