基于曲轴——轴承系统多目标的内燃机曲轴轴承综合优化设计

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目前曲轴轴承优化设计一般仅以轴承单一零件为研究对象进行,不考虑其与所处系统其它部分的相互影响。但是曲轴轴承和曲轴作为一个系统存在,内燃机工作时曲轴轴承和曲轴之间存在着各种不可分割的机械行为,它们相互作用、相互影响,性能也息息相关。另外,曲轴轴承与曲轴的丰要结构尺寸(轴颈直径和宽度)存在相互对应的关系。可见,如果曲轴轴承优化设计仅局限于轴承单个零件,不考虑对系统中与之相关联的零件——曲轴的结构和性能影响,从系统观点出发其结果只能是局部优化解,而且还可能导致曲轴结构或性能的恶化,不能满足使用要求。因此,对曲轴轴承进行优化设计时,有必要考虑整个曲轴一轴承系统中不同零件的多个评价目标并对它们进行综合优化,这样曲轴轴承优化模型才能更加合理、接近实际。   本文以N485柴油机曲轴-轴承系统为研究对象,设置了轴承和曲轴的三维结构尺寸设计空间,并分别计算了两个零件在各自设计空间中每个设计点的轴承润滑性能和曲轴强度,建立了轴承的润滑性能数据库、曲轴强度数据库及曲轴质量计算公式。   采用线性插值法和BP网络法两种数据处理方法,以建立的轴承润滑性能数据库、曲轴强度数据库和曲轴质量计算公式为基础进行了数据计算。相比实际性能分析的过程,这两种插值算法大大减少了数据处理的时间,而且精度较高。   进行了基于曲轴一轴承系统多目标的曲轴轴承综合优化设计。优化设计中,选取曲轴轴承总平均摩擦功耗和曲轴质量为目标函数,采用指数曲线式权重系数递减策略的粒子群算法和模拟退火算法进行智能优化计算。两种智能优化算法的优化解与原机设计进行对比的结果表明,通过优化设计曲轴轴承总平均摩擦功耗分别减少26.2%和25.8%,曲轴质量都减少5.3%,比原机设计更加合理。   将综合优化设计结果与曲轴轴承单目标优化设计结果进行了对比,综合优化结果表明,曲轴轴承的摩擦功耗和曲轴的质量得到进一步的降低,曲轴安全系数有所增加,比仅以曲轴轴承为研究对象进行的单目标优化设计更合理。
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