高性能滚动轴承基础研究 - 图文

项目名称： 高性能滚动轴承基础研究 起止年限：依托部门：王煜 西安交通大学 2011.1至2015.8 教育部

首席科学家：

二、预期目标

1) 总体目标：

本项目瞄准高速铁路、精密机床、风力发电机等重大装备关键零部件轴承的设计、制造与使用所面临的关键共性问题，揭示高速重载精密轴承服役性能形成与演变规律、复杂工况下宏微观动态润滑接触机制、多重润滑膜生成与失效机理等，发展面向预定性能的控形控性制造方法和在线调控技术，从而建立高速重载精密轴承设计、制造、装配以及使用的新原理、新方法和新工艺等。通过本项目研究，提升我国高速重载精密轴承设计制造的自主创新能力，为我国轴承工业提供原创性核心技术和若干高性能轴承技术原型，培养一批理论基础深厚、创新能力强的学术带头人和研究骨干，形成一支朝气蓬勃的研究团队，建立轴承创新研究平台，显著提升我国轴承设计制造的技术水平，解决我国重大装备制造对高性能轴承需求的瓶颈问题。 2) 五年预期目标：

围绕复杂工况下高性能轴承关键科学问题，发展基础理论、核心技术，获得有国际影响的创新性研究成果，为我国轴承技术的发展奠定坚实的理论与人才基础，主要预期目标包括： （1）理论层面

? 揭示高速重载精密轴承多场耦合作用下动态接触行为对界面演化过程影响的科学本质，建立新的考虑宏微观特征的接触力学理论；

? 建立滚动轴承运动副界面多因素耦合润滑分析模型，揭示高速重载滚动

轴承的热失稳机制；

? 揭示轴承多重润滑膜生成与失效机理，建立极端条件及多变工况中润滑

材料性能优化及可靠性增长的相关理论； ? 发展基于热力学、动力学和晶体学的微观组织调控基础理论； ? 揭示轴承滚道轧制过程中组织状态遗传演化机理，建立高性能轴承基体

组织和滚道表面状态可控性轧制成形理论； ? 揭示复杂工况下滚动轴承服役性能创成机理。 （2）技术层面

? 轴承界面系统复杂性摩擦学行为大规模数值模拟技术；

? 新型润滑剂制备技术，提供2－3种新型高性能滚动轴承润滑材料； ? 轴承组件的三种控形控性形制造技术：面向复相组织和碳化物形态及分

布控制的淬火/分配/回火（QPT）热处理新工艺、控形控性轧制成形技术、表面完整性的可控磨削和强化技术；

? 轴承摩擦界面多重润滑膜构建技术；

? 服役状态的在线监测与服役性能的在线调控技术；

? 建立实验测试平台：轴承摩擦学行为长期演化测试平台、轴承润滑材料

使役行为与失效机制研究的精密试验平台、套圈组织性能可控性轧制成形实验平台、工艺参数可控的轴承滚道成形磨削实验平台、磨削力和磨削温度的同时在线测试平台、轴承服役性能在线测试与动态控制平台、轴承运动副动态润滑油膜测量平台；

? 提供面向高速铁路、高档数控机床的滚动轴承技术原型。 （3）研究成果与人才培养：

拟在国内外重要刊物上发表论文150篇以上（其中SCI/EI论文110篇以上），撰写专著1部以上，申请专利30项左右。组成一支富有拼搏意识、创新能力强的研究队伍，培养博士后、博士和硕士90名左右。

三、研究方案

1) 学术思路

如图1所示，本项目以解决重载高速精密滚动轴承的基础问题、形成若干具有自主知识产权的核心技术为目标，重点围绕三个关键科学问题开展多学科交叉基础研究，在高性能滚动轴承共性基础理论取得突破后，提出轴承设计、制造、装调等核心技术问题的解决方法，发展具有自主知识产权的关键制造技术原型，形成我国高性能滚动轴承的自主原创性成果。

内容1：轴承复杂界面系统相互作用的动态三个层面科学问题研究内容试验验证 设计 服役制造高速重载精密轴承多界面系统动态润滑接触理论接触机理及轴承失效内容2：高速重载精密轴承润滑机理及热失稳机制内容3：轴承多重润滑膜生成机理及新型轴承润滑材料设计★轴承界面系统复杂性摩擦学行为大规模数值模拟技术★滚动服役性能仿真平台高速重载精密轴承组件的控形控性制造内容4：轴承材料热处理工艺与组织性能调控内容5：轴承滚道基体组织与工作表面状态可控性制造★实现重载高速精密滚动轴承加工工艺、性能测试技术等验证平台复杂工况下轴承服役性能创成内容6：高速重载精密轴承服役性能控制研究图1 项目研究学术思路

2) 技术途径

通过对动态接触、润滑理论的研究，揭示服役工况下的滚动轴承多场耦合作用的科学本质，研究制造过程中轴承材料的组织状态、工件表层金属组织和残余应力分布特性以及使用过程中服役性能的创成机制，为高性能滚动轴承的精度设计、可控制造与应用提供理论依据与技术支撑。

在对科学问题的研究中，注重理论与实验相结合。通过构建采用新技术、新原理和新思路的高性能滚动轴承实验方法和测试平台，采集轴承服役过程中轴承状态信息，构建状态信息数据库，并采用有效数据处理方法，分析滚动轴承服役过程中各组件、各耦合场的物理与化学行为特征；同时，从若干力学的基本方程，结合适当的数学方法，建立复杂工况作用下的轴承制造与服役过程的数学、力学行为描述模型，利用专业或开发的分析软件，实现对轴承制造与服役过程中各种现象和行为的仿真与分析，深入系统全面地开展理论与实验的比较研究，建立完整的数据系统，采取正问题和反问题结合的方法，完成本项目的研究。

在滚动轴承基础理论研究成果上，课题将结合国内重大装备制造业（高速铁路、高档数控机床）的重要需求，开发高速重载精密高性能轴承的技术原型。

具体技术路线如下：

（1）在轴承复杂界面系统动态接触方面

首先建立新的滚动体弹性系统理论、高精度变形计算模型以及大规模数值模拟方法，并耦合其他多物理模型，建立研究轴承滚动体与滚道界面多场耦合作用下动态微接触理论。然后，面向高速重载精密轴承微小空间强场耦合相互作用本质问题，在不同域及时间尺度上，研究宏观复杂全域耦合场与微幅复杂局域耦合变化场，建立轴承界面系统强场耦合动态行为研究的有效模拟平台。揭示高速重载界面系统摩擦、磨损机理及对界面耦合场长期发展演化的影响。在此基础上，建立在耦合磨粒的润滑条件下的接触理论与材料表面损伤、失效的理论模型及预测方法。继而，通过对滚动体与滚道表面几何拓扑结构与耦合场的适应性研究，阐明高速重载精密轴承设计、制造关键尺寸参数的控制机制。研究高速重载精密轴承复杂界面微接触区域演化、动态摩擦行为以及界面系统的摩擦能量耗散问题，阐明润滑介质、运动及结构与摩擦损耗的关系，指导轴承设计。另一方面，建立考虑循环载荷或润滑温升影响的滚动轴承损伤过程数学模型及断裂损伤过程的数学模型，根据轴承接触疲劳性能，综合运用摩擦学原理和润滑理论提出一种应力破坏累积计算方法，通过试验验证该寿命模型。通过建立滚动轴承摩擦力与磨损测试试验台，验证动态接触理论与磨损预测模型。本课题面向界面耦合场演变规律，重点发展耦合系统作用下的微接触理论与失效机理分析；研究滚动体与滚道接触形式与宏微观拓扑结构特征，提出新的摩擦、磨损及润滑研究方法，为认识高速重载精密轴承核心技术科学本质提供重要的理论依据。

（2）在高性能轴承润滑机理与热失稳方面

本课题采用数值模拟和实验研究相结合的方法。通过模拟实验，获得表面粗糙度、温升等对润滑性能的影响规律，进而考察润滑膜热失效的发生、表面膜的吸附和解附以及对摩擦系数的影响，从而实验确定油膜破坏的临界温度。同时发展基于多光束干涉法的轴承接触副表面润滑介质分布的测量方法，实现轴承油膜特性和润滑介质分布的动态测量。在理论方面，结合摩擦学实验结果，首先建立全尺度多因素耦合宏微观润滑接触模型，以实验获得的润滑介质分布规律为输入条件，按实际运行条件进行数值分析和计算机模拟，系统研究表面微观特征、表面变形、热效应等对润滑性能的影响规律，进而建立润滑膜局部失效和表面温度的关系；其次，引入流体动压效应和热效应的竞争机制，建立润滑热失稳的动力学方程。研究接触表面-润滑剂所组成的摩擦系统热失稳的发展和抑制的主要因素，确定润滑系统由局部润滑失效发展为整体失效或转向稳定润滑的条件；最后通过模拟实验验证理论模型和分析结果。

（3）在轴承多重润滑膜生成机理方面

首先，基于先进的气相薄膜沉积技术与表面加工技术，研究极端尺寸轴承表面高硬度低摩擦一体化表层的制备方法，分析复杂型面加工精度、表面粗糙度和宏微观多尺寸的影响规律，构筑轴承构件表面微纳复合结构固体润滑薄膜；其次，设计制备极端条件适应性和表面损伤自修复性的先进润滑剂，发展具有优异抗磨性能及一定摩擦环境自适应的多尺度织构化复合薄膜体系的构筑方法，研究薄膜体系微结构与性能关系的尺度效应，揭示特定环境下膜层自适应与低环境敏感性行为特征；然后，从分子层次和材料功能组合及复合化层次开展轴承固液复合润滑的设计与制备，构筑固液复合润滑体系，发展可适应极端服役条件的轴承复合润滑材料；进而，提升分子结构稳定性及理化性能，充份利用物质流变行为与稳定性的调控及摩擦表面效应的控制，研究微观结构对润滑材料性能的影响和高速

重载精密轴承系统固液耦合多重润滑体系的设计及服役行为；最后，在模拟服役环境及随机突变工况下开展摩擦学试验，研究轴承表面层及润滑介质分子结构及微纳结构的摩擦物理化学老化及破坏规律，研究轴承表面与润滑剂在摩擦过程中的物质交换、分子生成及微结构演化规律，复杂运动条件下轴承表面界面材料分子及微纳结构演化规律，探索多因素耦合作用下轴承界面物质结构演化过程以及轴承润滑失效的材料学机制。

（4）在轴承材料热处理工艺与组织性能调控方面

首先，根据轴承组件的组织设计和淬透性要求，在QPT热处理新工艺研究成果基础上，借助JMatPro和ThermoCalc等软件微调现有高碳和渗碳轴承钢的成分，熔炼材料，控制O和Ti的总含量在10ppm以下。其次，分别对材料进行传统热处理、QPT热处理和渗碳、渗氮化学热处理等工艺，系统表征钢的成分分布、残余应力分布和表面硬度和耐磨性能等，光学/扫描/透射电镜分析多尺度的微观组织，XRD分析相组成和残余应力，EBSD分析织构或各向异性问题等。分析性能与成分、热处理工艺的相关性规律，着重于控制马氏体内部沉淀的碳化物相的数量、尺寸和界面状态，以及残余奥氏体的数量、形貌、成分和稳定性等，从纳米层次调控轴承钢的组织和性能。第三，用热机械模拟实验等测量热处理工艺数值模拟的边界条件，应用现有软件建立新型QPT热处理和精准渗碳、渗氮过程的数值模拟模型，计算机数值模拟轴承钢材料热处理过程中的成分分布、残余应力分布及其组织演变规律，实现轴承热处理的计算机模拟和工艺优化。最后，通过表面激光熔覆、感应加热表面淬火等技术，形成表面高强韧的马氏体组织和具有良好韧性的基体组织相结合的复相组织；采用智能脉冲控制的真空渗碳和渗氮新技术，提高材料表面的硬度和耐磨性，又能有效控制渗碳和渗氮过程中可能的氧化问题，提高轴承组件的接触疲劳寿命。

