[发明专利]一种基于遗传算法建立盾构主轴承结构优化模型的方法

权利要求书

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，将有效接触长度划分为固定的段数，进行寿命计算；

首先计算轴承层的基本额定动态负载荷

内圈轴承层的额定动载荷q_ci：

外圈轴承层的额定动载荷q_ce：

其中，n_s为轴承划分的层数；Q_ci和Q_ce为滚动体的载荷；

轴承层的等效动载荷表示为：

内圈：

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；

结合前面的计算过程，得到单个滚道的额定寿命计算公式

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；

单一工况下盾构主轴承的寿命为

其中，L₁、L₂、L₃为单一工况下各个滚道的寿命；

S4、根据步骤S2的力学模型计算盾构主轴承的寿命和体积

复合工况下盾构主轴承的寿命计算

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命，L_z3为盾构主轴承在工况三下的寿命，L_f为复合工况下的寿命；

盾构主轴承的寿命μ为：

μ＝L_f (12)

盾构主轴承的体积包括轴承内圈的体积V_i、轴承外圈的体积V_o和轴承滚动体的体积V_r，所以盾构主轴承的体积由下式描述

δ＝V_i+V_o+V_r (13)

S5、利用NSG2遗传算法对盾构主轴承寿命和体积双目标优化

当盾构主轴承主推滚子数量为Z₁，主推滚子直径为D₁，主推滚子有效长度为E₁，径向滚子数量为Z₂，径向滚子直径为D₂，径向滚子有效长度为E₂，反推滚子数量为Z₃，反推滚子直径为D₃，反推滚子有效长度为E₃时，盾构主轴承结构双目标优化目标函数及约束为：

maxμ＝f₁(x₁,x₂,x₃...x₉)

minδ＝f₂(x₁,x₂,x₃...x₉)

s.t.

其中，x₁,x₂,x₃...x₉分别为盾构主轴承主推滚子数量Z₁，主推滚子直径D₁，主推滚子有效长度E₁，径向滚子数量Z₂，径向滚子直径D₂，径向滚子有效长度E₂，反推滚子数量Z₃，反推滚子直径D₃，反推滚子有效长度E₃。