深淺腔體液動(dòng)靜壓軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,機(jī)械工程論文

深淺腔體液動(dòng)靜壓軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,機(jī)械工程論文摘要：動(dòng)靜壓軸承廣泛應(yīng)用于超高速切削電主軸，其工作性能對(duì)電主軸的可靠性及加工精度具有直接影響。傳統(tǒng)動(dòng)靜壓軸承設(shè)計(jì)以知足設(shè)計(jì)要求為原則，無法確保軸承的最優(yōu)使用性能。為此以深淺腔體液動(dòng)靜壓軸承為對(duì)象，對(duì)軸承構(gòu)造的多目的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。以軸承溫升最小、油膜剛度及承載能力最大為目的函數(shù)，以淺腔深度、初始油膜厚度、進(jìn)油孔徑為設(shè)計(jì)變量，將參數(shù)取值范圍作為限制條件，依托遺傳算法，對(duì)動(dòng)靜壓軸承開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，探尋最優(yōu)方案。在對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行比擬分析后發(fā)現(xiàn)，與優(yōu)化前相比，動(dòng)靜壓軸承油液溫升、油膜剛度及承載能力在優(yōu)化后均得到了改善，講明本次優(yōu)化設(shè)計(jì)具有可行性。本文關(guān)鍵詞語:動(dòng)靜壓軸承;溫升;油膜剛度;優(yōu)化設(shè)計(jì);遺傳算法;Abstract：Hydro-dynamic-staticbearingiswidelyusedintheultra-high-speedmachiningofmotorizedspindle.Itsworkingperformancehasdirectimpactonthereliabilityandmachiningaccuracyofthemotorizedspindle.Traditionaldesignofhydro-dynamic-staticbearingisbasedontheprincipleofmeetingthedesignrequirements,whichcannotensuretheoptimalperformanceofthebearing.Forthisreason,themulti-objectiveoptimizationdesignofthedeep-shallow-cavityhydro-dynamic-staticbearingisstudied.Takingtheminimumtemperaturerise,themaximumoilfilmstiffnessandthemaximumbearingcapacityastheobjectivefunction,theshallowcavitydepth,theinitialoilfilmthicknessandtheoilinletdiameterasthedesignvariables,andtheparameterrangeasthelimitingcondition,thedynamic-staticbearingisoptimizedbasedongeneticalgorithm.Theoiltemperaturerise,oilfilmstiffnessandbearingcapacityofthedynamic-staticbearinghavebeenimprovedaftertheoptimization,whichindicatesthattheoptimizationdesignisfeasible.Keyword：dynamic-staticbearing;temperaturerise;oilfilmstiffness;optimizationdesign;geneticalgorithm;0、引言動(dòng)靜壓軸承具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量儀器及精致細(xì)密機(jī)床，其潤滑方式分為油潤滑、水潤滑及氣體潤滑[1]。當(dāng)下，相關(guān)研究者對(duì)氣體動(dòng)靜壓軸承進(jìn)行了大量研究。