（5）在轴承滚道基体组织与表面状态可控性制造方面

本课题针对轴承滚道在轧制成形和磨削制造过程中基体组织与表面状态变化规律开展研究，通过揭示轴承滚道宏观几何精度和微观组织性能遗传、演化机制，提出轴承滚道基体组织与表面状态控制理论，为高速重载精密轴承滚道控形控性制造提供科学依据和技术方法。具体技术路线为：首先，通过材料学理论、力学理论分析和轴承疲劳实验测试，建立轴承滚道基体材料组织状态模型和分类方法，揭示轴承滚道基体材料组织状态、服役载荷与疲劳寿命的相互作用规律，建立高性能轴承材料组织状态优化设计理论与方法。通过轧制塑性变形热力耦合建模和数值模拟，揭示滚道轧制过程中基体晶粒、晶界、碳化物与流线变化规律和表面状态变化规律，阐明基体材料组织和表面状态遗传演化机理。通过轴承滚道轧制成形数值模拟和实验测试，揭示轧制过程条件、宏观精度、微观组织相互作用规律，提出轴承滚道几何精度和组织性能控制成形工艺规划与优化方法。然后，通过轴承滚道磨削过程数值模拟和实验测试，揭示磨粒与工件微观作用机理、变质层和残余应力的形成机理、表面强化层的形成机理，阐明磨削过程工艺条件、滚道表面状态和表面强化层相互作用和变化规律，建立轴承滚道强化、表面状态控制磨削理论和技术方法。

在磨削基础理论、弹塑性力学、传热学、热力学、摩擦学、材料学等多学科综合交叉的基础上，注重理论分析、试验研究与数值模拟相结合的研究路线，开展轴承滚道磨削的理论和应用基础研究。基于力学、传热学基本方程结合适当的

数学方法，建立磨削工艺参数和冷却条件与滚道表面物理机械特性的数学关系模型；开发及利用专业软件，实现磨削过程中轴承滚道表面物理特征的数值模拟；通过构建磨削实验平台和测试平台，利用相关的测试技术对数值结果进行验证并修正理论模型，建立轴承滚道表面完整性的可控磨削和强化理论体系。

（6）在轴承服役性能控制方面

首先利用有限元方法和接触力学的相关理论,研究在装配力作用下滚动轴承各组件宏微观几何特征在多结合面间的传递及累积规律,建立对轴承装配体精度的基本分析方法;基于此方法,研究载荷引起的变形在多结合面间的传递及累积规律，在轴承动力学计算模型中计入轴承组件变形、润滑性质的变化，以分析零部件几何特征(如波纹度、粗糙度、位臵偏差等)对旋转精度的影响规律；进而参考轴承磨损方面的相关研究结果，将轴承表面微观形貌随时间的变化规律计入旋转精度的计算模型，研究服役条件下轴承旋转精度随时间的演变规律。在对旋转精度研究的基础上，利用实验与分析相结合的方式，研究轴承内部生热及热量的累积与传递规律，在此基础上，进一步研究轴承零部件选择与组装的配套原理（过盈量或间隙量、公差等）、安装工艺参数（与轴或轴承套的过盈量、游隙、安装顺序等）、服役条件等对轴承发热、振动、噪声的影响，揭示轴承热-力-服役性能之间的耦合及服役性能的创成机理。在上述理论研究的基础上，利用智能学习方法，建立轴承几何特征、装配参数、服役条件及预紧力等与服役性能之间的非线性映射模型。利用此模型进行反演计算方法研究，获得对轴承组件的精度设计；同时利用现代优化算法及精心设计的预紧力调整机构，实现对预紧力的实时在线调控，以保证轴承的服役性能满足服役环境的要求。最后建立集成上述研究成果的高速精密轴承和大型重载滚动轴承技术原型，在实验室及实际装备上验证其性能。

综上所述，本项目以理论和实验相结合为基础，以宏观与微观研究思想规划研究方案。面对高速重载精密高性能滚动轴承核心技术的难点和挑战，发展新的理论。研究多场耦合作用下润滑动态接触问题的机理，阐明制造过程轴承组件几何精度和基体组织遗传演化规律,揭示服役工况下轴承服役性能创成机理，期望在关键基础理论和关键技术研究方面实现重大的突破,在核心技术上获得足够的提升，为我国高端轴承自主设计与制造提供理论支持和技术保障，从而突破我国重大装备关键轴承系统依赖于进口的瓶颈问题。

（7）高性能滚动轴承技术原型开发

针对高档数控机床、高速铁路所需的高性能滚动轴承，联合秦川机床厂、沈机集团昆明机床股份有限公司、大连机床厂、长春客车厂、青岛四方机车车辆股份有限公司等高性能滚动轴承最终使用用户，基于已有的检测设备和项目拟开发的检测、数据采集系统，对高性能滚动轴承服役工况进行检测、分析，并建立模型；基于本项目理论、试验的研究成果，进行面向轴承服役性能的滚动轴承宏微观几何量和润滑介质设计；充分利用瓦房店轴承集团有限责任公司现有高档轴承制造装备，并且针对本项目提出的加工工艺，与瓦轴集团装备研究所、洛阳轴承研究所等轴承装备生产商合作进行设备试制或改造，实现轴承组件的控形控性制造；根据本项目提出的装调工艺进行轴承的装配与调试，形成轴承技术原型；最终，在瓦轴研制的综合性能测试平台上完成符合高档数控机床、高速铁路实际工况的性能加速测试。

3) 可行性分析与组织方式

参加学校西安交通大学、上海交通大学、中国科学院兰州化学物理研究所、北京理工大学、武汉理工大学和青岛理工大学，长期从事润滑理论、摩擦学、轴承技术、测试技术及摩擦学设计、材料热处理、轧制技术和磨削技术等机械制造的基础研究与实践工作，在轴承技术、摩擦润滑基础理论及其关键技术研究方面积累了丰富的成果；此外，西安交通大学与瓦轴集团计划合作建立研究院，对本项目进行提供了有力的工业设计及实践方面的支持。合作单位瓦房店轴承集团始建于1938年，新中国第一套工业轴承就在这里诞生，是我国目前规模最大的轴承制造企业。2009年产值已达60亿元,是从事各种高速重载轴承生产的国家企业,建设有先进轴承技术室,其定位是集成国内外轴承研究力量,形成高速重载精密轴承创新基地与技术集成平台,提升中国轴承工业水平及尖端轴承技术水平研发水平，资助部分基地实验、轴承研发试制及技术的工业化开发。

研究队伍汇集了国内外在精密轴承理论与技术，润滑与摩擦学，微接触力学，轴承系统动力学，轧制、磨削制造技术，先进数值与实验测试技术等方面知名教授，中青年专家和研究团队，他们在轴承与润滑、摩擦学设计、大型旋转机械、超精密球面轴承及先进制造等领域取得了多项重大的理论与技术成果，为本项目的科学问题和关键技术的研究打下了良好的基础。

（1）在轴承界面系统接触和摩擦研究方面

西安交通大学机械工程领域几位院士的团队多年来从事与本项目相关的关键领域-轴承、摩擦学、精密加工与状态检测等研究工作。谢友柏院士及朱均教授等领导发展的西安交通大学润滑理论及轴承研究所在轴承领域作了长期、大量和深入的研究工作，是我国高等学校中最大的轴承研发基地和机械学科博士、硕士培养基地。近年来，承担国家自然科学基金项目、国家自然科学基金重大项目、国家重大攻关项目、攀登计划、973项目、863项目以及省部委及工业项目等20余项与轴承设计理论、动力学、摩擦学等相关的研究课题。自主研发了我国第一台可直接测量轴承机械变形与热变形的全尺寸及大型轴承试验台，积累了诸多理论、试验与测试等经验。这为本项目研究工作的开展提供了坚实的工作基础。

近年来，在超精密轴承领域的研究方面，西安交通大学的项目申请团队在已有多年积累的宝贵经验基础上，基于多学科交叉方式在机械工程相关领域的研究方面，创造性地提出用于复杂界面问题一套关键基础理论体系，并随后被用于机械与生物工程系统与界面力学研究当中，特别是建立完善了现代球基等工业与生物界面问题现代理论体系。主要成果均发表在国际知名刊物上。近年来还开发了几部大型复杂界面耦合系统中摩擦、磨损与润滑问题的分析软件。这为本项目涉及的科学问题、具体研究课题以及关键技术的研究提供了重要的学术平台。图2(左) 为西安交通大学自行研制的滚动轴承实验台；图2(b右) 为西安交大高速航空发动机轴承试验机。

图2 滚动轴承实验台:(左)自制实验台 (右)高速航空发动机轴承实验台

（2）在润滑及失效机理研究方面

北京理工大学建有车辆传动国防科技重点实验室、先进制造技术国防重点学科实验室、国防科技工业微细结构加工技术研究应用中心、振动与噪声控制实验室、计算机应用与仿真实验室等与该项目相关的实验室。在装备动力学、结构力学、摩擦学等相关领域的基础研究具有显著的优势与特色，并拥有良好的实验与设备条件，为课题的实施提供了保障。

课题组多年来一直从事润滑的机理研究和润滑性能的数值模拟与实验研究，已取得了一些具有创新意义的成果，所发展的热混合润滑模型具有模拟不同润滑状态和接触程度的能力，如图3所示，受到同行高度关注和评价，为目前世界上最成功的润滑接触分析模型之一。课题组在混合润滑方面某些已完成的研究(包括已建立的点接触等温混合润滑模型和混合润滑的热分析等)可以作为本研究的已有基础。此外，课题组已进行了一些与粗糙度效应相关的润滑模拟研究，部分工程表面的初步摩擦学实验研究，以及初步发展的摩擦力统一计算模型，这些成果均是与本项目密切相关的前期研究积累。课题组在润滑、摩擦机理、传动系统研究方面有比较深厚的积累和经验，在数值分析和理论建模方面有较高的学术水准，与国际学术界有较广泛的学术联系和交流，有一支能够熟练掌握和运用计算机模拟技术，以及实验技术的研究队伍。这些成果和条件确保课题的顺利实施。

图3 表面润滑模拟：膜厚等高线图(上)，膜厚和压力轮廓(下)

青岛理工大学摩擦学研究所在固-液耦合场的润滑研究方面有非常好的研究基础。理论方面，青岛理工大学摩擦学研究所在弹流基础理论方面进行了大量系统的工作，建立的热弹流表面温度粘度楔理论在国际上享有较高声誉。已形成的多重网格算法性能十分优越。近两年针对热条件下的乏油及动态非牛顿混合润滑薄膜最佳供油量的问题进行了深入的研究，这些研究工作为本课题中的理论分析和数值模拟奠定坚实的工作基础。实验方面，建立了多光束干涉测量技术，成功研制了超薄润滑油膜测量仪，旋滑/旋滚薄膜润滑测量仪及面接触润滑油膜测量系统，在油膜厚度测量系统的设计、加工和调试方面积累了大量经验，这为本项目实验系统的建立和相关实验研究奠定了基础。图4 为青岛理工大学光弹流测试系统和轴承油膜动态测量系统。另外，项目组在固液界面的研究方面近年也完成了许多工作，特别是亲/疏油（水）表面的制备和对润滑油膜的影响的实验测量已有成果输出，这些工作为本课题相关的研究提供了前期数据。项目组目前拥有与本项目有关的大量基本实验设备，项目组多名成员具有海外学术研究活动、学习和国际合作交流工作的经历。从事专业包括机械设计与理论，机械电子，物理化学及材料学，十分有利于本项目的多学科交叉研究。

