Abstract ：

针对高速球轴承塑料保持架在高速工况下易脱落的问题，以2种不同结构的塑料保持架为研究对象，建立有限元模型，分析了转速及保持架结构特征(锁口侧切、减重凹槽及侧梁宽度)对保持架变形的影响，并搭建试验台验证了模型的正确性，结果表明：随转速升高，保持架兜孔锁口变形增大，较多镂空和切割设计的小质量保持架变形较大；保持架侧切结构补全后，保持架变形增大；缩小减重凹槽和增大侧梁宽度，保持架锁口变形减小。

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保持架 变形 玻璃纤维增强塑料 滚动轴承 球轴承 有限元法 转速

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针对非完全接触状态下的球轴承建模及特性分析,提出新的初始位置假设,并结合球-滚道接触状态判定准则建立了不同载荷(轴向、径向及联合载荷)条件下高速球轴承的通用分析模型。在此基础上,运用球轴承刚度矩阵解析计算方法,构建嵌套式Newton-Raphson迭代算法,实现上述模型求解,并针对不同工况条件下的球轴承的内部载荷分布及刚度特性展开分析。计算结果表明,所得结果相比于Jones-Harris模型更具合理性和适用性,且轴承内部载荷分布及刚度特性受轴承外部载荷条件及内部接触状态共同作用,轴承内部接触区滚珠个数随轴承间隙、外部载荷及转速大小变化而改变,进而引起轴承刚度突变。此外,适当增加轴向载荷可有效改善轴承内部载荷分布及增加接触区滚珠个数。

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初值位置假设 刚度矩阵 接触状态分析 球轴承 载荷分布

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针对非完全接触状态下的球轴承建模及特性分析,提出新的初始位置假设,并结合球-滚道接触状态判定准则建立了不同载荷(轴向、径向及联合载荷)条件下高速球轴承的通用分析模型。在此基础上,运用球轴承刚度矩阵解析计算方法,构建嵌套式Newton-Raphson迭代算法,实现上述模型求解,并针对不同工况条件下的球轴承的内部载荷分布及刚度特性展开分析。计算结果表明,所得结果相比于Jones-Harris模型更具合理性和适用性,且轴承内部载荷分布及刚度特性受轴承外部载荷条件及内部接触状态共同作用,轴承内部接触区滚珠个数随轴承间隙、外部载荷及转速大小变化而改变,进而引起轴承刚度突变。此外,适当增加轴向载荷可有效改...

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初值位置假设 刚度矩阵 接触状态分析 球轴承 载荷分布

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为了揭示高速运行条件下轴承腔内油气两相的分布情况,提升高速轴承的喷油润滑效果,考虑滚动体自转及公转运动,通过定义旋转坐标系描述轴承各组件运动关系,构建轴承腔内油气两相流动精确分析模型;在此基础上,采用流体体积函数(VOF)模型及压力耦合方程组的半隐式(SIMPLE)算法对轴承腔内油气流动进行求解,得到油气两相在轴承腔内的分布状态;通过探讨不同工况下润滑油在轴承腔内的宏观运动规律,从压力分布、润滑介质分布特性等角度评估了喷油润滑条件下高速轴承的润滑性能。结果表明:受轴承内部气流影响,润滑油脱离喷嘴后逐渐发生偏移,运行转速越高,偏移越大,导致高速时润滑油难以直接到达滚球与内外圈接触区附近;当转速升...

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高速球轴承 喷油润滑 润滑性能 油气两相

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为了揭示高速运行条件下轴承腔内油气两相的分布情况,提升高速轴承的喷油润滑效果,考虑滚动体自转及公转运动,通过定义旋转坐标系描述轴承各组件运动关系,构建轴承腔内油气两相流动精确分析模型;在此基础上,采用流体体积函数(VOF)模型及压力耦合方程组的半隐式(SIMPLE)算法对轴承腔内油气流动进行求解,得到油气两相在轴承腔内的分布状态;通过探讨不同工况下润滑油在轴承腔内的宏观运动规律,从压力分布、润滑介质分布特性等角度评估了喷油润滑条件下高速轴承的润滑性能。结果表明:受轴承内部气流影响,润滑油脱离喷嘴后逐渐发生偏移,运行转速越高,偏移越大,导致高速时润滑油难以直接到达滚球与内外圈接触区附近;当转速升高时,运动部件上的润滑油逐渐减少,成为制约喷油润滑效果的关键因素。