王云飛研究了動(dòng)混合潤滑靜壓氣體軸承的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)，為縫式、孔-腔式、孔式動(dòng)靜壓軸承設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)[2];郭勝安等通過數(shù)值計(jì)算法及CFD仿真法分別深切進(jìn)入研究小孔節(jié)流深淺腔動(dòng)靜壓軸承的承載性能，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算及軟件仿真的正確性[3];吳懷超等分別采用有限體積法、遺傳算法、有限元法結(jié)合正交試驗(yàn)法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了動(dòng)靜壓軸承，為獲得最優(yōu)軸承參數(shù)即軸承特性提供了理論指導(dǎo)[4]。傳統(tǒng)動(dòng)靜壓軸承設(shè)計(jì)以知足設(shè)計(jì)要求為基本原則，無法確保軸承使用的最佳性能，為此文中以深淺腔液體動(dòng)靜壓軸承為對(duì)象，對(duì)其多目的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，獲得軸承最佳使用性能。1、動(dòng)靜壓軸承構(gòu)造分析文中以應(yīng)用于超高速切削電主軸的深淺腔液體動(dòng)靜壓軸承為研究對(duì)象[5],其構(gòu)造見圖1。圖1中，軸瓦上設(shè)置有4個(gè)由淺腔和深腔構(gòu)成的階梯型油腔，進(jìn)油孔位于深腔中間部位。在液壓力作用下，經(jīng)節(jié)流器的高壓油液從進(jìn)油孔進(jìn)入軸承油腔，潤滑油在軸徑高速轉(zhuǎn)動(dòng)下在軸承內(nèi)部由深腔流入淺腔，填充整個(gè)腔體。深腔向淺腔流動(dòng)經(jīng)過中，油液流速降低，油膜壓力增加，有效的降低了油腔內(nèi)的湍流現(xiàn)象。出油口位于軸徑與軸承之間的間隙，由于出油口間隙較小，油液流出阻力較大，致使軸承油腔可保持較大油膜壓力。動(dòng)靜壓軸承構(gòu)造參數(shù)如表1所示。圖1深淺腔動(dòng)靜壓軸承構(gòu)造圖表1動(dòng)靜壓軸承構(gòu)造參數(shù)2、多目的優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1、優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型2.1.1、目的函數(shù)動(dòng)靜壓軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)中，綜合其整機(jī)構(gòu)造要求及工況條件，選擇目的函數(shù)。對(duì)于超高速電主軸系統(tǒng)，液體動(dòng)靜壓軸承主要承載外部載荷[6],設(shè)計(jì)時(shí)將承載能力最大值作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目的函數(shù)。主軸轉(zhuǎn)速越高，承載能力越大，但轉(zhuǎn)速過大將致使加大軸承摩擦功耗，油溫上升，油液粘度及油膜剛度下降，影響軸承工作性能[7]。因而設(shè)計(jì)中在考慮承載能力的基礎(chǔ)上，還應(yīng)綜合考慮溫升、油膜剛度及承載能力三者之間關(guān)系。文中以溫升最小、剛度及承載能力最大三項(xiàng)指標(biāo)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的函數(shù)，即2.1.2、設(shè)計(jì)變量動(dòng)靜壓軸承在動(dòng)壓效應(yīng)、靜壓效應(yīng)共同作用下工作，動(dòng)壓腔為動(dòng)壓效應(yīng)提供潤滑油，而靜壓效應(yīng)所需的潤滑油則由專門靜壓供油系統(tǒng)所提供，潤滑油經(jīng)過油孔進(jìn)入到軸承油腔，進(jìn)油孔直徑?jīng)Q定進(jìn)油量，本文將進(jìn)油孔直徑作為設(shè)計(jì)變量[8]。初始油膜剛度作為油膜軸承的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)動(dòng)靜壓軸承摩擦功耗、回轉(zhuǎn)精度、剛度及承載能力具有直接影響，初始油膜厚度直接影響軸承使用壽命、工作性能及機(jī)床加工精度，所以，本次設(shè)計(jì)的優(yōu)化變量為初始油膜厚度。靜、動(dòng)壓腔構(gòu)造是深淺腔動(dòng)靜壓軸承的主要特點(diǎn)，動(dòng)壓效應(yīng)和靜壓效應(yīng)分別為淺腔和深腔，因而，二者均深受腔體深度的影響。由此在開展設(shè)計(jì)工作的經(jīng)過中，把靜壓腔深度和動(dòng)壓腔深度分別設(shè)置為設(shè)計(jì)常量和設(shè)計(jì)變量。