图4 光弹流测试系统（左） 轴承油膜动态测量仪（右）

（3）在润滑介质失效与新润滑材料研究方面

中科院兰州化学物理研究所薛群基院士领导的研究团队，立足于固体润滑国家重点实验室这一高水平研究平台，长期致力于先进润滑材料的基础研究与高技术应用开发工作，当前已成为国内该领域最有实力的研究团队之一。在本项目涉及的装备关键摩擦副润滑失效及表面功能防护研究方面，近年来以揭示特殊工况以及苛刻环境下材料的润滑失效机制和延寿理论为导向，从摩擦副表面高性能润滑剂分子设计、表面多功能强化与固体润滑薄膜构筑以及精密机械系统固-液复合润滑体系的设计多方面入手，系统深入地研究关键装备摩擦副的摩擦磨损失效关键基础理论和高效延寿技术，承担了国家自然科学重点基金、863 等多项国家重要项目的研究工作。上述的研究工作积累为本项目有关轴承润滑介质失效机制及先进轴承润滑材料设计课题研究目标的完成奠定了良好的前期基础。多年研究证明摩擦副表面微/纳结构自适应固体润滑薄膜以及其固－液复合多重设计理论与技术在轴承中应用是可行的，为开展高速高载轴承系统表面润滑失效及先进润滑防护设计研究提供了良好的基础。

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室拥有有关润滑剂制备、表面微纳米加工、表面沉积成膜等所需的制备、表征及性能研究的先进设备，有老、中、青合理搭配，具有丰富理论功底和研究经验的研究团队，相关研究人员已在摩擦面精加工、先进表面自润滑层构筑、高性能润滑剂设计制备方面 积累的丰富的理论基础与研究经验，近年来每年平均在相关领域发表研究论文一百多篇、申报国内外发明专利二十多件，培养相关专业的博士硕士30 余名。这

些成果和条件可确保课题的顺利实施。

图5 兰州化物所液氢液氧火箭涡轮泵支撑轴承和液氧煤油大推力火箭涡轮泵支撑轴承

（4）在轴承材料热处理工艺研究方面

上海交通大学徐祖耀院士领导的课题组长期从事固态相变（包括马氏体相变和贝氏体相变）热力学、动力学和晶体学的研究，从事相变研究数十年，出版专著九种，发表论文400余篇，在国际期刊中被多次引用。曾获国家自然科学三等奖，国家科技进步二等奖，国家教委科技进步一等奖、二等奖(二次)等。

与此相呼应，潘健生院士所领导的课题组致力于将相变理论应用于热处理工艺的基础研究，在热处理数学建模与计算机模拟、热处理智能技术、钢铁化学热处理领域达到国际先进水平，合作主篇的《钢铁热加工模拟手册》由国际热处理与表面工程联合会和CRC出版社在美国出版，曾获国家科技进步二等奖，国家发明三等奖。徐祖耀院士课题与潘健生院士课题紧密合作具备从基础理论研究、应用基础研究和应用研究相结合的整体实力。从1983年以来，得到自然基金委的资助，开展贝氏体相变和热处理计算机模拟等基础研究，获得一些创新的成果。2005年在Icomat’05上海国际马氏体相变会议上报道了预应变对贝氏体相变开始温度的影响，热机械模拟的初步研究表明，塑性变形对贝氏体转变有促进作用，得到与会者的关注。

上海交通大学在利用激光进行表面改性技术方面有良好的研究基础和技术积累。上海市激光制造与材料改性重点实验室依托于上海交通大学材料科学与工程学院，长期开展焊接技术、表面改性与焊接装备研究，是国家科技部国际科技合作基地、国防科工委特种焊接技术应用中心理事单位、国防科工委大型构件焊接技术应用中心理事单位，为国家科技部、国防科工委、上海市科委、航空航天、舰船制造开展并完成了多项激光焊接的科研攻关。实验室装备了由3 kW YAG激光器，ABB六轴＋2轴工业机器人以及Funac控制精度三维机床组成的激光焊接系统、15 kW 高功率CO2激光焊接设备。特别对用激光+MAG，激光+TIG方法作了很多技术研究及前期准备。多项科研成果获上海市科技进步奖、国家科技进步奖、上海发明专利奖等奖项。

图6 透射电子显微镜（左） 激光焊接试验平台（右）

（5）在轴承组件可控性制造方面

武汉理工大学自八十年代开始环件轧制成形理论和应用技术、摆辗成形理论和应用技术等特种轧制相关领域研究，先后主持了国家科技重大专项课题“精密锻轧成套新技术”、国家863计划项目“大型环件成形制造过程数字化建模仿真与工艺优化”、国家自然科学基金重点项目“金属环件冷辗扩塑性成形机理及工艺设备”、 国家自然科学基金面上项目“环件冷轧-淬火中细-微观变形与损伤规律研究”、湖北省重大科技招标项目“轴承环冷轧成形工艺与模具”、原机械部科技攻关项目“Φ500数控轧环机”等一系列科研课题研究工作。开发出了复杂截面的钢铁环件、铝合金环件热轧和冷轧精密成形技术，开发出了新型轧环机、长寿命轧制模具、轧环工艺CAD/CAE技术等，研究成果得到了广泛应用。获得了GM中国科技成就二等奖、陕西省科技进步一等奖、湖北省技术发明一等奖等奖励。结合以上项目研究，武汉理工大学在环件轧制技术领域发表研究论文60余篇，撰写出版了《环件轧制理论和技术》专著，并参与了《中国材料工程大典》、《中国模具工程大典》、《锻压手册》等环件轧制成形章节编写。获得中国发明专利5项，计算机软件著作登记2项。材料复合新技术国家重点实验室、现代汽车零部件技术湖北省重点实验室装备了的D51-160A热轧环机、DWG90数控轧环机、CRM220数控轧环机、各种材料分析仪器以及计算机工作站和计算分析软件等，具有良好的研究实验条件。

课题组与山东大学机械工程学院进行了磨削研究合作，在超高速加工及其装备的基础研究973项目的资助下，对磨削加工磨粒与工件的作用机理、磨削热产生和传散与热力耦合作用及数值模拟等方面进行了深入的探讨，积累了丰富的研究成果，为本课题的研究奠定了坚实的理论基础。在试验条件方面，合作单位拥有数控强力成形磨床1台，可使用三向压电式磨削测力仪、热电偶传感器、红外测温仪、粗糙度检测仪、扫描电子显微镜、金相显微镜、显微硬度计、X射线衍射仪、残余应力测量仪、光学显微镜以及NI公司的数据采集和分析系统等成套的测量仪器。

图7 环件在不同轧制时间模拟和真实形状 图8 磨削实验平台

（6）在轴承装配与性能控制研究方面

西安交通大学卢秉恒院士领导的科研团队，在重大装备集成技术、复杂机械系统装配理论、先进制造技术、超精密加工及传感器等方面作了深入的研究工作。如所开展的超高速加工及其装备的关键核心部分就涉及到超高速精密轴承技术，必然为本课题的研究提供宝贵的发展经验与工况分析数据。在985平台支持下开发的超高速精密加工技术，为本项目研究中涉及到的高速重载精密轴承回转精度的控制将会提供有利的技术支持。同时，课题组在机械系统刚/柔性构件的装配连接工艺领域具有丰富的研究工作积累，近年来先后与国内汽车、飞机制造企业就关键连接工艺参数对于零部件连接质量的影响规律展开了合作研究，承担了“复杂机械系统装配基础理论与质量保障技术研究”国家重点基金项目，正在搭建轴承性能分析综合实验平台，为轴承的装调提供了研究基础。

在西安交通大学已故屈梁生院士领导的团队中，在机械设备故障监测与诊断的研究方面，以大型机械设备、转子系统等为背景，以转子动平衡的全息谱理论、频谱分析、信息融合、小波理论、模式识别等系统理论为基础，研究系统监测与诊断的关键基础理论和技术，承担了863、自然科学基金重点项目等多项课题，为服役工况下轴承的在线监测及性能控制奠定了基础。

（7）瓦房店轴承集团有限责任公司

瓦房店轴承集团有限责任公司（以下简称瓦轴集团）始建于1938 年，新中国第一套工业轴承就在这里诞生，被誉为中国轴承工业的故乡和摇篮。是我国目前规模最大的轴承制造企业，技术创新能力、市场竞争能力、产品赢利能力以及经济总量在中国轴承工业综合排名第一位。2008 年集团公司实现销售收入52 亿元。公司荣获中国机械500 强称号。近年来，获各种奖励近200 项，研发大量新产品。瓦轴将全力支持该项目研究的开展，并与研究单位紧密合作，共建企业-高校研究合作机制。此外，企业也将在技术转化方面提供支持。

近年来，瓦轴集团经过大规模的技术改造和技术创新，产品的开发能力得到了大幅度的提升，随着瓦轴精密技术与精密制造工业园的建设投产，已经具备了高速、高精密、高可靠性轴承产品的加工能力和掌握了先进的制造技术。一大批产品已经达到了世界先进水平，成功的研制出具有自主知识产权的时速200Km/h高速客车轴承、兆瓦级风力发电转盘轴承、重大型数控机床主轴轴承、石油钻井机械轴承、精密医疗器械轴承等，并已经实现了批量配套。建成了现代化铁路提速轴承、高速高精密数控机床轴承等一批具有当代世界一流水平的生产线。建成了国内轴承行业一流的检测试验中心并通过国家实验室的认可，国家级的企业技术中心在轴承行业综合排名第一，具有雄厚的技术开发实力，具有较强的技术转化机制和技术创新能力。每年R＆D 的投入均超过销售收入的5%。近年来企业申请专利205 项，其中发明专利53 项。获各种奖励近200 项，研发大量新产品。瓦轴将全力支持此项目的研究，并与研究单位紧密合作，并在精密重载轴承的试制，加工，加工工艺，试验等方面提供配套人员与资金，共建企业-高校研究合作机制。此外，企业也将在技术转化方面提供支持。

（8）创新基地

拟任项目组首席专家及项目组成员有长期从事本领域研究工作的经验，尤其

在美国、英国、香港的研究经验，是有关机械设计、制造、装配等方面研究的著名专家。因此，确保能够及时把握国际上最新的研究动态，使研究工作始终保持在国际前沿。

参加单位在机械工程学科、材料学科以及相关领域拥有良好的研究平台，拥有“机械制造系统工程国家重点实验室”、“国家轴承工程研究中心”、“国家快速制造工程技术研究中心”、“金属材料强度国家重点实验室”、“固体润滑国家重点实验室”、“先进润滑与防护技术国防创新研究中心”“轴承研发中心”、“金属基复合材料国家重点实验室”、“材料复合新技术国家重点实验室”、“车辆传动国防科技重点实验室”、“先进加工技术国防重点学科实验室”等以及上海市“激光制造与材料表面改性实验室”、山东省“机械设计与制造重点实验室”、教育部“现代设计与转子系统重点实验室”、“强度与振动重点实验室”。特别是在985工程建设中，西安交通大学等投入数亿元筹建了“制造科学与技术”、“精密制造技术与装备”等工程科技创新平台，这为本项目的顺利开展提供了有力的物质和条件支撑。