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高速球轴承 喷油润滑 润滑性能 油气两相

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随着机床主轴系统不断高速化发展，支撑轴承的热特性成为影响主轴服役性能的关键因素之一。轴承自身接触与运动关系复杂，其内部热对流参数的准确计算直接影响着轴承温度场及热分析计算的可靠性。轴承内部热对流是一个多参数耦合的物理过程，受轴承复杂运动的影响，其理论求解比较困难。本文基于非接触实验方法测试轴承内圈、保持架等关键组件的服役温度数据，结合响应面思想，引入多目标优化方法反求并确定了轴承内部热对流参数，最后通过精密主轴热伸长实验进行了验证。论文的具体研究内容如下： 首先，针对高速轴承发热量计算不准确的现象，论文通过引入贫油回填系数和切入发热减少系数修正高速轴承生热功率。结合对轴承传热过程的研究，计算了轴承内部热对流参数的初值，开展滚动轴承温度场仿真分析，为多目标优化提供运算环境。 其次，针对高速轴承旋转组件（内圈/保持架）实时温度监测难题，通过量子点荧光光谱法开展了高速轴承内圈及保持架温度同步监测实验研究。利用水相制备的CdTe量子点溶液和CdSe/ZnS核壳量子点溶液，基于层层组装的原理制备薄膜温度传感器。搭建了光谱特性系统研究实验台，研究量子点特征参数（峰值波长、荧光强度和半峰宽）的温变特性，并对其峰值波长的温变特性进行标定。最后，开展高速轴承旋转组件温度测试实验研究，首次同步获得DmN值为8.0×105的高速轴承内圈及保持架端面的温度数据，为后续利用多目标优化反求热对流参数提供目标变量。 结合有限元温度场分析模型和试验测得的轴承旋转组件等温度数据，开展了滚动轴承热对流参数多目标优化的研究。以实验测得的轴承内圈等温度数据作为目标变量，以正向求解中的热对流参数初值作为设计变量，基于响应面设计，研究目标变量对各设计变量的局部灵敏度，获得目标变量与各设计变量的2D和3D响应关系曲线，建立了轴承热对流参数多目标优化算法模型，反求和确定了高速球轴承内部热对流参数。 最后，建立轴承-主轴系统热伸长模型，代入反求得到的热对流参数计算主轴热伸长。通过搭建实验台实验监测精密轴系的热伸长，对比经验值的计算结果，验证了多目标反求轴承内部热对流参数方法的可靠性。

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多目标优化 高速滚动轴承 量子点测温 热对流参数

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高速滚动轴承作为高速旋转动力装备的核心支撑部件，在现代工业和国防中得到了广泛应用，如高速列车、高速精密机床、航空发动机等高速旋转机械系统。而此类服役轴承工作环境恶劣，长期工作于高速、重载工况下，滚动体打滑、烧伤、磨损、保持架断裂等引起的轴承失效经常发生，这些失效形式常与轴承动态性能息息相关，开展高速滚动轴承动态性能的相关研究则显得十分重要。本文瞄向高速圆柱滚子轴承和高速球轴承的动态性能提出了综合分析模型，主要内容包括以下四个部分： 针对高速圆柱滚子轴承和高速球轴承的动态性能，分析轴承部件之间的几何位置关系和运动学关系，采用牛顿欧拉方程建立了考虑滚动体、内圈和保持架六个运动自由度的滚动轴承完全动力学模型，可对轴承部件的动力学特性进行更加细化研究。以此动力学模型为基础，系统分析了套圈不对中工况下的轴承动态性能，从多个方面揭示了此类工况下轴承工作性能不稳定的原因，为滚动轴承支撑转子系统异常振动分析提供了一定理论依据。 针对现有滚动轴承动力学模型没有考虑生热诱发的动态性能改变，提出了高速滚动轴承热特性和动态性能的耦合分析方法。基于该方法，探讨了温升过程中轴承结构参数和润滑油粘度的变化规律及其对重要接触面瞬态摩擦功耗的影响，对不同外界载荷和工作转速作用下的轴承温升变化规律及结构参数变化对动态性能的影响进行了研究，并进行了实验验证。结果显示：高速轻载圆柱滚子轴承温升过高，热诱导载荷较大，减小径向间隙可使这一情况得到改善；高速重载球轴承热特性较差，容易引发热失效，增大套圈沟曲率系数可改善这种情况；温升越高，对轴承动态性能影响越大，保证保持架稳态涡动的工况条件会发生变化。 基于轴承热特性和动态性能耦合分析结果，针对高速滚动轴承的接触应力和疲劳寿命，引入弹性半空间接触理论和Zaretsky疲劳寿命模型，建立了瞬态接触应力和疲劳寿命综合分析模型，通过对不同外界载荷和工作转速作用下轴承接触应力和相对疲劳寿命的研究表明：温升增大，可使球与滚道之间接触应力和应力深度增大，滚子与滚道之间接触应力和应力深度减小；套圈不对中引起滚子与滚道应力集中，缩短轴承寿命；相比圆柱滚子轴承，球轴承可承受较大程度套圈不对中。 有别于经典纯滚动假设故障振动分析模型，建立考虑形貌演变和高速效应的故障滚动轴承动力学分析模型，分析了滚道和滚动体出现局部故障后的轴承振动性能，并与实验结果进行对比了验证。结果表明：轴承部件与故障区域作用均会产生一定冲击载荷，诱发了轴承剧烈振动；冲击载荷会对滚动体旋转运动造成严重局部影响；滚道故障形貌演变的中间阶段轴承振动最大，而此时故障尺寸并非最大；复合故障分析结果中，外滚道故障特征信息强于滚子故障特征信息，而内滚道故障特征信息最弱。 总体而言，本文基于动力学、热力学和接触力学等基础理论构建了高速滚动轴承系统综合分析模型，研究了外界载荷和工作转速等典型工况下轴承热特性及其对动态性能、接触应力和疲劳寿命的影响，并对套圈不对中工况下轴承的动态性能和局部故障轴承的振动特性进行了分析，揭示了轴承部件之间作用机理及其运动学规律、瞬态热应力耦合效应、局部故障特征，从而为高速滚动轴承服役选型、动态性能优化、结构参数设计提供依据，为高速旋转动力装备工作可靠性研究奠定基础。

