滑動軸承優化設計的自動化系統研究

韓澤光，吳　瓊，郝瑞琴，張　磊，程晶晶，郝　婷（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽　110168）

滑動軸承優化設計的自動化系統研究

韓澤光，吳瓊，郝瑞琴，張磊，程晶晶，郝婷
（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽110168）

提出滑動軸承優化設計的數學模型，利用Matlab可視化設計工具GUI研制了滑動軸承優化設計的自動化分析仿真系統，實現了滑動軸承的智能優化設計，為滑動軸承設計提供了一種有效的支撐手段。

滑動軸承；優化設計；智能計算；Matlab

0　引言

滑動軸承因其結構簡單，承載能力高，耐用性強，阻尼作用穩定等優點，廣泛應用在內燃機的轉動部分和滑動部分［1，2］。隨著發動機性能的不斷提高，對內燃機用滑動軸承的性能要求也越來越高，因此用優化設計提高其性能成為有效手段之一。目前，滑動軸承的優化設計方法有單目標優化和多目標優化兩種形式，優化模型程序是人工完成編寫，并結合相應的優化應用軟件完成優化計算過程［3，4］，不僅效率低下，且未將兩種優化方法集成在一起，不能供設計師根據實際要求靈活選擇，使用不便。基于此，本文提出了滑動軸承優化設計單目標優化和多目標集成優化數學模型，依托Matlab軟件中的GUI研制了滑動軸承優化設計的自動化系統，設計師只需簡單輸入軸承參數，系統自動完成兩種優化數學模型建立，既可以進行單目標優化，又可以進行多目標優化，實現滑動軸承優化設計的智能化，提高了設計效率和設計水平。

1　系統的設計思想

滑動軸承優化的自動化系統應具備界面簡單、使用方便快捷的特點，為此，需完成如下具體步驟：①制作用戶界面；②建立滑動軸承單目標優化設計和多目標優化設計的數學模型，并將這些模型編寫為目標函數程序和約束條件程序。單目標優化的目標函數有三個，多目標優化的目標函數是三個單目標函數加權處理后形成的，幾種優化模型共用一個約束條件程序；③目標函數的加權因子可以單獨輸入，也可由單目標優化后根據目標函數值自動生成。根據上述思想建立的滑動軸承優化設計自動化系統設計的主要流程如圖1所示。

圖1　設計計算流程圖Fig.1 The flow chart of design and calculation

2　自動化系統的設計

2.1圖形對象的確定

Matlab圖形界面提供有靜態文本框 （Static Text）、可編輯文本框（Edit Text）、命令按鈕（Push Button）、面板對象（panel）等控件［5］。控件區域框用于對控件區域進行標識；靜態文本框用于標題、參數及單位的說明；可編輯文本框用于接收輸入的數據及顯示輸出結果；命令按鈕用于執行某種預定的功能或操作；彈出框用于提供多個可供選擇的選項，只能選擇其中一項。

圖2　優化系統主界面Fig.2 The main interface of optimum system

2.2界面窗口設計

（1）控件布局方法。打開Matlab軟件，在 “Command Window”窗口上輸入 “guide”，在彈出的GUI界面的控件選擇區將需要的控件拖拽到相應的位置。點擊對齊工具，排列控件的位置，使控件大小、位置更加協調。

（2）控件屬性設置。雙擊控件，在彈出的屬性列表中修改圖形對象的各個屬性。

主界面控件屬性設置。分析系統要實現的功能，確定主界面控件為單目標優化、多目標優化、退出系統按鈕，布局如圖2所示。雙擊panel控件，在彈出的屬性列表中修改 Title屬性來修改控件標題為 “軸承優化自動化系統”；修改TitlePosition屬性為 centertop，使標題處于整個panel控件的上部中間位置；修改FontSize屬性來修改標題字體大小。雙擊Push Button按鈕控件，在彈出的屬性列表中修改String屬性來修改控件標題，如“單目標優化”；修改FontSize屬性來修改標題字體大小。其它按鈕控件設置方法類似。修改完之后，點擊保存，自動生成該界面的M文件，修改文件名為“YHZJM.m”。

