Abstract ：

滚动轴承整体结构尺寸差异显著,通常存在偏载、变载、润滑不良等复杂工况,故其热流固耦合机理复杂。滚动轴承在弹性流体动力润滑、摩擦生热、热传递及温度场分析等代表性研究成果分别为轴承油膜特性及润滑剂拖动系数的计算,考虑表面粗糙度及偏载变载工况下轴承的摩擦特性;轴承各接触对间的生热机理;轴承向润滑剂及空气的换热系数的确定;有限元及热网络法计算轴承系统瞬/稳态温度等。在此基础上探讨了大型重载滚动轴承在热流固耦合方面的研究思路,并指出未来应以轴承热、流、固之间的耦合机制为研究方向。

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大型重载 滚动轴承 热流固耦合 研究进展

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滚动轴承整体结构尺寸差异显著,通常存在偏载、变载、润滑不良等复杂工况,故其热流固耦合机理复杂。滚动轴承在弹性流体动力润滑、摩擦生热、热传递及温度场分析等代表性研究成果分别为轴承油膜特性及润滑剂拖动系数的计算,考虑表面粗糙度及偏载变载工况下轴承的摩擦特性;轴承各接触对间的生热机理;轴承向润滑剂及空气的换热系数的确定;有限元及热网络法计算轴承系统瞬/稳态温度等。在此基础上探讨了大型重载滚动轴承在热流固耦合方面的研究思路,并指出未来应以轴承热、流、固之间的耦合机制为研究方向。

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大型重载 滚动轴承 热流固耦合 研究进展

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为研究变形对有限长轴颈轴承弹流润滑特性的影响,利用Winkler弹性基础模型对其进行分析,使用压力和膜厚双重迭代方法进行数值模拟求解. 其结果表明:载荷越大,刚性轴承与柔性轴承的油膜压力和厚度差异越大;在轴承表面变形的条件下,随载荷的增大,偏心率随转速增大而减小的幅度变小,偏位角随转速增大而增大的幅度亦变小;随转速的增大,偏心率随载荷增大而增大的幅度变大,偏位角随载荷增大而减小的幅度亦变大.此外,还研究了在定载荷条件下轴承宽度、厚度、润滑油黏度、间隙等参数对油膜压力、厚度及破裂位置的影响规律. 该研究成果可为轴颈轴承的设计及其性能计算提供相应的理论参考.

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Winkler模型 偏位角 偏心率 弹流润滑 有限长轴颈轴承

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滚动轴承是支撑主轴旋转的关键零件，本文选取修形圆柱滚子轴承作为研究对象，设计并制造了航空滚动轴承实验台作为实验对象，开展基于全膜润滑的有限长线接触弹性流体润滑分析。课题来源于河南煤业化工集团洛阳轴承研究所资助项目“滚动轴承动态性能检测技术 ”和国家973项目“高性能滚动轴承基础研究”。 滚动轴承的接触疲劳寿命是影响轴承使用寿命的关键因素，然而，影响轴承接触疲劳寿命的主要因素就是轴承的润滑失效。所以研究轴承的润滑规律和特性对改善轴承的使用寿命具有重要的意义。本文以滚子轴承为研究对象，建立了无限长线接触的、点接触和有线长线接触的数学模型，运用高效而又稳定的多重网格算法成功的得到了三者的数值解。这为滚子轴承的参数设计及结构优化以及轴承的油膜检测奠定了扎实的理论基础。本文的主要内容如下： 1）多重网格法算法研究。针对润滑计算算法稳定性差和效率低的问题，本文详细的研究了多重网算法的实现原理和方法，其大体的思路就是在多层稠密和稀疏的网格间反复的进行迭代，而在每层网格只需要迭代很少的次数即可得到方程的近似数值解，从而提高计算的效率和稳定性。并将多重网格算法运用到无限长线接触的计算中，考虑温度和非牛顿流体——Ree-Eying流体的影响。温度的计算采用逐点扫描法，得到了无限长的热解。分析了载荷和速度对油膜的压力分布、厚度分布和温度分布的影响。 2）将多重网格算法运用到二维的点接触弹性流体润滑中，得到了点接触的弹性流体的数值解，并将算例与光干涉实验结果进行了对比，与实验结果取得了高度的吻合性。分析了不同载荷和速度条件下对点接触油膜压力与厚度分布的影响。分析了载荷对温度分布的影响。 3）结合无限长线接触和点接触的算法，而有线长线接触有兼具二者的特征，运用多重网格算法，求得了有线长线接触的等温数值解，分析了不同载荷和速度条件下对油膜压力和厚度分布的影响。研究了滚子的修形圆角半径和修形的长度对特定截面的压力和膜厚的影响。

