[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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于轴承设计技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明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。

本发明的技术方案：

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：

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，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

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(XYZ)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(XYZ)表示为