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动态性能 高速滚动轴承 局部故障 热特性 瞬态接触应力

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Abstract ：

高速滚动轴承是航空发动机和高速列车等重大装备的关键和核心零部件之一，其故障严重威胁着整个设备的运行安全。目前，基于振动信号的滚动轴承故障诊断技术已得到广泛地应用。然而，高速运行状态下的离心力、陀螺效应、接触面打滑以及保持架碰撞等复杂动力学特性、强大的背景噪声以及其他零部件的振动干扰等因素均会导致故障激励和动态响应之间的相互映射关系变得不再清晰，使基于振动信号的故障诊断技术遇到了新的挑战。本文即针对上述问题，通过建立高速滚动轴承典型故障的动力学模型，对局部损伤故障下滚动轴承的振动响应特点和规律进行了深入研究。本文所研究的局部损伤具有如下特征：该类损伤是由疲劳、腐蚀等因素引起的轴承表面材料的缺失；每当轴承元件通过局部损伤时均会在轴承的振动响应上产生明显的冲击；同一时刻下，只有单个轴承元件会与该类损伤发生相互作用。 针对简单动力学模型无法考虑高速效应的问题，首先基于Gupta轴承建模方法建立了高速球轴承和滚子轴承的动力学模型。在此基础上，针对高速列车轮对轴承，提出了一种双列圆锥滚子轴承的动力学建模方法。该模型通过将两侧轴承进行力和力矩耦合来实现双列圆锥滚子轴承动力学行为的分析和模拟。基于该模型，分析了初始轴向游隙对双列圆锥滚子轴承动力学特性的影响。研究表明，双列圆锥滚子轴承的初始轴向游隙需要根据接触载荷分布、摩擦生热以及保持架打滑率进行优化选取。 针对高速球轴承和滚子轴承的滚道局部损伤和滚动体局部损伤，提出了一种新的高速轴承局部损伤动力学分析模型。首先通过综合考虑几何趋近量、滚动体尺寸以及接触载荷方向的改变三个因素对局部损伤进行数学表达；然后将局部损伤与滚动轴承动力学模型进行模型融合建立了滚动轴承局部损伤动力学分析模型。所构建的局部损伤动力学模型不采用纯滚动假设，能够考虑高速运行状态下复杂的动力学特性以及局部损伤对滚动体旋转运动的影响。在此基础上，分析了外滚道、内滚道以及滚动体出现局部损伤后轴承的动力学行为和振动响应。研究表明：轴承元件在进入损伤以及与损伤发生碰撞的时刻均会产生一定的冲击；轴承元件与损伤之间的碰撞力会对滚动体的旋转运动造成严重的影响。 为克服经典的基于纯滚动假设的滚动轴承通过频率计算公式无法考虑高速效应的问题，提出了一种新的基于局部损伤动力学模型的高速轴承套圈损伤故障特征频率的计算方法。该方法首先基于局部损伤动力学模型对轴承的振动响应进行分析，进而通过包络解调技术对套圈损伤特征频率进行计算。在此基础上分析了几何和工况参数对球轴承套圈损伤特征频率的影响。研究表明：当转速较高、轴向力和径向力较小、初始接触角较大时，轴承内部存在严重的打滑，从而对滚球的套圈损伤特征频率产生严重的影响。进而，分析了作用在保持架上的各种载荷在高速球轴承保持架稳态涡动中所起的作用，并在此基础上分析了滚道损伤对保持架稳定性的影响。研究表明：随着滚道损伤宽度的增大，保持架的稳定性逐渐变差；在同样的损伤宽度下，外滚道损伤对保持架稳定性的影响强于内滚道损伤的影响。 针对滚动轴承多点和复合损伤故障机理的复杂性，提出一种新的多点和复合损伤振动响应机理分析方法。该方法基于局部损伤动力学模型，通过实时计算各个损伤和轴承元件之间的位置关系来判断损伤和轴承元件之间是否发生相互作用，从而实现了多点损伤和复合损伤下轴承振动响应的分析和预测。当各个损伤具有相同的尺寸时，有如下的研究结论：内滚道和外滚道多点损伤，以及多滚动体损伤下损伤的分布特性对轴承的振动响应具有较大的影响；在复合损伤下，包络谱中外滚道故障的特征信息强于滚动体故障信息，而内滚道故障的特征信息最弱。 最后，论文将所建立的局部损伤动力学模型应用于工程实践，对高速列车轮对轴承的故障动力学进行了分析，并成功地应用于对轮对轴承外滚道多点损伤、多滚动体损伤以及外滚道和滚动体复合损伤情况下的振动响应分析中。

