滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)的自動(dòng)化系統(tǒng)研究

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

滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)的自動(dòng)化系統(tǒng)研究

韓澤光，吳瓊，郝瑞琴，張磊，程晶晶，郝婷
（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽110168）

提出滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab可視化設(shè)計(jì)工具GUI研制了滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)的自動(dòng)化分析仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了滑動(dòng)軸承的智能優(yōu)化設(shè)計(jì)，為滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)提供了一種有效的支撐手段。

滑動(dòng)軸承；優(yōu)化設(shè)計(jì)；智能計(jì)算；Matlab

0　引言

滑動(dòng)軸承因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載能力高，耐用性強(qiáng)，阻尼作用穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分和滑動(dòng)部分［1，2］。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，對(duì)內(nèi)燃機(jī)用滑動(dòng)軸承的性能要求也越來越高，因此用優(yōu)化設(shè)計(jì)提高其性能成為有效手段之一。目前，滑動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化兩種形式，優(yōu)化模型程序是人工完成編寫，并結(jié)合相應(yīng)的優(yōu)化應(yīng)用軟件完成優(yōu)化計(jì)算過程［3，4］，不僅效率低下，且未將兩種優(yōu)化方法集成在一起，不能供設(shè)計(jì)師根據(jù)實(shí)際要求靈活選擇，使用不便。基于此，本文提出了滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)集成優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，依托Matlab軟件中的GUI研制了滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)的自動(dòng)化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師只需簡(jiǎn)單輸入軸承參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)完成兩種優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立，既可以進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，又可以進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)的智能化，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。

1　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

滑動(dòng)軸承優(yōu)化的自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)具備界面簡(jiǎn)單、使用方便快捷的特點(diǎn)，為此，需完成如下具體步驟：①制作用戶界面；②建立滑動(dòng)軸承單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，并將這些模型編寫為目標(biāo)函數(shù)程序和約束條件程序。單目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)有三個(gè)，多目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是三個(gè)單目標(biāo)函數(shù)加權(quán)處理后形成的，幾種優(yōu)化模型共用一個(gè)約束條件程序；③目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子可以單獨(dú)輸入，也可由單目標(biāo)優(yōu)化后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)值自動(dòng)生成。根據(jù)上述思想建立的滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要流程如圖1所示。

圖1　設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖Fig.1 The flow chart of design and calculation

2　自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1圖形對(duì)象的確定

Matlab圖形界面提供有靜態(tài)文本框 （Static Text）、可編輯文本框（Edit Text）、命令按鈕（Push Button）、面板對(duì)象（panel）等控件［5］。控件區(qū)域框用于對(duì)控件區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識(shí)；靜態(tài)文本框用于標(biāo)題、參數(shù)及單位的說明；可編輯文本框用于接收輸入的數(shù)據(jù)及顯示輸出結(jié)果；命令按鈕用于執(zhí)行某種預(yù)定的功能或操作；彈出框用于提供多個(gè)可供選擇的選項(xiàng)，只能選擇其中一項(xiàng)。

圖2　優(yōu)化系統(tǒng)主界面Fig.2 The main interface of optimum system

2.2界面窗口設(shè)計(jì)

（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(qū)將需要的控件拖拽到相應(yīng)的位置。點(diǎn)擊對(duì)齊工具，排列控件的位置，使控件大小、位置更加協(xié)調(diào)。

（2）控件屬性設(shè)置。雙擊控件，在彈出的屬性列表中修改圖形對(duì)象的各個(gè)屬性。

主界面控件屬性設(shè)置。分析系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，確定主界面控件為單目標(biāo)優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化、退出系統(tǒng)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(biāo)題為 “軸承優(yōu)化自動(dòng)化系統(tǒng)”；修改TitlePosition屬性為 centertop，使標(biāo)題處于整個(gè)panel控件的上部中間位置；修改FontSize屬性來修改標(biāo)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(biāo)題，如“單目標(biāo)優(yōu)化”；修改FontSize屬性來修改標(biāo)題字體大小。其它按鈕控件設(shè)置方法類似。修改完之后，點(diǎn)擊保存，自動(dòng)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(shè)置。本系統(tǒng)有兩個(gè)子界面，即單目標(biāo)優(yōu)化界面和多目標(biāo)優(yōu)化界面。子界面窗口如圖3所示，包括交互輸入軸承轉(zhuǎn)速、軸承外載荷、軸頸直徑、軸頸和軸瓦表面粗糙度、安全系數(shù)和設(shè)計(jì)變量初值等設(shè)計(jì)要求，顯示設(shè)計(jì)結(jié)果（最優(yōu)解和加權(quán)因子），每一內(nèi)容用靜態(tài)文本框和可編輯文本框控件表示；選擇優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)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(shè)置控件標(biāo)題，如 “軸承轉(zhuǎn)速（r/min）”；修改HorizontalAlignment為left，使標(biāo)題處于控件的左邊位置；修改FontSize屬性來修改標(biāo)題字體大小。雙擊Edit Text控件，修改String屬性為 “”；HorizontalAlignment屬性默認(rèn)為center；修 改 Font-Size屬性來修改輸入數(shù)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(xù)軸瓦材料選擇；修改FontSize屬性來修改標(biāo)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(shí)現(xiàn)對(duì) “單目標(biāo)函數(shù)”子界面的回調(diào)。

圖3　各優(yōu)化界面Fig.3 The optimum interfaces

2.3　系統(tǒng)優(yōu)化程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)完成后，即可進(jìn)行優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，所有程序都需在圖形對(duì)象的Callback下編程，使各個(gè)圖形對(duì)象響應(yīng)系統(tǒng)要求。