綜上所述，文中將淺腔深度、初始油膜厚度、寬徑比、進(jìn)油孔直徑作為優(yōu)化設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)變量，即x=[dch0hp]T(2)2.1.3、約束條件動(dòng)靜壓軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件為(a)進(jìn)油孔徑dc0.6mm≤dc≤0.7mm(b)初始油膜厚度h00.02mm≤h0≤0.027mm(c)淺油腔深度hp0.02mm≤hp≤0.09mm2.2、優(yōu)化算法分析遺傳算法廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐，較其他算法，動(dòng)靜壓軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)中遺傳算法具有操作簡單、適應(yīng)性好的特點(diǎn)。遺傳算法計(jì)算流程如此圖2所示。圖2遺傳算法計(jì)算流程2.3、優(yōu)化計(jì)算文中基于遺傳算法，通過MATLAB對(duì)超高速磨削電主軸動(dòng)靜壓軸承構(gòu)造開展多目的優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)定進(jìn)油孔直徑、初始油膜厚度、淺腔深度分別為X1、X2、X3,開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果顯示，以上三項(xiàng)參數(shù)互相矛盾，因而優(yōu)化迭代中難以獲得最優(yōu)解。經(jīng)綜合分析，確定最優(yōu)非劣解集，該解集下設(shè)計(jì)變量取值范圍為以最優(yōu)非劣解集為基礎(chǔ)，明確方案1和方案2的設(shè)計(jì)變量，并兩個(gè)方案進(jìn)行比照，結(jié)果如表2所示。表2設(shè)計(jì)變量比擬結(jié)果表其他參數(shù)保持不變，主軸轉(zhuǎn)速由3000r/min提至7000r/min,供油油壓為2MPa,油膜偏心率為0.2,兩方案的油膜承載能力、剛度及溫升變化曲線如此圖3所示。圖3為兩方案設(shè)計(jì)中，承載能力、油膜剛度及溫升與主軸轉(zhuǎn)速之間的變化曲線。由圖3可知，方案1中，軸承溫升、油膜剛度及承載能力隨著主軸轉(zhuǎn)速的提升而提升，同時(shí)，油膜剛度及承載能力優(yōu)于方案2,油液溫升小于方案2,即在既定偏心率下，優(yōu)化后動(dòng)靜壓軸承油液溫升、油膜剛度及承載能力均優(yōu)于優(yōu)化之前，所以，本文所開展的優(yōu)化設(shè)計(jì)與預(yù)期目的相契合，同時(shí)，在優(yōu)化效果上也特別突出。圖3主軸轉(zhuǎn)速對(duì)承載特性的影響3、結(jié)論固定其他參數(shù)，取進(jìn)油孔徑、初始油膜厚度和淺腔深度三個(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以液體動(dòng)靜壓軸承溫升、油膜剛度和承載能力為設(shè)計(jì)目的，用遺傳算法對(duì)其構(gòu)造參數(shù)進(jìn)行了多目的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)分析得到如下結(jié)論：1)初始參數(shù)進(jìn)油孔徑dc為0.60mm,初始油膜厚度h0為0.025mm,淺腔深度hp為0.050mm,優(yōu)化后的參數(shù)分別為0.65mm、0.026mm和0.045mm;2)優(yōu)化后軸承的溫升、油膜剛度及承載能力與主軸轉(zhuǎn)速成正比變化；3)優(yōu)化后的軸承溫升較優(yōu)化前小，而油膜剛度和承載能力均大于優(yōu)化前，證明了本文優(yōu)化方式方法的可行性和有效性，到達(dá)了預(yù)期優(yōu)化目的。以下為參考文獻(xiàn)[1]劉蕾,劉保國,王攀,等.液體動(dòng)靜壓軸承油膜的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析[J].機(jī)電工程,2022,36(9):900-906.[2]云飛.氣體潤滑理論與氣體軸承設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021.[3]郭勝安,侯志泉,能萬里.基于CFD的深淺腔液體動(dòng)靜壓軸承承載特性研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2020(9):57-62.[4]吳懷超,令狐克均,孫官朝.基于遺傳算法的高速軋輥磨床磨頭液體動(dòng)靜壓軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械工程,2021(18):2495-2500.[5]趙亞東，梁興,張運(yùn)真,等.復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的構(gòu)造設(shè)計(jì)及仿真分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2022