基于VB语言的航空发动机深沟球轴承参数化结构设计

范红伟，艾青牧，李家新，曾昭阳

基于VB语言的航空发动机深沟球轴承参数化结构设计

范红伟，艾青牧，李家新，曾昭阳

（哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027）

针对航空发动机深沟球轴承重复设计率高、定型前需要反复修改参数等问题，以航空发动机深沟球轴承为研究对象，利用计算机高级编程语言VB、CAD及Excel，联合开发了航空发动机深沟球轴承参数化结构设计软件。在航空发动机深沟球轴承的内径、外径及宽度等基本参数确定后，软件在数据库的支持下，确定内部几何参数，最终可实现航空发动机深沟球轴承内圈、外圈、保持架、滚动体及装配的参数化设计和产品图的输出。最后，将该软件与人工设计进行对比，误差在允许范围内。

航空发动机；深沟球轴承；参数化

航空发动机轴承的类别主要包含深沟球轴承、角接触球轴承和圆柱滚子轴承，以深沟球轴承最为常见。传统航空发动机深沟球轴承的设计主要依靠人工按照设计方法和经验进行设计，确定结构参数后，采用CAD软件进行画图，在设计过程中，常出现结构参数、公差、精度等参数因设计者的经验差别而不同。工作量大、效率低且准确性难以保证，因此需要开发一套航空发动机深沟球轴承参数化结构设计软件来解决上述问题。

轴承设计软件已经有很多人进行了研究，孙玉飞等研究了基于C#语言的深沟球轴承优化设计软件[1-2]，对内圈、保持架等详细参数以及相关偏差进行了选型计算；牛青波等研究了RomaxDesigner及RomaxCLOUD在轴承设计分析中的应用[3]；倪艳光等开发了薄壁球轴承性能分析及优化设计有限元软件[4]。大量学者研究了轴承设计、分析软件[5-21]，但主要针对普通轴承的设计及仿真分析，不适合于航空发动机深沟球轴承的高转速、高温等工况下，且设计的参考标准及数据库不适合于航空发动机深沟球轴承。鉴于此，以航空发动机深沟球轴承为研究目标，利用航空发动机深沟球轴承的设计方法，并基于VB语言开发了航空发动机深沟球轴承参数化结构设计软件。

1 软件开发思想

1.1 功能简介

航空发动机深沟球轴承参数化结构设计软件基于VB语言，可实现航空发动机深沟球轴承的快速设计、优化设计、快速出图、快速修改尺寸、快速提级等功能。利用人机交互界面，快速输入参数，采用数据传输技术，实现参数传递给以EXCEL软件搭建的数据库功能，进行快速计算，利用航空发动机深沟球轴承设计方法，搭建了结构设计和优化设计模块，结合数据传输技术，实现航空发动机深沟球轴承的结构快速设计和快速提级并快速出图功能。软件可以实现航空发动机深沟球轴承的参数输出和存储功能，实现结构参数化设计功能、型号检索功能和型号存储等功能。

1.2 技术路线

航空发动机深沟球轴承参数化结构设计软件主要包含7项技术、10个数据库和5个模块。7项技术分别是安全保密防护技术、信息快速检索技术、数据传递技术、专家系统、快速设计和校对、设计综合评价技术和快速成型技术。10个数据库分别是用户数据库、型号/尺寸数据库、专家系统数据库、设计方法数据库、形位公差数据库、尺寸公差数据库、检验标准数据库等。软件设计的主流程是登录后输入型号或尺寸，在数据库中检索是否存在该型号或相近型号，若存在则提取该型号或相近型号参数，若不存在，则利用专家系统进行设计，利用数据传递技术进行数据库间的数据传递，实现快速参数化设计、精度设计及校对，进行设计复合性检验，参数校对后，快速生成图纸，打印并保存，将参数存储到数据库中。图1所示为技术路线图。

航空发动机深沟球轴承参数化结构设计软件最终目标是输入轴承的内径、外径、宽度和轴承的型号和等级，由外部专家系统进行设计各零件的详细尺寸、尺寸公差和形位公差和技术条件并自动生成二维工程图。软件核心模块有3个，分别是数据的传输、结构参数的设计及优化和二维工程图自动输出。

2 标准设计及优化设计研究

轴承的标准设计和优化设计是轴承设计的两个重要组成部分。标准设计是指已知的外形尺寸参数，运用行业内统一的设计资料、国内外行业发展及设计的实际情况，根据企业的性质和工况要求，根据几何、力学关系或经验公式设计出轴承的所有尺寸、形位公差、粗糙度等参数。轴承优化设计是指通过轴承的基本外形参数来优化计算得出一组主参数，它属于结构参数优化设计范畴。优化设计首先要建立正确合理的数学模型，后采用一种合理的优化算法来求解数学模型，从而获得优化主参数。图2所示为典型结构和主要参数。

图1 技术路线图

D.轴承外径d.轴承内径B轴承宽度

2.1 结构设计

给定轴承的主要参数，以轴承的寿命为目标寻求合理的轴承内部结构尺寸参数，通用的方法是额定动载荷最大值来求解。以基本额定动载荷C最大为优化目标，根据GB/T 6391－2010《滚动轴承额定动载荷和额定寿命》可知，目标函数为：

