基于混合编程的滚动轴承动力学分析软件开发

叶振环，王黎钦（.遵义师范学院工学院，贵州遵义56300；.哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨5000）



基于混合编程的滚动轴承动力学分析软件开发

叶振环1，王黎钦2
（1.遵义师范学院工学院，贵州遵义563002；2.哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

摘要：针对滚动轴承动力学分析方法复杂、非线性求解困难、不利于工程技术人员使用的现实，结合计算机专业编程软件Visual Basic（简称VB）和MATLAB的特点，通过混合编程的方法开发了滚动轴承动力学分析软件，为方便使用者操作，对参数输入增加了文本方式。该软件可完成滚动轴承接触特性、承载特性和动力学行为的分析，可为轴承失效分析、结构设计、寿命预测提供指导。

关键词：软件开发；滚动轴承；动力学分析；混合编程

滚动轴承作为航空航天、轨道交通、高端装备的基础零部件，其疲劳寿命和可靠性直接影响着转子系统乃至整机的服役性能和寿命，因此，滚动轴承在性能分析和结构设计上都受到了高度关注［1］。鉴于高速和高精密滚动轴承在实验方案实施和实验设备方面投入较大而且需长时考核，故近年来滚动轴承性能的数值计算预测已经成为必不可少的分析手段［2-5］。随着性能预测分析贴近实际工况要求的不断提高，滚动轴承的分析模型先后经历了四个发展过程：静力学分析、拟静力学分析、拟动力学分析和动力学分析［6］。虽然目前拟动力学方法由于预测精度较高且计算较简便，在实际高速轴承的分析中获得广泛应用，但是随着对轴承过渡工况的关注逐渐加大，动力学分析方法正逐渐成为轴承性能分析和寿命预测的主要手段［7，8］。

动力学分析方法由于涉及到滚动轴承元件的动态运动参数和受力参数，在计算求解过程中存在大量的非线性计算和微积分运算，所以直接使用现成的动力学分析方法需要使用者具备较强的专业知识。为了方便工程人员使用，需要将前台和后台隔离，使用者只需在前台输入参数，而复杂的求解计算则交给后台自动运算。

本文在动力学分析方法的基础上，采用计算机高级编程语言VB、MATLAB混合编程的方法实现滚动轴承的动力学分析软件开发，为专业研究者和工程技术人员提供轴承动力学分析支持。

1基本思想和原理

高速滚动轴承的动力学分析可以根据滚动轴承的动力学分析理论采用高级编程语言MATLAB编程实现，其中计算需要输入的参数包括轴承几何参数、材料参数和工况参数，如果在输入过程中没有参数类型的说明和提示，非专业人士在使用过程中很难记住MATLAB中各参数代表的含义；另外，即使在有参数类型提示的情况下通过手工逐一输入，工作也非常烦琐，给工程技术人员的使用带来困难。如果采用VB软件编制用户界面对参数输入和结果输出进行处理，并直接在VB中调用MATLAB计算程序实现动力学方程的求解，二者通过混合编程即可编制出滚动轴承动力学分析的通用软件。

MATLAB作为商业数学软件，在矩阵运算、函数计算、算法设计等方面均具有很强的能力，并且具备连接其他编程语言的特点。但是MATLAB在界面处理上人性化不足、用户操作便捷性较差。VB是面向对象设计的软件，对于用户具有界面友好、便捷易用的特点。但是VB对于复杂的计算显得无能为力。

为了方便使用者操作又兼具良好的计算效率和精度，需要充分发挥这两个软件各自的优点来完成相应的工作，并通过VB调用MATLAB进行数据传递，其中VB调用MATLAB的操作是将Matlab的m文件编译成dll文件后利用动态连接库实现。

2混合编程的实现

在本软件中，VB和MATLAB之间的数据传递将涉及到两个方面：一是 VB将输入参数传递给MATLAB作为动力学计算的初始条件；二是MATLAB将重要的计算结果传递回VB界面进行数值或图像显示。其中，VB向MATLAB传递参数可以通过数组打包的形式在VB调用dll文件的同时完成数值传递；而MATLAB向VB传递参数则需要分为两种情况：若是传递数值，可以通过MATLAB程序中设置参数值返回实现；若是传递图像，需要在MATLAB中绘制完成后先保存在固定的位置再由VB调用。