（1）優(yōu)化命令按鈕程序代碼。各優(yōu)化命令按鈕需實(shí)現(xiàn)的功能為：輸入已知參數(shù)值，點(diǎn)擊相應(yīng)的優(yōu)化命令按鈕，輸出滑動(dòng)軸承參數(shù)優(yōu)化的最優(yōu)解。

優(yōu)化模型求解使用Matlab優(yōu)化工具箱中的Fmincon函數(shù)［6］。按Fmincon函數(shù)使用格式編輯優(yōu)化程序代碼，并保存在相應(yīng)的M文件中。例如承載能力最大的目標(biāo)函數(shù)程序代碼為：

將其存在名為CZLystj.m文件中。承載能力最大數(shù)學(xué)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(shí)現(xiàn)優(yōu)化只需在子界面 “單目標(biāo)優(yōu)化”的M文件（YHDMB.m）中 “承載能力最大”命令按鈕的pushbutton2_Callback下調(diào)用M文件，調(diào)用格式為：

（2）可編輯文本框數(shù)據(jù)的獲取和顯示。運(yùn)用get函數(shù)獲取可編輯文本框中的數(shù)值，get函數(shù)得到的是字符串，需經(jīng)str2num（'String'）轉(zhuǎn)換成數(shù)值。如將軸承直徑 （控件edit3）轉(zhuǎn)化為數(shù)值并賦值給直徑變量的代碼為：d= str2num（get（handles.edit3，'String'））。

運(yùn)用set函數(shù)將計(jì)算結(jié)果顯示在可編輯文本框中，計(jì)算結(jié)果為數(shù)值，需轉(zhuǎn)換成字符串。如將第一個(gè)加權(quán)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(quán)因子”、“設(shè)計(jì)參數(shù)”命令按鈕程序代碼。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊 “獲取加權(quán)因子”按鈕 （tag值為pushbutton9）后，在 “單目標(biāo)優(yōu)化界面”中計(jì)算得到的加權(quán)因子值自動(dòng)顯示在tag值為edit11、edit12、edit13的文本框中，同時(shí)將加權(quán)因子值傳遞給多目標(biāo)優(yōu)化界面代碼。由于在不同界面間相互傳遞數(shù)據(jù)，因此需要定義全局變量，類型為global，在 “多目標(biāo)優(yōu)化”界面的M文件中的pushbutton9_Callback下編寫程序代碼：

“設(shè)計(jì)參數(shù)”命令按鈕要實(shí)現(xiàn)的功能與 “獲取加權(quán)因子”命令按鈕相同，即點(diǎn)擊 “設(shè)計(jì)參數(shù)”，可以將單目標(biāo)優(yōu)化界面中輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)顯示在相應(yīng)的文本框中，并將其傳遞給多目標(biāo)優(yōu)化界面代碼，則編寫程序代碼方法與 “獲取加權(quán)因子”命令按鈕相同。

（4）清除可編輯文本框數(shù)據(jù)。如清空tag值edit1文本框，代碼為：

若某一子界面任務(wù)完成，需切換到另一界面，點(diǎn)擊“返回主菜單”按鈕即可，對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)為：figure（‘主界面名’）。若運(yùn)算完成，可以點(diǎn)擊主界面中的 “退出”按鈕，將系統(tǒng)關(guān)閉，命令代碼為：close。

3　實(shí)例

以某柴油機(jī)1號(hào)連桿處所用滑動(dòng)軸承為例驗(yàn)證本系統(tǒng)。軸瓦材料選擇巴氏合金，設(shè)計(jì)條件為連桿軸承外載荷為71675N，轉(zhuǎn)速2600r/min、軸頸直徑 64mm、寬徑比 B/d范圍 0.3～1.5、軸承相對(duì)間隙 Ψ范圍 0.0002～0.001、潤(rùn)滑油粘度η范圍0.02～0.065Pa·s，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的初始值 ［1.2 0.0006 0.04］。將這些參數(shù)輸入到圖3界面中，點(diǎn)擊 “發(fā)熱量最小”按鈕，優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。承載能力最大及摩擦因數(shù)最小優(yōu)化使用方法類似。

點(diǎn)擊圖3的 “優(yōu)化”按鈕，相應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖4　發(fā)熱量最小優(yōu)化結(jié)果界面Fig.4 The optimum interface of minimum calorific value

圖5　多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果界面Fig.5 The interface of multi-objective optimization results

4　結(jié)論

（1）應(yīng)用Matlab研制了滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了滑動(dòng)軸承主要設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算和適時(shí)顯示，便于設(shè)計(jì)師全程可視化監(jiān)控滑動(dòng)軸承的優(yōu)化過程和結(jié)果，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。

（2）利用該系統(tǒng)對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行優(yōu)化，得到與文獻(xiàn)［3，4］相同的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量值，說明本系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，可以作為滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的有效支撐。

（3）系統(tǒng)界面友好，使用方便，是一種高效率的滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用［J］.內(nèi)燃機(jī)，1986，4.

［3］張屹，鄭小東，萬興余，等.基于差分元胞多目標(biāo)遺傳算法的動(dòng)壓滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2014，9.

［4］薛銅龍，王國文.滑動(dòng)軸承多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.煤礦機(jī)電，2008，5.

［5］李寶方，邢玉清.基于MATLAB GUI的數(shù)字圖像處理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2014，11.

［6］周智峰，張明，周海青.基于MATLAB的最優(yōu)化問題求解通用程序的實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械傳動(dòng)，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(xué)基金資助項(xiàng)目（51105258）；沈陽建筑大學(xué)學(xué)科提升計(jì)劃（xkts2015-13）

韓澤光（1967-），男，教授，博士。主要從事工程機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)與計(jì)算等方面的研究。