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点接触 多重网格法 航空轴承 热弹性流体动力润滑 有限长线接触

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滚动轴承具有刚度高、摩擦力小、润滑简单、便于更换等优点，在现代工业中有着广泛的应用。同时其作为主要的支撑元件，对机械系统的性能有着重要的影响，然而目前我国国产轴承与国外产品相比，在尺寸精度与旋转精度、振动与噪声和寿命与可靠性等方面都有不小的差距。球轴承中球与套圈滚道之间的接触副为椭圆点接触，由于接触面积小，承受载荷大，球与滚道间的接触变形与润滑油膜的厚度基本处于同一量级，其润滑属于弹流润滑范畴。本文基于弹性流体动力润滑理论建立了椭圆点接触弹流润滑及其动态特性分析模型，分析了等温弹流润滑及热弹流润滑中载荷、速度等参数对弹流润滑状态下椭圆点接触等效刚度、阻尼系数的影响；然后基于摩擦学及动力学等相关理论，建立了球轴承的动力学分析模型，研究了不同工况下的轴承中的载荷分布、球与滚道间的打滑特性及轴承零部件的运动特性，并重点研究了径向载荷下轴承的高频振动情况。然后通过实验验证了相关的动力学分析模型以及相关的高频振动分析结果。 本文的主要工作包括： 建立了适用于球轴承的椭圆点接触稳态弹流润滑模型，基于多重网格法及快速傅里叶变换，编写了相关计算程序。将有限元方法引入到表面形貌对弹流润滑影响的研究中，取消了现有模型中的粗糙峰刚体假设。基于椭圆点接触瞬态弹流润滑模型和能量守恒关系，提出了一种计算弹流润滑状态下椭圆点接触等效阻尼系数的新方法。综合研究了等温弹流及热弹流润滑条件下接触体的刚体位移以及等效阻尼系数与速度、载荷间的相互关系，通过对计算结果的分析，拟合得出了可以用于球轴承动力学分析的系数公式。 在对球轴承几何结构特性进行分析的基础上，基于轴承零件间的几何相互作用关系，建立了球轴承的六自由度动力学分析模型。通过引入弹流润滑状态下椭圆点接触的刚体位移与速度、载荷的关系式以及其等效的阻尼系数，建立了考虑弹流润滑效应的动力学分析模型。 以角接触球轴承7210C为例，通过不同工况下球与套圈滚道之间的接触力、滑滚比以及内圈和保持架的运动轨迹的对比，研究了弹流润滑效应对动力学分析结果的影响。然后重点研究了球轴承受到径向载荷时频谱中出现的高频振动成分，分析了其振动激励并研究了载荷、转速以及保持架对轴承高频振动的影响。 搭建了球轴承支撑的轴承-转子实验台，通过在轴向载荷作用下不同转速及转子不平衡量等情况下轴承振动信号，与动力学分析结果的对比，验证了本文建立的球轴承动力学模型。在6308轴承实验台上验证了球轴承承受径向载荷时的高频振动分析结果。 本文将弹流润滑的影响引入到滚动轴承的动力学分析中，并研究了工况及保持架对轴承高频振动的影响，对深入了解滚动轴承的性能、完善相应的分析方法以及轴承设计具有一定的理论意义及实用价值。