4) 创新点

本项目致力于发现轴承服役过程中多物理场作用下的各种物理与化学行为及服役性能演变规律，建立创新的轴承设计与制造基础理论，全面系统地开展轴承装配与服役中的科学问题研究。主要的创新点和特色包括以下几个方面： （1）理论层面：

? 提出高性能轴承多界面系统动态润滑接触理论；

? 提出轴承表面微/纳复合结构自适应固体润滑薄膜构筑方法，研制具

有极端条件适应性和表面损伤自修复性的新型轴承润滑剂； ? 提出以热力学、动力学和晶体学为基础的微观组织调控基础理论； ? 提出轴承组件制造过程中组织状态遗传演化理论； ? 揭示滚动轴承服役性能创成机理。

（2）技术层面

? 轴承界面系统复杂性摩擦学行为大规模数值模拟技术；

? 轴承组件控形控性制造技术：热处理、表面改性、轧制、磨削工艺

参数的精确控制；

? 滚动轴承服役性能在线调控技术。

（3）实验方法层面

? 高速重载精密滚动轴承摩擦学行为长期演化测试平台与数据处理方

法；

? 服役条件下滚动轴承润滑特性的测量方法；

? 轴承滚道基体组织性能可控性轧制成形数值模拟实验和物理模拟实

验方法；

? 磨削力和磨削温度的同时在线测试方法；

? 轴承服役性能、预紧力在线测试与控制方法。

5) 课题设置

项目根据研究内容共设臵6个课题：

1. 轴承复杂界面系统相互作用的动态接触机理及轴承失效； 2. 高速重载精密轴承润滑机理及热失稳机制；

3．轴承多重润滑膜生成机理及新型轴承润滑材料设计； 4．高速重载精密轴承材料热处理工艺与组织性能调控； 5．轴承滚道基体组织与表面状态可控性制造； 6．高速重载精密轴承服役性能控制研究。

课题1、轴承复杂界面系统相互作用的动态接触机理及轴承失效 预期目标：

高速重载精密轴承复杂界面微约束空间上涉及多物理多系统相互作用等问题。本课题通过发展复杂界面系统耦合场相互作用下动态接触理论及数值模拟技术，探索高速重载精密轴承复杂界面系统的表面几何拓扑结构、润滑剂、轴承运动条件以及轴承材料的性能等因素对界面局部与整体动态接触的影响规律；研究接触区域演化，摩擦与磨损动态长期发展累加效应及其对界面耦合场动态演化的行为规律，为发展高速重载精密轴承设计、加工与应用技术提供理论基础和科学依据。面向精密滚动轴承研究领域，提出发展包括滚动体及滚道的、表面几何拓扑结构的、流体薄膜流动等的复杂界面系统多场耦合作用下动态接触理论及宏微观求解模型，以多域、多尺度方式开展对界面耦合场动态微接触问题的研究。基于动态接触理论、摩擦与磨损预测模型，研究轴承运行失效机理。

研究内容：

（1） 轴承复杂界面系统相互作用的接触理论与失效机理

轴承动态接触理论与方法的发展是高速重载精密轴承系统的一项基本研究，是认识轴承接触机理与失效机制以及其它相应摩擦学问题的基础。考虑滚动轴承界面与结构复杂性因素，特别是各种微观尺度或隐含因素的影响，传统的赫兹接触模型和有限元方法的局限性已经不能独立用于微观接触机理问题及相关摩擦学行为问题的有效预测。本项目将考虑具有球基或柱基几何滚动轴承复杂界面系统接触特点，发展能够适合高速重载精密滚动轴承研究问题要求的界面系统弹性理论、动态微接触理论以及大规模数值模拟方法。这需要发展能够使用快速模拟技术的弹性模型、接触力学模型、复杂界面的微观力学表征方法、宏微观接触力学整合模型以及相应的动态跟踪方法等。此外，设计、制造及安装中诸如关键尺寸因素也将在这个问题中得到研究。复杂界面动态接触理论与方法的发展为开展高重载精密滚动轴承失效机理认识提供科学的理论基础。

（2） 宏微观拓扑结构对摩擦学系统行为长期演化的影响规律

研究轴承滚动体与滚道界面拓扑结构对轴承系统动态微接触及润滑接触的影响规律以及进一步的摩擦与磨损预测模型；探索滚道结构、滚动体形状、回转制造精度、表面加工精度以及材料性能匹配等对多物理与多系统耦合场相互作用下摩擦学行为长期演化的影响规律，以便获得滚动体及滚道与耦合场相互适应的设计制造指导规范，包括考虑运行条件、材料及粗糙表面等因素。

（3） 混合润滑状态下微观动态接触系统动力学行为

轴承微观动态接触的系统动力学表现是认识高速精密轴承长期运行的精度保持机制或失效机理等问题的理论基础。轴承在多物理耦合场作用下微观动态接触与系统动力学相关性的研究，包括微接触区动态跟踪、滚动摩擦、滑动接触摩擦、全膜接触摩擦、混合接触摩擦、摩擦损耗精确预测、复杂微接触区域上的动态牵引滚动接触问题等模型与预测方法；进一步研究包括轴承微观形貌与滚道形式等对摩擦及损耗的影响，并通过实验验证模型的准确性。

（4） 真实工况试验与理论预测有效结合及对轴承远期性能发展的预测 高速重载精密轴承通常工作在特定的真实工况下，其性能与失效模式往往不适合通过加速实验方法进行寿命预测。通过轴承界面复杂相互作用的动态接触理论及摩擦学系统行为的研究，发展将真实工况下的轴承实验与模拟研究的有机结合模型，据此实现对真实工况下轴承远期性能发展或失效表现的有效预测。

（5） 急速启停工况轴承动态接触行为对轴承可靠性影响规律的研究 急速启停工况是指轴承在极短时间内运动状态和承受载荷发生剧烈变化的一种工况，其研究成果有着重要的应用价值。高可靠性的要求需要对其接触机理与寿命预测给出准确的理论预测与实验评估。在这一类脉冲高速精密轴承中，极速工况下百分之百可靠性的要求对轴承的设计与制造及安装提出极高的要求和技术上的挑战，需要对整个轴承界面系统对工况的适应程度和工作机理以及失效机制进行深入的认识，包括急速启停工况下的微接触区域的变化规律、混合接触、微观界面几何拓扑结构设计与制造等对轴承性能的影响。此外，急速工况的动态微接触及其对动力学系统影响的分析也包括在该研究中。

经费比例：15%

承担单位：西安交通大学、瓦房店轴承集团有限责任公司、新疆大学 课题负责人：王凤才

学术骨干：徐华、马忠超、张优云、买买提明.爱尼

课题2、高速重载精密轴承润滑机理及热失稳机制 预期目标：

针对高速重载工况下引发的轴承润滑失效和热失稳问题，建立多因素耦合的宏微观润滑接触分析模型，揭示高速、重载工况下滚动轴承的润滑成膜能力；分析润滑膜热失稳机制；建立局部微凸体上润滑膜破裂和表面温度的关系；研究轴承系统中润滑油的分布规律及对润滑性能的影响，发展真实工况条件下润滑油膜的动态测量技术，为高速重载等极端工况下轴承的稳定精密运行提供理论基础。

研究内容：

（1） 滚动轴承接触界面全尺度多因素耦合润滑接触建模

发展乏油效应和微特征间气穴效应的算法，构建综合考虑表面粗糙度效应、微特征间气穴效应、乏油效应和温度效应等多因素耦合的润滑摩擦理论模型。该模型将可以同时处理不同的润滑接触区，包括表面直接接触，将作为滚动轴承润滑与摩擦机制研究的理论基础。同时发展高效高精度的数值计算方法。 （2） 高速重载条件下滚动轴承的油膜润滑机理及界面参数影响规律研究 研究极端工况下滚动轴承摩擦副的表面形貌参数、接触体温升、接触体应力分布及变形、润滑油流变特性对成膜性能的影响规律；润滑膜的流变、时变特性与承载能力的关系；高温润滑失效机制和控制方法；为滚动轴承的接触副结构和润滑设计提供基础。

（3） 高速重载工况下滚动轴承接触界面流体润滑的热失稳机制 研究轴承在高速重载工况下温升引起的润滑膜热失稳机制。轴承在工作的动态过程中，润滑状态将随工况参数的变化而发生转变。本研究将通过实验手段和数值模拟，考察润滑膜热失稳的发生、表面膜的吸附和解附以及对摩擦系数的影响，建立微凸体上润滑膜破裂和表面温度的关系，进而确定油膜破坏的临界温度，为流体膜热失效提供判据。

（4） 轴承工作条件下润滑介质在运动界面的分布规律和成膜机理研究 探索高速条件下轴承中润滑介质在接触界面的分布规律。建立轴承固体表面润滑介质分布的测量方法，研究高速条件及轴承特有的运动学及动力学特征下润滑介质的分布,为轴承润滑理论分析中润滑介质的供给提供理论依据。应用数值分析及实验手段研究轴承中润滑油膜的建立及行为特性，重点在于极度微量供油时不均匀或不连续油膜区的建立，过渡及保持。通过该方面的研究，找到最佳供油量条件与载荷、速度及表面特征等的关系，并得到油膜形状、厚度、边界膜所占比例等与供油量之间的关系。同时研究表面所携油层厚度为微米尺度条件下的油膜厚度和形状。研究结果将纠正关于供油条件的错误理解，为更有效、更经济、更环保的润滑设计提供理论依据。

（5） 真实条件下滚动轴承润滑油膜的测量技术及相关机理研究 开发能够模拟真实工作条件下滚动轴承的润滑油膜测量系统，在轴承系统中对滚动体与滚道间的润滑过程进行直接观察与测量。通过实验测量，揭示轴承真实工作条件下的润滑状况，主要包括润滑油膜的建立及演化过程、油膜的厚度及形状特征、以及各滚动体润滑副之间的相互影响。利用开发的测量系统研究不同润滑条件下轴承的润滑特征，包括自由表面油层的分布特点，润滑区油膜的特性，为其工程设计提供基础数据。

经费比例：15%

承担单位：北京理工大学、青岛理工大学 课题负责人：王文中

学术骨干：郭峰、孔凌嘉、胡纪滨、杨沛然

课题3、轴承多重润滑膜生成机理及新型轴承润滑材料设计 预期目标：

阐明轴承复杂运动导致的多种物理化学过程对轴承润滑膜生成与失效行为影响

规律，发展轴承表面多尺度微/纳复合结构自适应固体润滑薄膜构筑的新原理和新方法，探索具有极端条件适应性和表面损伤自修复性的轴承润滑剂结构设计、制备及轴承摩擦表面远程在线结构重整、表面强化及表面微损伤自愈合的新理论与新方法，建立基于固-液耦合多重润滑的高可靠自适应润滑技术的相关理论，阐明其在极端条件下与环境相互作用规律，为高速重载精密轴承系统提供先进轴承润滑材料方面的理论与技术支持。

研究内容：

（1） 研究极端工况条件下轴承构件表面润滑膜生成与失效行为机制

以典型精密、重载或高速轴承系统的润滑材料为研究对象，根据其使役环境和特殊运行指标，在模拟服役速度、温度、压力、环境及随机突变工况下等条件下，通过摩擦学试验研究轴承表面层、润滑介质的分子结构及微纳结构对轴承摩擦界面润滑膜形成与失效行为的影响规律；研究轴承表面与润滑剂在摩擦过程中的物质交换、分子生成及微结构演化规律，在此基础上得出多因素耦合作用下轴承界面物质结构演化过程以及轴承润滑失效的材料学机制，为轴承表面的微纳米结构设计加工及润滑剂的分子设计奠定理论基础。