Keyword ：

故障机理 故障诊断 滚动轴承 局部损伤 轴承动力学

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一种外引导高速球轴承用保持架，本体由环状体上的周向等间隔地形成的多个兜孔构成，兜孔内装有滚珠；所述兜孔的内面上设置有4个径向槽，径向槽将兜孔周向、轴向上分割成相对设置的球形内面和圆柱形内面，且兜孔外端口的半径r1小于滚珠半径r2，圆柱形内端口的半径r3大于滚珠半径r2；圆柱形内面的内径侧端部设置了凸台；圆柱形内面设有圆柱形导向面且曲率半径r4等于兜孔的圆柱形内面的半径r3；该圆柱形导向面的大径端的曲率半径等于圆柱形内面的曲率半径，便于滚珠安装，在保持架兜孔的内面上设置有4个径向槽，使保持架内外侧之间润滑油的流动性提高，保持架还具有高强度、高耐磨性、高可靠性，低振动、低噪音，适用于高速运转的特点。

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Abstract ：

高速精密球轴承作为精密机械系统关键元件，其设计制造能力集中体现一个国家机械工业的发展水平。轴承的力学特性及性能不仅对整机性能的影响至关重要，而且对轴承及主轴的设计研究也很有意义。刚度和发热是轴承十分重要的性能参数，而这些参数同时又受到轴承结构尺寸、工作条件等诸多因素的影响。本文基于拟动力学构建球轴承理论分析模型，并采用Matlab编写相关数值求解程序，全面分析了服役工况与结构参数对球轴承的力学特性、刚度以及发热的影响规律，在此基础上进行高速球轴承结构主参数优化设计。论文的主要工作包括： 构建了基于拟动力学的五自由度高速角接触球轴承服役性能分析模型，该模型全面考虑了球轴承在高速状态下，零件相互之间的运动关系、受力状态以及与润滑剂的弹性流体动压效应，摆脱了采用拟静力学分析的滚道控制理论，使得计算结果更加接近实际工况。 利用建立的拟动力学模型分析了7008C轴承的接触角、接触载荷和轴向位移、油膜厚度随载荷、转速的变化规律，同时对比轴承经典著作验证了本文模型的准确性。提出了高速球轴承刚度与发热计算方法，分别采用五自由度刚度矩阵、局部法分析模型量化分析了服役工况、结构参数对球轴承刚度性能、发热特性的影响规律，探索了提高轴承刚度性能与降低轴承发热的理论方法，为高速球轴承参数优化提供理论支撑。 以国内某轴承企业生产的7014AC/P4和7008C/P4球轴承为案例，在滚动轴承综合性能试验台分别测试了两款轴承的刚度随工况的变化规律，同时在电主轴试验台上对7008C/P4轴承在不同转速下的温升进行了测量，通过与理论计算结果对比分析，验证了本文构建的拟动力学理论模型的计算精度。 提出了面向高速球轴承服役特性的结构主参数优化设计方法，量化分析了内外圈沟曲率系数、球数和球径对旋滚比、内外圈PV值和额定动载荷的影响规律，从而以这些特性为优化目标，实现了结构主参数优化设计。 本文的研究工作对高速球轴承服役性能分析与结构主参数优化设计具有重要的理论意义和实用价值。

Keyword ：

角接触球轴承拟动力学刚度发热优化设计

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