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高频振动 滚动轴承动力学 弹流润滑 油膜阻尼

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随着科学技术的发展，对旋转机械轴承的性能要求不断提高，有时不但要求能够承受较大的径向载荷，还要求承受很大的轴向载荷，因此，高速精密大锥角小圆锥滚动轴承成为轴承制造业需要发展的一类典型产品。然而，由于设计技术及制造精度控制技术等原因影响，很难保证这类轴承在实际运行工况条件保持良好的润滑状态，所以这种精密轴承在技术机理上是非常值得研究的工作。因此开展大锥角小圆锥滚动轴承动态行为与接触润滑机理分析研究是具有理论和实际意义的。 本文以螺杆压缩机用大锥角小圆锥高速精密圆锥滚子轴承为研究对象，建立螺杆压缩机轴承系统在实际工况下的力学分析模型，进行大锥角精密圆锥滚子轴承振动特性试验、关键参数影响实验及失效形式分析，研究大锥角精密轴承微尺度设计参数对滚道/滚动体接触载荷分布和挡边作用力变化的影响，对大锥角精密轴承拟动力学表现以及接触机理和润滑特性进行分析评估。 针对大锥角小圆锥滚子轴承，进行了系统动态特性实验，包括国内外轴承振动加速度测量对比实验、微尺寸参数振动特性影响实验、主机用户实验及失效形式分析。结果表明滚子几何结构特征对轴承动态性能有着重要的影响。 建立了压缩机用大锥角小圆锥滚动轴承系统综合拟动力分析模型，研究大锥角小圆锥滚动轴承的载荷分布和应力分布特性，分析了微尺寸几何结构参数和载荷参数对轴承接触载荷、应力分布的影响规律。数据分析显示圆锥角和挡边倾斜角的设计对于载荷和应力有重要影响。 基于弹性流体动力润滑理论，研究了圆锥滚子轴承中滚子与内、外圈滚道接触润滑机理，以及滚子球端面与挡边的接触润滑机理。通过数值方法计算求得油膜膜厚和压力分布。分析了载荷及圆锥角变化对大锥角小圆锥滚动轴承润滑机理性能的影响。结果表明润滑油膜厚度随载荷和圆锥角增大而减小，且压力二次峰提前，峰值减小。 本文分析结果对螺杆压缩机转子系统支撑轴承的设计以及压缩机制造技术提供了理论依据，具有重要的理论指导和工程应用价值。

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大锥角小圆锥滚动轴承拟动力学载荷分布动态行为润滑机理

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目的 研究人工髋关节磨损机理及磨损寿命界定准则,分析非正常磨损的具体原因和磨损失效的临床表现形式,建立失效事件的分析推理路线.方法 通过弹性流体动力润滑分析和有限元分析确定人工髋关节中的摩擦磨损过程及导致早期非正常磨损的产生因素；通过建立磨损寿命界定准则确定人工髋关节的使用寿命；通过磨损一骨溶解形态学矩阵对磨损失效临床表现形式进行归纳分类；通过临床调研建立失效事件推理逻辑.结果 计算得出球头一髋臼间的最小滑膜厚度和接触应力,以及相关参数的影响,作为磨损分析的理论依据；提出人工髋关节以几何形态变化导致的机械学失效和以骨溶解导致的生物学失效两种磨损寿命界定准则；得出磨损失效9种临床表现形式；提出磨损失效事件分析推理路线图.结论 人工髋关节运动副中主要发生边界摩擦和混合摩擦,以及粘着、犁沟和三体磨损等磨损过程；髋臼与球头的表面质量、配合间隙及圆度对早期非正常磨损具有重要的影响；金属--UHMWPE配副人工髋关节正常机械学磨损寿命可以达到40年,但生物学磨损寿命最多为15～20年,后者是制约今天假体使用寿命的根源；磨损失效临床表现形式的多样性是机械磨损与骨溶解过程综合的形态学效果；在失效事件分析中推理路线图可提供一定的帮助.

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机械学 磨损 人工髋关节 生物学 失效 有限元分析

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近年来低温技术、新能源和航空航天技术的快速发展对高速透平膨胀机、微型燃气涡轮、航空涡轮等高速透平机械的可靠性及稳定性提出了更新更高的要求，具有柔性表面的波箔箔片型动压气体轴承以其良好的抗涡动性能及出色的自适应能力获得了国内外研究学者的普遍关注。本文就波箔型箔片动压径向气体轴承进行了理论分析与试验研究。本文首先对箔片元件的变形进行了分析与建模；基于弹性流体动力润滑问题（EHDL）的理论，针对波箔动压径向气体轴承建立了气膜压力场和弹性箔片变形场的流固耦合数学模型。采用有限元方法（FEM）推导了箔片的变形方程以及波箔动压径向气体轴承的控制方程，编写了可变网格的轴承静态特性计算程序并对其进行了数值求解，进而就结构参数、运转参数和材料特性参数等对波箔轴承静态特性的影响进行了分析与讨论。在动压径向气体轴承支承高速透平（PLK–8.33×2/20–5）试验台的基础上进行了管路的改造，采用基于Labview的高速数据采集测试系统实现了转子振动波形及轴心轨迹的实时监控。在不同材料和工作参数组合方案下对波箔轴承支承高速透平膨胀机转子的振动特性、稳定性及启停过程中的特性进行了试验研究。分析和讨论了影响转子涡动情况及其稳定性的因素，为波箔轴承的设计与进一步试验研究提供了一定的参考。试验结果表明采用铍青铜材料的波箔轴承在一定厚度和气膜间隙下具有优异的抗涡动能力，在高速透平领域具有广阔的应用前景和巨大的研究价值。