子界面控件屬性設置。本系統有兩個子界面，即單目標優化界面和多目標優化界面。子界面窗口如圖3所示，包括交互輸入軸承轉速、軸承外載荷、軸頸直徑、軸頸和軸瓦表面粗糙度、安全系數和設計變量初值等設計要求，顯示設計結果（最優解和加權因子），每一內容用靜態文本框和可編輯文本框控件表示；選擇優化目標，優化目標設計為按鈕控件。

子界面中panel控件和Push Button控件屬性的修改均與主界面相同。雙擊Static Text控件，修改 String屬性設置控件標題，如 “軸承轉速（r/min）”；修改HorizontalAlignment為left，使標題處于控件的左邊位置；修改FontSize屬性來修改標題字體大小。雙擊Edit Text控件，修改String屬性為 “”；HorizontalAlignment屬性默認為center；修 改 Font-Size屬性來修改輸入數值的字體大小。其它Static Text控件和 Edit Text控件的屬性修改與上述相同。雙擊 Pop-up Menu控件，修改String屬性為 “巴士合金、銅合金、鋁合金、鑄鐵、陶瓷金屬、塑料、橡膠、碳-石墨”，供后續軸瓦材料選擇；修改FontSize屬性來修改標題字體大小。在主界面的YHZJM.m文件中的pushbutton_Callback命令行下輸入 “figure（‘子界面名’）”，如 pushbutton1_Callback命 令 行 下 輸 入“figure（‘YHDMB’）”來實現對 “單目標函數”子界面的回調。

圖3　各優化界面Fig.3 The optimum interfaces

2.3　系統優化程序設計

當系統的界面設計完成后，即可進行優化程序設計，所有程序都需在圖形對象的Callback下編程，使各個圖形對象響應系統要求。

（1）優化命令按鈕程序代碼。各優化命令按鈕需實現的功能為：輸入已知參數值，點擊相應的優化命令按鈕，輸出滑動軸承參數優化的最優解。

優化模型求解使用Matlab優化工具箱中的Fmincon函數［6］。按Fmincon函數使用格式編輯優化程序代碼，并保存在相應的M文件中。例如承載能力最大的目標函數程序代碼為：

將其存在名為CZLystj.m文件中。承載能力最大數學模型程序代碼為：［x，f］=fmincon（'CZLmbHS'，x0，［］，［］，［］，［］，［0.3 0.0002 0.02］，［1.5 0.001 0.065］，'CZLystj'）

將其存在名為GZJG.m文件中。

“承載能力最大”命令按鈕的tag值為pushbutton2，那么實現優化只需在子界面 “單目標優化”的M文件（YHDMB.m）中 “承載能力最大”命令按鈕的pushbutton2_Callback下調用M文件，調用格式為：

（2）可編輯文本框數據的獲取和顯示。運用get函數獲取可編輯文本框中的數值，get函數得到的是字符串，需經str2num（'String'）轉換成數值。如將軸承直徑 （控件edit3）轉化為數值并賦值給直徑變量的代碼為：d= str2num（get（handles.edit3，'String'））。

運用set函數將計算結果顯示在可編輯文本框中，計算結果為數值，需轉換成字符串。如將第一個加權因子n1顯示在tag值為edit11文本框中，代碼為：

set（handles.edit11，'string'，num2str（n1）。

（3）“獲取加權因子”、“設計參數”命令按鈕程序代碼。系統要實現點擊 “獲取加權因子”按鈕 （tag值為pushbutton9）后，在 “單目標優化界面”中計算得到的加權因子值自動顯示在tag值為edit11、edit12、edit13的文本框中，同時將加權因子值傳遞給多目標優化界面代碼。由于在不同界面間相互傳遞數據，因此需要定義全局變量，類型為global，在 “多目標優化”界面的M文件中的pushbutton9_Callback下編寫程序代碼：