图1给出了滚动轴承动力学分析软件的运行流程，主要操作及软件执行顺序如下：

（1）打开软件，进入参数输入界面，采用界面手动输入方式或外部文件调用输入方式完成轴承基本参数的设置；

（2）点击轴承动力学分析启动按钮，VB将界面上的输入参数传递给后台的Matlab程序，并启动拟动力学计算；

（3）拟动力学计算完成后自动将结果交付给轴承动力学分析程序，与VB传递过来的输入参数一起作为初值启动轴承动力学分析；

（4）计算时间周期结束，MATLAB自动将动力学计算结果写入计算机的指定位置，VB通过定时扫描不断访问计算机指定位置的文件并刷新界面显示；

（5）MATLAB将上一次计算结果作为初值返回第（4）步进行下一时刻的动力学计算。

其中，第（3）、（4）步中涉及的轴承拟动力学计算和动力学计算模型及求解方法参见文献［4］和［9］。

3滚动轴承动力学分析软件

3.1参数输入设计

轴承动力学分析软件需要输入的参数包括轴承的结构参数、装配参数、材料参数、工况参数和润滑参数，在输入界面中可以通过文本框旁的标题提示手工填写，如图2所示。

由于界面上需要输入的参数较多，若进行多次计算每次都要填写参数值，工作量大且容易出错，所以在手动输入的同时设计了文本输入方式。文本输入方式需要在运行软件前按照规定好的格式将所有输入参数写入TXT文档，再通过VB调用文件的形式完成界面文本框的自动填写，输入文本模版如图3所示，该种输入方式非常适合于针对同一轴承进行多次性能分析和针对同一工况进行多次结构设计的情况。

图2软件参数输入界面

开发完成后的软件较好地对输入输出接口进行了处理，不需要用户对后台的工作进行了解，方便工程技术人员使用。本软件可以完成轴承拟动力学中稳态接触性能、动力学中瞬态接触性能及运动学行为的计算分析，并可以为进一步开展轴承寿命预测、失效分析、故障清零、结构设计等工作提供基础数据和开发平台。

4结论

本文基于VB和MATLAB混合编程的方法，编制了滚动轴承动力学分析软件，用VB开发设计了软件的用户界面，完成前台数据处理；采用MATLAB编制了后台动力学分析模型的求解程序；通过VB动态连接库调用编译成dll文件的Matlab程序实现前后台的数据传递和连接。开发完成的软件经应用表明，采用混合编程的方法能够充分发挥 VB和MATLAB软件的优势，兼顾了用户的便捷性和计算的精度和效率，为专业研究者和工程技术人员提供了便利易用的滚动轴承动力学分析工具。

图3软件参数输入文本

3.2结果输出设计

软件后台MATLAB程序计算结果在MATLAB程序中即被处理为数值和曲线两种模式，并分别被写入TXT文件和存为JPG文件送至计算机指定位置保存。VB程序通过定时扫描的方式读取TXT文件和JPG文件以更新界面显示内容，达到人机交互的目的。VB结果输出界面主要反映保持架和滚动体的质心位置、转速以及滚动体和保持架的受力等重要信息，结果显示界面如图4所示，其余信息则存在TXT文本中供专业研究人员选用。

图4软件结果显示界面

参考文献：

［1］Ebert Franz-Josef.An Overview of Performance Characteristics，Experiences and Trends of Aerospace Engine Bearings Technologies［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2007，（20）: 378-384.

［2］冈本纯三.球轴承的设计计算［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［3］Harris T A，Kotzalas M N.Advanced Concepts of Bearing Technology（Rolling Bearing Analysis）［M］.New York:Taylor &Francis Ltd.，2006.

［4］王黎钦，崔立，郑德志，等.航空发动机高速球轴承动态特性分析［J］.航空学报，2007，28（6）:1461-1467.

［5］罗继伟.滚动轴承受力分析及其进展［J］.轴承，2001，（9）:28-31.

［6］P K Gupta.Current Status of And Future Innovations in Rolling Bearing Modeling［J］.Tribology Transaction，2011，（54）: 394-403.

［7］Tomoya Sakaguchi，Kazuyoshi Harada.Dynamic Analysis of Cage Behavior in a Tapered Roller Bearing［J］.Journal of Tribology，2006，（128）:604-611.

［8］Liu X H，Deng S E，Teng H F.Dynamic Stability Analysis of Cages in High-Speed Oil-Lubricated Angular Contact Ball Bearings［J］.Transactions of Tianjin University，2011，17（1）: 20-27.

［9］Ye Zhenhuan，Wang Liqin.Effect of external loads on cage stability of high-speed ball bearings［J］.Journal of Engineering Tribology，2015，229（11）:1300-1318.

（责任编辑：朱彬）

Development of the Dynamic Analysis Software of Rolling Bearings Based on Mixed Programming Method

YE Zhen-huan1，WANG Li-qin2
（1.School of Engineering，Zunyi Normal College，Zunyi 563000，China；2.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Abstract:Dynamic analysis method is not suitable to directly use for engineers and technicians，because the analysis is complex and the nonlinear solution is difficult.Considering the characteristics of software Visual Basic and MATLAB，a dynamic analysis software was developed based on the mixed programming method.For the sake of users，the text input mode was added in this software.This software could be applied to the analysis of contact properties，loading properties and dynamic behaviors of rolling bearings，which is able to afford reference for failure analysis，geometry design and fatigue life prediction of rolling bearings.

Key Words:software development；rolling Bearings；dynamic analysis；mixed programming

中图分类号：TH133.33

文献标识码：A

文章编号：1009-3583（2016）-0109-03

收稿日期：2015-11-05

基金项目：贵州省科学技术基金资助项目（黔科合J字［2014］2172）；贵州省教育厅自然科学基金资助项目（黔教合KY字［2014］294）；遵义师范学院博士科研基金资助项目（2013BJ06）

作者简介：叶振环，男，贵州遵义人，遵义师范学院工学院副教授，博士。主要研究方向：滚动轴承动力学、转子系统动力学分析。