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Rader于1972年提出了一种用于SRB的保持架装置,其中的环形圈有多个轴向向外延伸的销钉或凸起。每个凸起在各自的滚子中延伸成一个孔。Price等在1975年提出了SRB的设计,将滚子的凸形接触面由单一半径曲率修正为连续曲线,目的是防止因破坏性应力集中而导致滚子端部早期失效。Kleckner和Dyba于1983年创建了一种用于SRB分析的设计工具,称为SPHERBEAN(调心轴承分析),通过试验数据验证了该分析方法的有效性。Krzemiński和Raczyński于1984年进行了试验和理论研究,以确定引起滚子歪斜的力矩,也考虑了运动的阻力矩。Tallian和Hingley于1985年研究了用于歪斜控制的具有倒数凸度的SRB。本研究既适用于桶形滚子,也适用于沙漏(或凹)形滚子。在设计中,滚子上的摩擦力矩分布是为了产生正歪斜,从而减少发热,减小轴承摩擦,延长轴承寿命。Tsuji和Motoharu于1991年提出了一种设计,将使用合成树脂制成的保持架用于SRB,目的是防止球面滚子歪斜,提高润滑效果。Krzemiński和Bogdan于1996年对滚子轮廓修形的优化进行了研究,对SRB进行了圆弧修形和圆弧-对数修形。
本文将对滚动轴承优化的重要文献进行综述。Chakraborty等在2003年提出了球轴承的优化问题,该设计有5个设计变量、8个不等式约束条件和将动载荷容量作为目标函数,采用遗传算法求解最长疲劳寿命问题。Gupta等在2007年采用非支配排序遗传算法(NSGA-II)单独和两两对球轴承的静载荷容量、动载荷容量和弹性流体最小膜厚这3个目标函数进行了优化,对轴承性能参数进行了灵敏度分析。Rao和Tiwari于2007年描述了深沟球轴承的非线性设计优化问题,以疲劳寿命最大化为目标函数,采用了遗传算法。Kumar等在2008年提出了一种更好的圆柱滚子轴承设计方法,该方法包含了动载荷容量的单目标优化(SOO)。Kumar等在2009年提出了对数凸度圆柱滚子轴承的优化方法,采用实数编码遗传算法求解SOO问题,该问题以疲劳寿命最大化为目标函数,涉及10个设计参数和20个约束条件。
Tiwari和Waghole通过考虑目标函数(动载荷容量的最大化)、8个设计参数和20个约束条件,于2015年提出了SRB的SOO。采用人工蜂群算法(ABCA)、差分搜索算法(DSA)、网格搜索方法(GSM)和混合方法(HM)求解优化问题。混合方法给出了最优解,同时进行了约束违反研究和灵敏度分析。Najjari和Guilbault于2015年评估了圆柱滚子轮廓的简单几何形状,利用粒子群优化(PSO)对热EHL问题(包括边缘效应)进行了多目标优化(MOO)。Kalyan和Tiwari于2016年对NRB进行了MOO,该优化问题考虑了7个设计变量、2个目标函数(动载荷容量和弹性流体最小膜厚)和16个约束条件,还对轴承性能参数进行了灵敏度分析。
约束条件1和2:节圆直径 D m 的范围必须在轴承内径与外径之间选择,并考虑内圈和外圈倒角半径的空间,还必须为滚子直径和套圈厚度留出足够空间。约束条件3和4:从强度和几何角度考虑,得到了滚子直径 D w 的范围。约束条件5和6:滚子数量 Z 的下限由轴承节圆直径的下限值和滚子直径的上限值求得,用于上限时则反之。约束条件7和8:利用参数 χ 得到有效滚子长度 l e 的下限,通过考虑密封件和引导套圈的可用空间得出上限。约束条件9和10:滚子直径用2个参数 K Dmin 和 K Dmax 给出界限,通过优化得到这些约束参数的值。约束条件11:通过考虑几何形状,对两列滚子间的中心距给出了限制,该约束条件是在靠近轴承中心平面的相邻滚子的2个拐角点间保持较小的距离。约束条件12:为了强化外圈,使用参数 ε ,外圈厚度不应小于 εD w 。约束条件13:为了保证滚子的平稳运行,考虑2个滚子有1°的间隙,从而得到滚子数量的约束条件。约束条件14:内圈的应力通常大于外圈的应力,所以采用约束条件从外圈强化内圈。约束条件15~18:曲率差 F ( ρ )总为0~1之间的数字,这对滚子平均直径、节圆直径、滚子曲率半径和滚道半径施加了现实的约束条件。约束条件19:滚子的长度和直径必须在规定的空间内,这里的常数
由 C d 和 h min 的MOO获得的最优结果见表8,这些优化实际上利用了MOO的性能。SRB 22317的收敛Pareto最优前沿如图8所示,120代时SRB 22317的POF如图9所示。每个MOO都给出了一组5~10个折衷解。在POF的多个解中,对于每个SRB,只有一个解称为拐点解或拐点(表8),拐点解是折衷前沿中的解,这样在一个目标中的小改进将导致在其他目标中的大效果。优化轴承的动载荷容量和寿命比较系数与标准轴承和参考Tiwari和Waghole在2015年发表文献的对比见表9。优化轴承SRB 22317的截面图如图10所示,目标函数为:1) C d ;2) C d 和 h min ;3) h min 。其代表了各种设计变量,这需要描述轴承的内部几何形状。
本文努力解决SRB设计的多目标优化。采用NSGA-II对轴承进行了优化。2个目标函数(动载荷容量和弹性流体最小膜厚)受到非线性约束条件。采用收敛方法寻找设计中的全局最优。目标函数( C d 和 h min )单独和同时优化,发现存在冲突,因此当进行MOO时,设计工程师必须通过从POF的解中获取一个结果来相互妥协。寿命比较系数和比膜厚均比现有设计有所提高,表明优化对工程设计问题的重要性和对现有SRB设计进行升级的紧迫性。通过灵敏度分析估计设计变量的偏差对目标函数的影响。灵敏度分析研究显示了3个设计变量和目标函数的公差。这些设计变量的公差可在制造SRB时使用,以避免目标函数的显著变化。该优化方法可用于非标轴承的设计。对优化轴承进行了试验,验证了轴承寿命的提高。未来的工作还可包括MOO技术与热方面的考虑、保持架设计和密封。