基于RSM的牙轮钻头滚动轴承优化设计

针对牙轮钻头滚动轴承滚柱端部应力集中现象、滚柱与滚道接触线上分布的应力较大的问题,采用响应面法与有限元法相结合的方式对牙轮钻头圆柱滚柱及内外滚道进行优化设计。基于等强度原则,结合响应面法建立了以滚柱凸度量δ、滚柱端头倒圆角半径r、倒圆角长度h为设计变量,以滚柱末端与中段应力差σ1、接触线上分布应力的平均值σ2为目标函数的优化数学模型。通过回归分析求得最优滚柱设计参数。考虑到实际钻井作业中轴承所受荷载为冲击荷载,运用有限元瞬态动力学仿真对最优结构进行可靠性分析,结果表明:优化后滚柱末端应力集中现象得以改善,接触线上分布的应力均值减小,从而提高了滚柱的承载能力,避免了在瞬态冲击下由于局部应力过大导致滚柱失效,改善了轴承整体寿命。