（2） 轴承构件表面微/纳复合结构固体润滑薄膜构筑 基于低温真空薄膜沉积技术，采用磁控溅射复合磁过滤阴极弧气相沉积复合方法，从薄膜纳米/非晶复合结构、多元/多界面材料特性协同以及表面织构化效应三方面入手，在轴承摩擦副表面发展高硬度、高韧性、超低摩擦系数、优异抗磨性能以及具有一定摩擦环境自适应、自修复和自润滑特性的多尺度织构化碳基复合薄膜体系。重点突破表层非晶/纳米晶微结构的可控制备以及表面织构多尺度构筑方法，研究相应的成分和结构与薄膜润滑性能关系的尺度效应，从理论上揭示特定环境下膜层自适应与低环境敏感性行为的形成机理，提出该类薄膜体系在高速重载下的失效机理和延寿理论。

（3） 具有极端条件适应性新型润滑介质设计制备

基于分子设计和微纳米结构设计，发展可适应极端温度、极端速度、超重载荷、恶劣环境（强腐蚀、水淋、化学介质、粉尘、深海环境、高空、空间等）的流体（润滑油）及半流体（润滑脂）轴承润滑介质，研究分子结构、微纳米结构与其滚动轴承实际工况之间的关系规律，在此基础上优化设计以突破当前常规轴承润滑剂在极端条件下使用的局限。基于润滑剂与轴承表面摩擦物理化学过程导致的物质交换及结构重塑特性，设计制备特殊结构的化合物或纳米颗粒材料导入轴承润滑体系，研究通过有益界面摩擦物理化学行为及可控摩擦表面沉积过程，实现摩擦表面结构重整、表面强化及表面微损伤自愈合的理论与方法。 （4） 固-液耦合多重润滑体系的设计及服役行为 研究具有特定微结构轴承摩擦表面的使役特性、对不同润滑剂的响应特性及功能退化机制，研究轴承表面润滑改性层对不同润滑剂的适应特性与协同作用，在此基础上研究协同利用轴承表面微结构加工、自适应固体润滑薄膜及外加润滑剂等提高轴承对多变工况环境下适应性的改善效果，在此基础上建立基于固-液复合多重润滑的高可靠自适应润滑技术的相关理论，为高速重载精密轴承系统提供先进轴承润滑材料与技术支持。

（5） 新型润滑材料与服役环境相互作用的机制的研究

研究不同润滑材料与轴承工作条件及周围环境的相关性，研究轴承摩擦副表面层对不同润滑材料的适应特性及协同作用，研究多重因素影响下滚动轴承润滑膜生成与失效机理，探索润滑材料与各种实际工况的相关规律，在此基础上建立高可靠性的相关性模型，发展多因素影响下高速精密重载滚动轴承润滑技术。

经费比例：15%

承担单位：中国科学院兰州化学物理研究所 课题负责人：胡丽天

学术骨干：王立平、孙嘉奕、冯大鹏、阎兴斌

课题4、轴承材料热处理工艺与组织性能调控 预期目标：

实现轴承材料从宏观尺度、细观尺度和微观尺度全面的组织、性能、应力场调控，使之与设计和轴承服役条件最佳配合，提高抗疲劳、耐磨、耐蚀和尺寸稳定等性能，使得兆瓦级风电轴承的使用寿命稳定在20万小时以上，达到时速350公里以上高速轴承的使用要求，满足大飞机轴承的使用要求。

研究内容：

（1） 新型热处理工艺过程中纳米尺度的组织和性能控制机理

基于固态相变理论，以典型轴承材料为研究对象，根据其使役环境和特殊运行指标的要求，对其成分和微观组织进行合理设计，以实现轴承材料微观组织与性能的最优化设计；结合新型的热处理工艺（QP,QPT），通过实验研究轴承材料中的马氏体、贝氏体和弥散碳化物的微观形态和体积分数对轴承材料强度和硬度的影响规律，研究贝氏体和残余奥氏体的微观形态和体积分数对轴承材料韧性的影响规律，在此基础上得出多相组织复合作用下轴承材料的强韧化机理，建立纳米尺度轴承钢的组织和性能控制机理；为精密、重载或高速轴承材料的设计和开发奠定理论基础。

（2） 热处理过程中温度场、组织性能场和残余应力场耦合条件下的计算机

数值模拟

轴承钢的热处理工艺过程中存在复杂的温度场和相变，材料的组织、性能和残余应力很复杂，且相互影响和关联；基于热弹性模型，采用有限元分析模拟，分别从温度场和组织场入手，研究由温度引起的初应变、相变引起的初应变和相变塑性对残余应力场的影响，研究热处理过程中三者之间的耦合机制，并建立轴承钢热处理过程中温度场、组织场和残余应力场之间的多场耦合模型；数值模拟系统研究结果为多场下热处理工艺的正确选择和调整，为进一步优化热处理工艺参数提供理论依据。

（3） 针对不同服役条件下组织和性能精准调控及其工艺原理

高速、重载、高温和精密等不同服役条件下，轴承零件所需要的性能、残余应力场及组织场是不同的，针对不同的服役条件所要求的性能及其空间分布，在纳米尺度的组织调控机理和多场耦合下计算机数值模拟研究成果的基础上，对材料的组织和残余应力场精确设计，并系统研究在纳米尺度控制材料组织和性能场的工艺原理。

（4） 不同服役条件下表面改性技术应用的基础研究

研究轴承零件的精确控制渗碳、渗氮技术；研究轴承零件在不同服役条件下激光熔覆技术的设计、开发和激光熔覆过程中裂纹形成与消除机制，进一步优化激光熔覆工艺参数；研究感应加热的热效应和温度场等随时间变化，并结合表面加热相变、冷却相变、残余应力分布、零件变形等优化感应加热表面淬火技术；，在此基础上建立上述各种改性技术与轴承材料性能之间的关系，发展能形成高断裂韧性的表面改性技术的相关基础研究。

（5） 微纳尺度的组织表征和材料可靠性研究

高速重载精密轴承系统用合金的组织调控从微米发展到纳米尺度，表征材料制备、服役和失效分析中，多种工艺和不同服役条件下的多尺度组织，分析其演变规律；评估材料可靠性，并阐明其与热处理工艺的相关性规律；建立材料可靠性与热处理工艺相关性模型。

经费比例：15%

承担单位：上海交通大学 课题负责人：金学军

学术骨干：徐祖耀、张伟民、李铸国、郭正洪

课题5、轴承滚道基体组织与表面状态可控性制造 预期目标：

阐明轴承滚道基体材料组织状态设计方法和准则；；揭示轴承滚道制造过程中材料晶粒、碳化物组织状态与金属流线的遗传、演化机理；建立滚道基体组织和表面状态的可控轧制工艺规划；探讨磨削加工中磨粒与滚道表面的微观作用机理；研究热、力、相变的耦合作用对滚道表层材料组织、金属流线和表层残余应力分布的影响规律；基于可控的冷却技术和磨削工艺参数建立滚道表层残余应力分布的可控磨削技术；揭示磨粒冲击强化机制和工艺可控机理；为高速重载精密轴承滚道控形控性制造提供理论和技术支撑。

研究内容：

（1） 轴承滚道基体材料组织状态的设计方法和准则

轴承滚道服役过程中材料组织状态损伤演化、裂纹萌生扩展、疲劳断裂机制十分复杂，轴承滚道基体材料组织状态与服役性能相互作用规律以及轴承疲劳寿命主要材料组织影响因素尚不清楚。因此，必须开展轴承滚道基体材料组织状态设计原理与方法研究。重点研究：轴承滚道基体材料组织状态分类与建模；服役条件下轴承滚道疲劳载荷谱计算、测试；疲劳载荷谱作用下轴承滚道基体材料组织状态损伤演化、裂纹萌生扩展机制；高性能轴承材料组织状态优化设计原理与方法。

（2） 轴承滚道成形过程中基体材料组织和表面状态遗传演化机理

轧制成形制造过程中轴承滚道宏观几何形态和微观组织状态同时发生变化，这种变化不仅受到毛坯初始组织状态的遗传影响，而且受到塑性变形程度、轧制成形过程条件等复杂影响。为了揭示材料组织和表面状态遗传演化机理，重点研究：轧制塑性变形热力耦合模型和数值模拟；滚道轧制过程弹性变形区、塑性变形区运动变化和应变状态分布规律；轧制过程基体组织和表面状态演化损伤与裂

纹形成分布规律、残余应力分布规律，晶粒、晶界、碳化物与流线变化与分布规律。

（3） 轴承滚道基体材料组织和表面状态可控性轧制工艺规划

轧制成形过程条件对轴承滚道基体材料组织和表面状态遗传演化方向与结果有重要影响，并直接决定了轴承的服役性能和疲劳寿命。为了实现轴承滚道基体材料组织和表面状态可控性制造，重点研究：轧制成形过程条件对滚道宏观几何精度传递和微观组织演化的影响规律；轧制成形过程参数在线测量控制方法；轴承滚道几何精度和组织性能控制成形工艺规划与优化方法。

（4） 磨削过程中磨粒与工件微观作用与可控机理研究

揭示磨粒与工件表面发生冲击、滑擦、耕犁和切削作用对磨削比能、磨削力和磨削温度场的影响机理，探讨磨削液对磨削温度变化历程的影响机制，研究磨削比能、磨削热和磨削力的可控机理。重点研究：基于磨粒的冲击、滑擦、耕犁和切削作用，建立磨削比能、磨削热和磨削力的数学模型；揭示磨削比能、磨削力和磨削弧区热量产生、传散的可控机理；建立磨削温度场和温度变化历程的可控磨削和冷却技术。

（5） 磨削过程中变质层和残余应力的形成与可控机理

研究热-力-相变耦合作用对变质层组织和和残余应力分布的影响规律，揭示基于磨削热、磨削力、相变耦合作用下的变质层与残余应力分布的可控机理。重点研究：热力耦合作用对组织转变规律的影响机理；揭示热-力-相变耦合作用对残余应力分布的影响规律；基于磨削热、磨削力、相变耦合作用下变质层与残余应力分布的可控机理。

（6） 表面强化层的形成与可控机理研究 研究磨削加工过程中磨粒的冲击作用机理，揭示轴承滚道的表层强化可控机理。重点研究：探索磨粒冲击作用对工件表面强化层形成的影响机制；建立磨粒冲击作用下表面强化层硬度和残余应力分布的数学模型；揭示轴承滚道表层强化的可控机理。

经费比例：16%

承担单位：武汉理工大学、西安交通大学、山东大学 课题负责人：华林

学术骨干：陈耀龙、兰箭、秦训鹏、张磊

课题6、高速重载精密轴承服役性能控制研究 预期目标：

本课题旨在探索滚动轴承从设计、制造到服役整个过程中其旋转精度与服役性能的形成机理，建立多场耦合下服役性能的控制模型；提出面向服役性能的滚动轴承组件精度、装配工艺等的设计理论；揭示服役工况下预紧力对服役性能的影响规律，发展服役性能的在线实时调控技术。研究为高性能轴承面向服役性能的设计提供基础理论和方法，为服役工况下滚动轴承的性能保障提供新技术。项目最后形成重载滚动轴承与高速精密轴承原型各一套。