式中：b为材料修正系数，此处取1.3；f为由轴承零件的几何形状及材料等确定的额定动载荷系数，与D/d值有关，D为滚动体直径，d为轴承节圆直径；为选取的滚动体数量。

通过式（1）可知，C的大小由D、决定，即设计变量＝[1、2]T＝[D、]T。

目标函数为：

2.2 约束条件

（1）滚动体直径约束

约束函数为：

式中：Kmin、Kmax为钢球径系数，由企业根据经验和实际具体情况定。

（2）填球角的约束

在深沟球轴承设计过程中，填球角约束着钢球直径、个数和节圆直径的匹配关系。作为重要设计参数，同时影响着装配过程中装配力大小及外圈压缩变形量。

（3）轴承节圆直径约束

约束条件为：

（4）滚动体数目约束

约束函数为：

（5）外圈最小壁厚约束

约束条件为：

式中：为深沟球轴承外圈最小壁厚系数，根据航空发动机深沟球轴承设计经验，取值小于0.1。

2.3 优化设计

根据约束条件对深沟球轴承结构设计数学模型进行求解，并快速获得最优解，是深沟球轴承结构设计的核心。这一步骤的关键在于优化算法的选取。深沟球轴承优化算法是指优化计算中为寻求准则函数达到最优值所采用的一种搜索过程和数值计算准则。优化算法选择依据：优化变量的维数、目标函数及约束函数数目、非线性程度、连续性及优化算法的收敛速度、计算精度、稳定性及可靠性。

结合深沟球轴承的优化设计目标和约束条件，综合分析了复合形法、广义简约梯度法、拉格朗日乘子法、惩罚函数法、拟牛顿法等优化算法的特点，本研究采用了综合约束函数双下降法[22]（SCDD），首先将目标函数转化成()＝()-1，变为取最小值问题。即找到一组最优解向量＝[1,2, ...]T，使()达到最小。

目标函数()的可行域用表示，表示欧式空间E中的点，表示约束条件个数，得到目标函数满足约束条件的解向量集合为：

将其中所有约束函数构成一个综合约束函数，得：

要求参数变量满足不等式约束条件，即综合约束函数取值为零。这样，目标函数的可行域就可以表示为：

3 软件界面布局

为使软件使用者对该软件直观对比认识，设计了比较综合的软件界面。主界面中包含三个按钮，分别是正向设计、参数设计和设计标准，三个按钮对应着三个模块，点击不同按钮，进入对应的设计模块中。如图3所示。

图3 软件入口

点击“正向设计”按钮，进入正向设计界面，如图4所示。输入接口尺寸和型号等信息，点击“参数校对”按钮，即可进行正向设计。正向设计界面分三部分，外圈、内圈和保持架，分别进入校对界面，对参数进行校对，输入三部分绘图比例，点击“绘图”按钮，进入CAD绘图区域。

图4 正向设计

点击“设计标准”按钮，将进入设计标准界面，如图5所示。点击对应轴承设计过程中的参考标准按钮，将打开轴承的设计标准，进行查找对应参数。

图5 设计标准

点击“参数设计”按钮，进入图6～图8的零件参数设计界面，可以输入结构和精度参数，进行绘图。

4 软件应用

以某航空发动机深沟球轴承为例，输入轴承的内径尺寸、外径尺寸、宽度尺寸及倒角等参数，利用软件计算并绘制轴承二维工程图。输入参数如表1所示，输出计算稿主要参数如表2所示。

图6 外圈参数设计

图7 内圈参数设计

图8 保持架参数设计

表1 输入参数

表2 输出主要参数

5 结论

本文分析了航空发动机深沟球轴承标准设计和优化设计方法，研究了航空发动机深沟球轴承的结构设计目标函数和约束条件，综合分析了适用于该约束条件的目标函数的解的优化方法双下降方法。基于VB语言，将Excel与CAD进行了联合开发，实现了航空发动机深沟球轴承结构参数化设计功能。可以有效提高企业航空轴承深沟球轴承结构设计的一致性、提高效率、提高准确率，为该类轴承的设计提供参考，以某型号航空发动机深沟球轴承为例，验证了该软件的可应用性。

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Parametric Structure Design of Deep Groove Ball Bearing for Aeroengine Based on VB Language

FAN Hongwei，AI Qingmu，LI Jiaxin，ZENG Zhaoyang

( School of mechatronics engineering Harbin Institute of Technology, Harbin 150027,China)

Aiming at the problems of high repetitive design rate of aeroengine deep groove ball bearings and the need to modify parameters repeatedly before finalizing, the parametric structure design software of aeroengine deep groove ball bearings was developed by using VB, CAD and Excel as the research object. After determining the basic parameters such as inner diameter, outer diameter and width of aero-engine deep groove ball bearing, the software determines the internal geometric parameters with the support of database. Finally, the parametric design of inner ring, outer ring, cage, rolling element and assembly of aero-engine deep groove ball bearing and the output of product drawing can be realized. Finally, the software is compared with the manual design, and the error is within the allowable range.

aeroengine；deep groove ball bearing；parameterization

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.006

1006－0316 (2020) 10－0034－07

2020－05－25

范红伟（1988－），女，黑龙江哈尔滨人，硕士，主要研究方向为机械设计及其自动化，E-mail：244832355@qq.com。