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波箔动压气体轴承高速透平机械箔片轴承

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滚动轴承是应用极为广泛的重要机械基础件。随着生产要求的不断提高，高转速、长寿命的滚动轴承越来越受到使用者的青睐。但在高速条件下，打滑与蹭伤一直是导致轴承失效的主要原因之一，它严重影响了轴承的使用性能。因此，对高速滚动轴承的打滑失效进行分析是十分必要的。 本文首先通过对轴承滚动体运动模型、受力模型的分析，得出了圆柱滚子轴承的理想运动学关系和实际运动学关系，引出了反映轴承打滑程度的重要参数——滑差率的定义，建立了滚动体拟动力学平衡方程。在此基础上，通过引入Dowson-Higginson经验公式，分别采用独立求解和联立求解两种方法对轴承进行了分析，经过结果比较，选定更为合理的联立求解方法对算例NU214轴承进行打滑失效分析。这其中主要研究了轴承在径向载荷为 ，内圈转速分别为4000r/min、5000r/min、8000r/min时的打滑情况，并以内圈转速为4000r/min时的轴承为例，分析了径向外载荷、内圈转速、滚动体数目、径向游隙、润滑油黏度五个参数对轴承打滑的影响。通过结果对比，指出经验公式存在缺陷，并引入弹流润滑理论（EHL）来替代经验公式，以消除这种缺陷。在此基础上，采用弹流理论耦合拟动力学理论的方法对轴承打滑进行了更精确的分析，得到了更合理的结果。由于高速轴承通常都要使用油膜阻尼器来减振，而油膜阻尼器在减振的同时也会带来轴承的涡动，因此，为了获得更实用的理论结果，本文最后还研究了使用挤压油膜阻尼器时，涡动条件下的圆柱滚子轴承的打滑情况，并分析了涡动频率等因素对打滑失效的影响。 通过上述的研究工作，本文得出如下结论：采用滚动体数目少的轴承、使用黏度大的润滑油、减小轴承径向间隙即采取径向预紧都可以减小轴承的滑差率；在中、重载时，增大径向外载荷也可以减轻轴承打滑，但在轻载工况下，结果正好相反；在挤压油膜阻尼器轴承中，涡动会对轴承的打滑产生不利影响；增大外载荷、减小涡动频率和半径都能改善轴承的运行工况。但所有这些措施在改善轴承打滑的同时，又会带来一些对轴承运转不利的影响，因此，采取上述措施时应注意利弊平衡。 综上所述，本文主要完成了对圆柱滚子轴承的拟动力学打滑失效分析，得出了多种参数对轴承打滑的影响，提出了改善轴承润滑条件的方案。这些结论对轴承的设计制造、安装使用、寿命计算等都有一定的理论指导作用。

Keyword ：

圆柱滚子轴承打滑弹性流体动力润滑多重网格法涡动

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提出了一种新型结构弹性支承箔片动压气体径向轴承,针对此种结构,提出了求解弹性流体动力润滑问题(EHDL)的弹性基础支承箔片轴承流.固耦合物理模型,分析了弹性基础支承材料的特性,建立了弹性基础受力三维六自由度变形和考虑了包括非线性项动态气膜力和轴承不对中(角偏差)效应的非定常可压缩雷诺方程的数学模型;然后从控制方程出发,给出了求解弹性支承箔片动压气体径向轴承静态特性参数(压力分布、承载力、偏位角、摩擦力矩)的分析方法;并以静特性分析为基础,采用Lund的线性化假设,分析了弹性支承箔片动压气体径向轴承的动态性能(4个刚度系数及4个阻尼系数);最后在动特性分析的基础上,采用刚性对称转子模型,分析了轴承的稳定性.

Keyword ：

箔片轴承 径向轴承 气体轴承 数学模型

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