研究内容：

（1） 复杂工况和服役状态建模

在研究高速、重载、冲击等复杂工况表达模型的基础上，研究复合约束（轴承座与轴）与多体接触条件下，考虑润滑状态、轴承组件宏微观几何参数（形状误差、微观形貌特征及误差、相互位臵偏差等）的滚动轴承服役状态的建模方法，建立滚动轴承服役状态模型。

（2） 旋转精度创成与轴承精度设计

研究滚动轴承各组件宏微观几何特征及载荷引起的变形在多结合面间的传递及累积规律，揭示轴承组件几何特征对轴承旋转精度的影响机制；研究上述因素对轴承组件间相对运动关系的影响，揭示轴承旋转精度形成机理；考虑服役工况对旋转精度的影响以及对零部件表面微观形貌的磨损特性，研究服役条件下轴承旋转精度随时间的演变规律；基于旋转精度描述模型，研究面向预定精度的轴承相关参数反演计算策略，实现轴承精度设计。

（3） 服役性能创成与智能调控基础研究

研究工作载荷对轴承组件宏微观形貌、接触润滑状态及摩擦磨损状态的影响及轴承内部热量的累积与传递规律；研究轴承零部件选择与组装的配套原理（过盈量或间隙量、公差等）、安装工艺参数（与轴或轴承套的过盈量、游隙、安装顺序等）、服役条件等与轴承服役性能的关系，揭示轴承热-力-服役性能之间的耦合及服役性能的创成机理。研究预紧力对服役性能的影响规律，建立预紧力与轴承服役性能的内在关联模型；研究轴承服役性能指标在线实时测量及预紧力实时调控技术，实现轴承服役性能的在线动态调控。

（4） 高性能滚动轴承技术原型

基于前述的对轴承接触分析、润滑失效分析、制造技术以及轴承服役性能在线测量技术的研究，建立集成上述研究成果的高速精密轴承和大型重载滚动轴承技术原型。

经费比例：24%

承担单位：西安交通大学、瓦房店轴承集团有限责任公司 课题负责人：王煜

学术骨干：洪军、朱永生、张进华、曲荣君

6) 各课题间相互关系

从国民经济可持续发展和国防军工等领域，对国家重大装备和精密装备制造业的基础配套产业的巨大需求出发，瞄准国家目标，围绕三个关键科学问题，考虑滚动轴承设计、制造、服役三个层面，设臵六个研究课题，如图8所示，目的是在重载、高速、精密轴承设计、制造的基础理论、新方法、新工艺和核心技术原型等方面取得创新成果，打破垄断，步入独立研发，实现轴承的自主设计与制造。

应用领域民用：高速铁路动力机车、高档数控机床、风力发电机、民用大飞机等大型关键装备军工：战机、航母、坦克科学问题高速重载精密轴承多界面系统动态润滑接触理论课题1：轴承复杂界面系统相互作用的动态接触机理及轴承失效高速重载精密轴承润滑机理及热课题2：失稳机制轴承多重润滑膜生成机理及新型课题3：轴承润滑材料设计轴承材料热处理工艺与组织性能课题4：调控轴承滚道基体组织与工作表面状课题5：态可控性制造高速重载精密轴承性能课题6：控制研究核心技术控形控性轧制成形技术QPT热处理新工艺表面完整性的可控磨削和强化技术极端条件自适应性轴承润滑剂的设计制备技术构件表面微纳复合结构固体润滑薄膜构筑技术基于固液气复合的高可靠自适应润滑技术服役状态的在线监测与服役性能的在线调控技术高速重载精密轴承组件的控形控性制造国家重大装备和精重密装备制造业大的基础配套产品需求复杂工况下轴承服役性能创成总体目标提高高性能轴承设计、制造与装调水平，解决重大装备对轴承需求的瓶颈滚动轴承实验技术平台 图8 课题设臵思路

课题间具体关系：课题一揭示多场耦合作用下界面动态接触行为，课题二着重解决润滑剂在运动副界面的分布以及润滑表面与润滑介质的偶合关系，课题三主要解决轴承润滑系统中的润滑材料失效和先进润滑材料的设计问题，课题一至三进行了轴承润滑接触的机理研究，为轴承设计提供了理论基础。课题四主要解决全制造过程中轴承组件基体组织和性能精准调控及其工艺设计问题，课题五则解决轴承组件控形控性轧制成形、表面完整性的可控磨削和强化等问题，通过课题四和五的研究，形成滚动轴承组件控形控性制造技术，为获得高精度、高性能和高稳定性的轴承组件提供技术支撑。课题六主要解决复杂工况下轴承服役性能的控制问题，揭示轴承服役性能的创成机理，为轴承的装调工艺设计以及服役性能在线调控提供科学依据。六个课题共同协作，围绕三个科学问题对高性能滚动轴承在设计、制造、装调及服役的全生命周期中所涉及到的关键理论与核心技术进行研究，并由此构成高性能滚动轴承的基础理论体系。

四、年度计划

年度 研究内容 预期目标 第一年度的主要工作为研究方案的制定、细化；基础理论的准备及基本模型建立：球基界面弹性基础模型的建立；实验方案试验台的（1） 理论与模型, 多界面润滑接触初步设计。主要研究内容包括： 力学模型、摩擦学模型、润滑1.1 在对基础资料调研基础上完成热分析模型、滚动轴承旋转精对技术路线和技术方案的论证。 度的描述模型以及滚道基体材料组织状态分类模型等； 1.2在高速重载精密轴承多界面系统基础润滑材料制备及性能研动态润滑接触理论方面，主要开（2） 究：发展新型复合薄膜体系微展：（a）多尺度球面弹性理论、结构的可控生长及控制工艺；模型与快速模拟方法研究；滚动揭示膜层抗磨损低摩擦的机轴承多界面统一系统的混合润滑理；制备高品质的合成基础油模型研究；轴承界面耦合场磨损和具有自修复功能的纳米润滑预测模型与数值方法。（b）热分添加剂。 析理论模型及求解方法研究；表第 面特征表征和其对润滑性能的影（3） 轴承基体材料研究：取得高性响研究;高速条件下轴承中润滑能轴承钢复相组织的获得规 介质在固体表面的分布规律研律；获得轴承钢热处理过程中究；润滑介质分布实验测量系统一 微观组织定量计算算法。 的设计。(c)具有梯度过渡、纳米多层、纳米晶/非晶复合结构的高（4） 轴承可控制造的基础理论：建 性能碳基与MoS2基固体润滑复合立轴承；初步揭示疲劳载荷谱薄膜的研制及性能并研究；耐高作用下轴承滚道基体材料组织年 低温、高氧化安定性等优异理化状态损伤破坏机制；初步阐明性能的酯类合成基础油制备与性磨粒的冲击、滑擦、耕犁和切能的关系。 削作用规律。 1.3在高速重载精密轴承组件的控形控性制造方面，重点研究：（a）（5） 形成复杂工况下轴承服役状态原型钢设计与制备；多尺度微观的建模方法；获得预紧力对服组织精细化表征方法研究及轴承役性能的影响规律。 钢热处理过程中微观组织的定量（6） 确立实验方案，设计并着手构计算研究；轴承钢热处理工艺过建必要的试验台。 程中温度-相变-应力/应变作用 机理；轴承渗碳过程碳扩散模型本年度预期发表论文25-35篇；与工艺；（b）轴承滚道基体材料申请专利软著2～4项；培养硕组织状态分类与设计方法、服役士、博士10-14名。 条件下轴承滚道疲劳载荷谱获取及其对滚道基体材料组织状态损

年度 研究内容 预期目标 伤演化、裂纹萌生扩展机制的研究；磨削加工中粒的冲击、滑擦、耕犁和切削作用规律。 1.4在复杂工况下轴承服役性能创成机理方面，重点研究：（a）轴承组件宏微观几何特征耦合方法及滚动轴承旋转精度的描述模型；(b)研究轴承内部热量的累积与传递规律以及预紧力对服役性能的影响规律； 1.5 相关试验系统的设计、开发；实验方案的制定。 第二年度重点在于对基础理论和方法的进一步实验研究，并构造完成相应的实验设备、测试方法，开展相关的实验研究。主要研究内容包括： 2.1 在润滑接触方面，发展前述理论模型；研究滚动轴承的多界面系统混合润滑问题；复杂多界面耦合场系统的瞬态薄膜润滑分析；研究轴承系统动力学问题和建模方法；润滑剂流变性质的影第 响；进行高速条件及轴承特有的 运动学及动力学特征下润滑介质的分布规律研究；在轴承摩擦副表面研制具有摩擦自适应特二 性的多元掺杂纳米复合薄膜材料;分析摩擦表面微观结构、修 复保护膜的变化规律，研究复合薄膜界面微结构和成分特征以年 及服役过程中形成的修复保护膜与其减摩润滑、耐磨性能的关系规律。 2.2在轴承材料与可控制造方面，深入研究QPT热处理复相组织的精确调控机制研究；轴承钢热处理过程中相变塑性机制与模型的研究；碳浓度分布与轴承性能关系研究及渗碳工艺精确控制原理研究；高性能轴承材料组织状态优

（1） 完成混合润滑下动态接触问题分析，揭示球基滚动轴承动态接触过程的接触区域演化规律； （2） 完成润滑介质分布实验测量系统研制，揭示轴承中润滑介质在固体表面分布规律； （3） 揭示润滑剂流变性质对润滑性能的影响； （4） 发展轴承摩擦副表面多元掺杂纳米复合固体润滑薄膜的可控制备，揭示特定环境下膜层抗磨损低摩擦的形成机理，提出该类复合薄膜体系在轴承摩擦副工况下的的失效机理和延寿理论。 （5） 建立轴承钢热处理过程中的相变塑性模型，揭示渗碳工艺及其对轴承性能影响规律 （6） 建立高性能轴承材料组织状态优化设计方法及轴承滚道轧制变形热力耦合模型和数值模拟方法；建立磨削比能、磨削热和磨削力的数学模型； （7） 揭示轴承组件几何特征对轴承旋转精度的影响机制及轴承旋转精度形成机理，找出影响旋

年度 研究内容 预期目标 转精度的最主要因素；建立轴承服役性能衰退的模型，揭示服役工况对轴承性能的影响机制；提出较完备的轴承性能监测技术与在线预紧技术。 （8） 完成项目中期检查报告。 本年度预期发表论文31-37篇；申请专利7-9项，培养硕士、博士22-25名 化设计原理与方法；轧制塑性变形热力耦合模型和数值模拟；研究磨削比能、磨削热和磨削力的数学模型； 2.3在轴承服役性能机理方面，研究滚动轴承各组件宏微观几何特征及载荷引起的变形在多结合面间的传递及累积规律及其对轴承回转精度的影响；研究服役条件下轴承旋转精度随时间的演变规律；研究轴承服役性能指标在线实时测量及预紧力实时调控技术； 2.4构建相应的试验台：高速重载轴承动态接触、摩擦学与疲劳试验台建设；轴承固体表面润滑介质分布测量与润滑油膜的测量技术的开发； 第三年度是对基础理论的深入研究、主要实验数据的处理与正确性校验、理论与实验对比工作。主要研究内容包括： 3.1 在润滑接触研究方面，(a)研究混合润滑接触状态下摩擦学表现；研究工况、装配、结构因素对动态接触问题、摩擦学行为问题的第 影响规律；研究精密滚动轴承寿命与可靠性及其动态接触机理 问题；(b)多因素耦合润滑模型构建；润滑状态转换的关键载荷、三 速度因素研究；实际供油条件下轴承中润滑油膜形成的模型建 立及数值求解；关键数据的重复性检验；(c)设计制备具有自修复年 功能的新型纳米润滑添加剂并研究其自修复机理。针对精密、重载、高速轴承开展极端条件下使用的润滑油脂的复合配方研究； 3.2 在轴承可控性制造方面，(a)高性能滚动轴承钢的实验室制备；轴承钢组织场、性能场和残余应力