“設計參數”命令按鈕要實現的功能與 “獲取加權因子”命令按鈕相同，即點擊 “設計參數”，可以將單目標優化界面中輸入的設計參數顯示在相應的文本框中，并將其傳遞給多目標優化界面代碼，則編寫程序代碼方法與 “獲取加權因子”命令按鈕相同。

（4）清除可編輯文本框數據。如清空tag值edit1文本框，代碼為：

若某一子界面任務完成，需切換到另一界面，點擊“返回主菜單”按鈕即可，對應的回調函數為：figure（‘主界面名’）。若運算完成，可以點擊主界面中的 “退出”按鈕，將系統關閉，命令代碼為：close。

3　實例

以某柴油機1號連桿處所用滑動軸承為例驗證本系統。軸瓦材料選擇巴氏合金，設計條件為連桿軸承外載荷為71675N，轉速2600r/min、軸頸直徑 64mm、寬徑比 B/d范圍 0.3～1.5、軸承相對間隙 Ψ范圍 0.0002～0.001、潤滑油粘度η范圍0.02～0.065Pa·s，優化設計變量的初始值 ［1.2 0.0006 0.04］。將這些參數輸入到圖3界面中，點擊 “發熱量最小”按鈕，優化結果如圖4所示。承載能力最大及摩擦因數最小優化使用方法類似。

點擊圖3的 “優化”按鈕，相應的多目標優化結果如圖5所示。

圖4　發熱量最小優化結果界面Fig.4 The optimum interface of minimum calorific value

圖5　多目標優化結果界面Fig.5 The interface of multi-objective optimization results

4　結論

（1）應用Matlab研制了滑動軸承優化設計的自動化系統，實現了滑動軸承主要設計參數的優化計算和適時顯示，便于設計師全程可視化監控滑動軸承的優化過程和結果，提高了設計效率和設計水平。

（2）利用該系統對滑動軸承進行優化，得到與文獻［3，4］相同的優化設計變量值，說明本系統穩定、可靠，可以作為滑動軸承設計的有效支撐。

（3）系統界面友好，使用方便，是一種高效率的滑動軸承設計工具。

［1］Bearing.Columbia Electronic Encyclopedia，6Th Edition［serial on the Internet］.（2013，Dec），［cited May 28，2015］；1.Available from：Academic Search Premier，2013，11.

［2］劉文清.軸承在發動機中的應用［J］.內燃機，1986，4.

［3］張屹，鄭小東，萬興余，等.基于差分元胞多目標遺傳算法的動壓滑動軸承優化設計［J］.機械傳動，2014，9.

［4］薛銅龍，王國文.滑動軸承多目標優化設計方法［J］.煤礦機電，2008，5.

［5］李寶方，邢玉清.基于MATLAB GUI的數字圖像處理仿真系統設計［J］.計算機與數字工程，2014，11.

［6］周智峰，張明，周海青.基于MATLAB的最優化問題求解通用程序的實現［J］.機械傳動，2004，6.

The Automatic System Research of Optimization Design of Sliding Bearing

HAN Ze-Guang，WU Qiong，HAO Rui-Qin，ZHANG Lei，CHENG Jing-Jing，HAO Tin
（College of Mechanical Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 110168，China）

The mathematical model for optimizing the design of sliding bearing is proposed，and its automated analysis simulation system has also been developed for optimum design using GUI which is visual design tool of Matlab.Thus，the intelligent optimization design of sliding bearing can be easily implemented.The above-mentioned methods are one of effective means of sliding bearing design.

sliding bearing；optimization design；intelligent computing；Matlab

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.030

1002-6673（2015）05-080-03

2015-06-11

國家自然科學基金資助項目（51105258）；沈陽建筑大學學科提升計劃（xkts2015-13）

韓澤光（1967-），男，教授，博士。主要從事工程機械系統設計、智能設計與計算等方面的研究。