（1） 建立微接触模型与方法；初步建立可靠性分析模型；获得轴承摩擦与磨损试验结果；揭示宏微观拓扑结构因素对高速精密轴承动力学表现的影响规律；揭示动态接触机理与摩擦学长期发展演化的规律。 （2） 完成多因素耦合润滑模型构建；润滑状态转换关键载荷速度确定；滚动轴承润滑温度、厚度油膜测量系统的开发；实际供油条件下轴承中润滑油膜形成的模型建立及数值求解 （3） 揭示适用于多种极端润滑条件下轴承润滑剂的复合配方规律。 （4） 建立热处理后性能场、残余应力场的特征及正确预测；揭示热处理工艺参数对微观组织、变形及残余应力影响的规律；并获得氮化+淬火复合表面改

年度 研究内容 场等多场的模拟方法、设计与调控机制研究；氮化+淬火复合表面改性新工艺研究;(b)滚道轧制过程弹性变形区、塑性变形区运动变化和应变状态分布规律；磨削温度场和温度变化历程的可控磨削和冷却技术研究； 3.3 针对轴承的性能控制与设计，研究面向预定精度的轴承相关参数反演计算策略；研究轴承热-力-服役性能的耦合关系；研究轴承装调工艺、服役条件等与轴承服役性能的影响规律。 3.4 开展轴承摩擦学、润滑、服役性能的试验，进行试验数据处理以及科学数据重复性校验工作。 预期目标 性后微观组织及其特征 （5） 揭示轴承滚道轧制过程基体材料变形分布规律及体组织和表面状态遗传演化规律；建立磨削比能、磨削力和磨削热量产生、传散控制方法；建立磨削温度场和温度变化历程的控制磨削方法； （6） 轴承反演设计方法；建立轴承热-力-服役性能的耦合模型； 本年度预期发表论文29-39篇；申请软著及专利7-9项；培养硕士、博士15-17名。 （1） 建立多尺度接触模型与方法；精密轴承摩擦学或动力学行为控制的关键尺寸规范；揭示高速轴承滚滑控制的接触机理与结构因素；揭示微幅扰动因素对精密轴承精度保持的影响规律。 （2） 建立润滑热失稳动力学模型，揭示轴承润滑油膜的建立及演化过程； （3） 提出固-液复合润滑薄膜体系的失效机理和损伤模型，揭示新型固-液协同润滑薄膜在多环境耦合下的多尺度协同润滑机理，获得适用于轴承摩擦副并具有一定环境自适应和自修复特性的长寿命、高可靠的固液协同润滑体系。 （4） 预计轴承服役条件与热处理工艺配合原理、轴承整体热处理工艺原理、轴承表面渗氮+淬火复合处理工艺原理；揭示轧制成形过程条件对滚道精度和组 第四年度是对主要基础理论研究成果的校验、对各种基本规律的总结及应用。主要研究内容包括： 4.1 在润滑接触研究方面，(a)实际轴承滚道与滚动体接触行为微接触区域变化问题的研究；极端工况与结构因素与轴承界面耦合场的接触适应性研究；高速重载第 精密轴承的功耗与温升的接触润滑机理；(b)局部油膜破裂分析；热失稳机理及模型研究；轴 承润滑油膜的建立及演化过程; 四 (c)将研制的固体润滑薄膜材料与高性能润滑油的结合，探索和揭示固-液复合润滑体系的多尺 寸协同润滑机理，建立基于固-年 液复合多重润滑的高可靠自适应润滑技术的相关理论。 4.2 轴承制备工艺方面的研究，包括(a)高性能滚动轴承钢工艺性能和服役性能研究、热处理工艺与组织控制原理、整体热处理轴承钢中微观组织与性能关系、表面改性轴承钢中渗氮层微观组织与性能关系等研究；(b)轧制过

年度 研究内容 预期目标 程基体组织和表面状态演化损织演化的影响规律；初步建立伤与裂纹形成分布规律、残余应轧制成形过程参数在线测量控力分布规律研究；轧制成形过程制方法；建立磨削温度场和温参数在线测量控制方法；磨削温度变化历程的控制磨削方法； 度场和温度变化历程的可控磨（5） 建立预紧力与轴承服役性能的削和冷却技术； 内在关联模型，实现轴承服役4.3 轴承服役性能深入研究及服役性能的在线动态调控； 性能在线调控技术进行实验研究；轴承原型的设计； （6） 完成重载及高速精密轴承原型4.4 关键数据的重复性检验； 的设计。 本年度发表论文38-44篇，申请 专利及软件注册7-9项，培养硕士或博士研究生25-31名。 建立服务于高端精密轴承技术第五年度为项目总结与验收阶（1） 段，重点是谁各种研究成果的整理、发展的数据库和提出研发设计完善。主要间就内容包括： 规范等； 5.1 在润滑接触研究方面，（a）针对高铁或轧机等高端精密轴承，研究润滑接触机理及摩擦学表现；基于课题综合理论与实验支持，进行高铁与高档数控机 床等轴承设计与台架实验；（b）滚动轴承润滑机理；滚动轴承 润滑热失稳条件；(c) 满足轴承摩擦副部件润滑要求的自适应五 润滑体系理论方法的建立；多因素耦合环境下其损伤模型和 寿命控制规律。在具有代表性的轴承摩擦副表面进行高性能年 复合固体润滑薄膜的均匀施镀、可靠粘结以及复合固体润滑体系的优化等关键技术集成，最终实现高端轴承摩擦副表面复合润滑薄膜体系的稳定化工艺规范及设计理念。 5.2 在可控性制造方面，（a）研究轴承热处理工艺宽容度及适用性；高性能滚动轴承钢梯度复

（2） 揭示滚动轴承润滑机理，建立轴承润滑设计理论；建立轴承润滑热失稳条件； （3） 建立轴承摩擦副自适应润滑体系的理论方法，发展3-4种具有超低摩擦系数和优异抗磨损性能以及具有自适应特性的轴承摩擦副表面润滑复合体系的集成化工艺，揭示新型复合润滑体系在多环境耦合下的协同润滑机理及其损伤模型和寿命控制规律。 （4） 建立不同服役条件轴承的不同表面处理技术适用准则；建立轴承滚道几何精度和组织性能控制成形工艺规划与优化方法； （5） 建立轴承滚道表层强化的数学模型及可控磨削方法 （6） 设计、生产装配并实验高速精

年度 研究内容 相组织精确调控理论；（b）轴承滚道几何精度和组织性能控制成形工艺规划与优化方法；揭示轴承滚道表层强化的可控机理； 5.3 各种理论模型的完善；高速精密与重载滚动轴承原型的制造、装配与性能测试；整理研究资料，课题验收。 5.4 课题总结与项目结题。 预期目标 密与重载滚动轴承原型各一套； （7） 完成项目验收。 本年度预期发表论文33-43篇；申请软著及专利3-5项；培养硕士、博士30-35名。 项目最后形成专著1本。

一、研究内容

本项目结合我国重大装备的需求，针对重大装备基础件滚动轴承的关键问题—轴承运动副的动态接触、摩擦与润滑、热失稳、组件的加工处理以及装配和服役过程，重点围绕高速重载精密轴承多界面系统动态润滑接触理论，高速重载精密轴承组件的控形控性制造和复杂工况下轴承服役性能创成三个关键科学问题，开展以下研究：

科学问题一： 高速重载精密轴承多界面系统动态润滑接触理论

高速重载精密轴承的滚动体、滚道、保持架、润滑介质形成多界面集成系统，表面的宏微观结构、界面的相互作用、润滑介质的分子特性等均会对轴承性能产生重大影响。工作在复杂工况下，轴承易发生多重模式的失效，而润滑接触失效是其主要原因之一。高速重载等极端的工作条件使得按常规设计和制造的轴承无法满足运行要求。

高速重载条件下，运动副表面微凸体接触及软化、滚动体与滚道表面及次表面发生的弹塑性变形及累积演化，导致运动副间隙剧烈变化、运动精度丧失及振动噪声增大等问题。发生的磨损、摩擦和高温将诱发运动界面接触区润滑膜失效破裂；高温、高应力和高剪切使得润滑剂-滚动体摩擦界面发生更为复杂的物理化学反应，滚动体材料与润滑剂分子及微结构发生不可逆变化，导致轴承润滑材料老化和界面系统失效进程加速；同时，通过可控的高应力诱发微塑性变形却可实现表面损伤修复，利用精确诱导的摩擦化学沉积反应可产生表面自修复等行为。对以上问题的研究涉及到多界面系统动态接触行为及演化规律、有效润滑油膜的建立机理及影响因素、润滑介质与摩擦表面相互作用等关键性基础问题。这些问题影响高速重载精密轴承系统的性能与服役行为，对轴承传统设计理论提出严峻的挑战。本项目将围绕高速重载精密轴承多界面系统动态润滑接触理论这一科学问题展开研究，主要内容包括：

研究内容1：轴承复杂界面系统相互作用的动态接触机理及轴承失效 高速重载精密轴承工作在多界面系统及多物理场环境中，其界面系统包括滚动体、内外滚道、保持架、润滑介质及装配组件等之间相互作用。高速重载精密轴承可靠稳定工作的本质在于界面系统在多物理场环境中能够自适应配合，维持原始设计、制造和安装等期望的性能要求。高速重载精密轴承界面系统多物理场相互耦合作用将产生特有的物理现象，需要考虑多种宏微观设计制造及安装使用因素或某些隐含因素，如微接触区域的扩展、塑性变形累积及长期演化规律等。在这样的界面系统及复杂工况下，其研究的核心问题是对复杂界面系统的接触机理认识、动力学相关及复杂性摩擦学行为的有效预测等。可以说，复杂界面系统相互作用的接触机理认识是高速重载精密轴承基础研究的核心问题，为进一步研究其他诸多相关问题提供重要的理论基础及科学根据。

高速重载精密轴承复杂界面微约束空间上涉及多物理、多系统、移动界面与多域问题的相互作用，例如弹性场、薄膜流动、热、宏微观表面几何拓扑结构特征、材料行为、润滑剂等问题。本课题通过发展复杂界面系统耦合场相互作用下

动态接触问题的先进理论、模型及数值模拟技术,探索高速重载精密轴承多场耦合相互作用下,复杂界面系统的表面几何拓扑结构、润滑剂、轴承运动条件以及轴承材料的性能等对界面局部与整体动态接触的影响规律；研究润滑、接触区域的演化、疲劳、摩擦与磨损的动态长期发展的累加效应及其对界面耦合场动态演化的行为规律，为发展高速重载精密轴承设计、加工与应用技术提供理论基础和科学依据。 重点研究:

轴承复杂界面系统相互作用下的接触理论与疲劳失效机理； 宏微观拓扑结构对其摩擦学行为长期演化影响的规律；

混合润滑状态下微观动态接触系统动力学行为及其长期运行的精度保持机

制；

轴承真实工况试验与理论预测有效结合及轴承远期性能发展的预测； 急速启停工况轴承系统动态接触行为对轴承可靠性影响规律的研究。 研究内容2：高速重载精密轴承润滑机理及热失稳机制

高速重载精密轴承服役条件多样，多数工作条件恶劣、服役期长、维修困难，要求轴承具有非常高的运行精度和寿命。摩擦副长期处于高压和高剪切状态，易造成接触区弹塑性变形、持续高温、润滑膜破裂和热失稳，最终导致界面因润滑失效而严重磨损，形成多重模式失效。轴承运动副表面润滑介质的供给和分布对润滑性能和运行精度产生重要影响。而高速重载及由此引起的系统动力学行为也将显著影响轴承运动副界面的间隙和摩擦特性。研究高速重载工况对摩擦副表面结构、润滑剂供给和分布、润滑性能演变、摩擦副损伤及润滑失效行为的影响规律是高性能轴承运动界面设计与结构优化设计的基础。本课题将研究润滑介质的精确供给和分布对润滑性能的影响规律，考察润滑膜热失稳的发生机制，在建立全尺度多因素耦合润滑接触模型的基础上研究接触区局部压力、膜厚、温度和表层应力的空间分布及时变规律，探索润滑膜局部失效与表面温度的关系，并建立接触表面－润滑剂所组成的摩擦系统由局部润滑失效发展为整体失效或转向稳定润滑的条件；同时发展真实条件下滚动轴承润滑性能参数的测量技术，对建立的理论体系进行验证，为轴承的性能评价和检测提供基础理论。 重点研究:

(1) 滚动轴承接触界面全尺度多因素耦合润滑接触建模；

(2) 高速重载条件下滚动轴承的油膜润滑机理及界面参数影响规律研究； (3) 高速重载工况下滚动轴承接触界面流体润滑的热失稳机制；

(4) 轴承工作条件下润滑介质在运动界面的分布规律和成膜机理研究； (5) 真实条件下滚动轴承润滑油膜的测量技术及相关机理研究。 研究内容3：轴承多重润滑膜生成机理及新型轴承润滑材料设计

滚动轴承的润滑主要通过使用润滑材料以恰当的方式在轴承摩擦表面构筑润滑膜来实现，润滑膜的生成与失效行为特征直接影响轴承的工作性能。高速、重载、精密轴承系统通常工作于苛刻工况（复杂多变的速度、载荷、温度谱）及恶劣环境（如强腐蚀、水淋、化学介质、粉尘、深海环境、高空、空间等）的动力及传统装臵，此时，轴承润滑膜生成及失效行为将发生重大变化，滚动面的组成及微纳米结构、润滑剂的分子及微纳米结构、润滑剂与滚动面的界面相互作用

等均会对滑膜生成及失效行为产生重大影响，并最终决定高速、重载、精密轴承系统的性能与使役行为。本课题通过对轴承润滑材料分子与微观结构及轴承复杂运动导致的多种物理化学过程对轴承润滑膜生成与失效行为影响规律的研究，发展轴承表面多尺度微/纳复合结构自适应固体润滑薄膜构筑的新原理和新方法，探索具有极端条件适应性和表面损伤自修复性的轴承润滑剂结构设计制备新理论与新方法，建立基于固-液耦合多重润滑的高可靠自适应润滑技术的相关理论，系统研究它们在极端条件下与环境相互作用规律，最终形成极端条件及多变工况中润滑材料性能优化及可靠性增长的相关理论，为高速重载精密轴承系统提供先进轴承润滑材料方面的理论与技术支持。 重点研究:

(1) 极端工况条件下多重润滑膜生成与失效机理； (2) 构件表面微纳复合结构固体润滑薄膜构筑； (3) 极端条件适应性轴承润滑介质的设计与制备； (4) 固-液多重复合润滑体系的设计及服役行为； (5) 新型润滑材料与服役环境相互作用的机制。

科学问题二：高速重载精密轴承组件的控形控性制造

高性能滚动轴承要求在高速重载条件下长期保持高精度和工作状态稳定性，这种高精度和工作状态稳定性取决于轴承组件几何精度及其稳定性和基体材料组织性能及其稳定性。所以，通过制造获得高精度、高性能和高稳定性的轴承组件，是轴承控形控性制造的目标。

轴承组件的基本制造工序有材料制备、塑性成形、热处理和磨削等，具体制造工艺流程由这些基本工序交叉复合而成，典型工艺流程为：材料制备-加热-锻造制坯-软化处理-精密轧制成形-淬火回火-磨削-研磨。轴承组件在每步工序中均受到时变的热、力或热力耦合作用，将会产生非线性的温度场、应力场和复杂的温度变化历程与应力变化历程，使得轴承组件的宏观几何形态、微观金相组织状态、金属流线走向与残余应力分布等产生显著变化，进而导致轴承的几何精度、精度稳定性和抗疲劳性能等随之发生显著改变。因而，轴承组件几何精度、基体材料组织性能及其稳定性在各工序之间发生复杂的遗传和演化作用，这种遗传演化结果与原材料组织性能、制造工艺和过程的条件等因素密切相关，并且直接决定了轴承的服役性能和使用寿命。针对轴承组件的这些复合交叉工序全过程，开展轴承组件材料成份和组织设计，揭示在热处理、轧制和磨削等各工序中轴承组件的宏观几何精度变化机制、表面物理机械性能变化规律与微观材料组织状态遗传演化机理，建立基于整个制造过程的轴承组件基体材料微观组织和表面状态控制理论和设计方法，这是高性能滚动轴承控形控性制造亟待解决的关键科学问题。本课题将围绕高速重载精密轴承控形控性制造关键科学问题展开研究，主要内容包括：

研究内容4：轴承材料热处理工艺与组织性能调控

轴承钢材料的质量和热处理很大程度上决定了基体材料组织性能及其稳定性，进而影响轴承组件的几何精度和精度稳定性。现有的各种轴承热处理研究侧

重于过共析碳化物形貌的控制、奥氏体晶粒细化等属细观尺度上的组织调控，随着主机的重型化、高速化、精密化，轴承的使用环境越来越多样化，对轴承性能的要求也越来越苛刻，轴承材料热处理工艺需要在亚微米、纳米尺度对轴承钢材料进行组织精确调控，通过控形控性制造，获得高精度、高性能和高稳定性的轴承组件。

本课题首先研究基体材料的成分调整和新型热处理工艺,从纳米尺度研究材料组织及其性能的调控机制；针对高速重载精密轴承组件在复杂苛刻服役条件下所需要的性能场、残余应力场等要求，为确保在材料制备和热处理过程中获得所要求的成分分布和组织场，必须建立热力耦合作用下的组织演变模型，对热处理过程中温度场、组织性能场和残余应力场的相互耦合进行计算机数值模拟，指导进行精准的热处理工艺控制、组织和性能预测；然后，各种苛刻服役条件对轴承组件的性能要求是不同的，在基体材料组织精确调控和多场耦合条件下组织演变模拟的基础上，本课题针对不同服役条件下轴承组件所需的组织和残余应力场进行针对性的精确调控，最大限度保证轴承组件在不同服役条件下的精度和精度稳定性；最后，结合现代材料表面改性技术和工艺控制技术的发展，在高性能轴承组件制备过程中，研究精准渗碳、渗氮和激光熔覆等技术，进一步提升高速重载精密轴承组件的性能和寿命；同时，对轴承材料纳米尺度的组织调控和性能相关性研究中，离不开全制备工艺过程、多尺度的组织表征，以及材料本身的可靠性和热处理工艺相关性的系统研究。 重点研究:

(1) 新型热处理工艺过程中纳米尺度的组织和性能控制机理；

(2) 热处理过程中温度场、组织性能场和残余应力场耦合条件下的计算机数

值模拟；

(3) 针对不同服役条件下组织和性能精准调控及其工艺原理； (4) 不同服役条件下表面改性技术应用的基础研究； (5) 微纳多尺度的组织表征和材料可靠性研究。 研究内容5：轴承滚道基体组织与表面状态可控性制造

轴承滚道是滚动轴承工作时承受负荷的工作表面，轴承滚道的加工质量直接影响轴承使用时的服役性能和工作寿命。轴承滚道的接触疲劳破坏是其主要的破坏形式，其机理是微裂纹发生和扩展的结果。导致裂纹产生的主要原因是接触表面完整性、表层材料缺陷及应力分布状态。针对轴承服役条件对轴承滚道基体组织和表面状态的要求，分析轴承滚道服役过程中材料组织状态损伤演化、裂纹萌生扩展、疲劳断裂机制，阐明轴承滚道基体材料组织和表面状态与疲劳性能间的联系，建立高速重载条件下高疲劳性能的轴承滚道材料组织状态设计方法和准则；揭示轴承套圈轧制过程中材料晶粒、碳化物组织状态与金属流线的遗传演化机理；建立滚道基体组织和表面状态的可控轧制工艺规划；深入研究磨削加工中磨粒与滚道表面的微观作用机理及磨削热、力、金属相变耦合作用；探讨热、力、相变的耦合作用对滚道表层基体组织、金属流线和残余应力分布的影响规律；利用可控的冷却技术和磨削工艺参数，实现磨削比能、磨削力、磨削温度场和温度变化历程的可控磨削加工，抑制二次淬硬层和高温回火层的产生，实现滚道表层残余应力分布的可控磨削；研究磨粒冲击强化和工艺可控机理，获得理想的磨削强化表面；建立基于整个制造过程的轴承滚道基体材料微观组织和表面状态控制理论与设计方法，为高速重载精密轴承控形控性制造技术提供基础理论支撑。

重点研究:

(1) 轴承滚道基体材料组织状态的设计方法和准则；

(2) 轴承滚道成形过程中基体材料组织和表面状态遗传演化机理； (3) 轴承滚道基体材料组织和表面状态可控性轧制工艺规划； (4) 磨削过程中磨粒与工件表面的微观作用机理；

(5) 磨削过程中变质层和残余应力的形成与可控机理； (6) 表面强化层的形成与工艺可控机理。

科学问题三：复杂工况下轴承服役性能创成

滚动轴承的服役性能是轴承内部的几何关系、运动关系在外部载荷作用下的综合体现。服役性能除了与轴承组件的宏微观动态接触和润滑行为有关，还与其装配和服役工况密切相关。旋转精度是服役性能最主要指标，由于轴承组件在尺寸、宏微观形貌及滚动体在轴承中分布的随机性特点，以及轴承内部在多体、多接触界面条件下存在的复杂摩擦与润滑行为，使得旋转精度呈现典型的“不可重复性”，其形成机理无法用传统的刚性尺寸链理论及相关的解析方法揭示。

另外，轴承服役性能与轴承工况之间存在非线性强耦合关系。在既定的装配载荷和预紧载荷作用下，工作载荷的作用使轴承的游隙、组件变形量、微观形貌发生变化。轴承游隙过大或过小，引起轴承的振动或发热，组件的变形则会导致轴承的尺寸精度下降，造成旋转精度下降，而轴承内部接触表面的微观形貌改变使得润滑膜减薄、轴承磨损和摩擦加剧，造成服役性能的退化。并且，轴承的温升与温度分布状态引起的组件热变形和摩擦加剧，进一步引起温度的升高，使得轴承的工况和服役性能之间呈现闭环正回馈效应。从而会导致轴承服役性能随工况改变而产生波动。

由于目前对轴承工况与服役性能之间的耦合机理的研究还不够深入，无法解释高速重载等极端工况下轴承的行为特征。因此在明确滚动轴承润滑接触机理与控形控性制造技术的基础上，进一步研究轴承组件宏微观几何特征、装配方式、服役工况等与轴承性能之间的非线性耦合关系，揭示服役工况下轴承旋转精度与服役性能的创成机理，对于指导高性能滚动轴承组件的精度设计、轴承装调工艺有非常重要的理论与科学意义。

研究内容6：高速重载精密轴承服役性能控制研究

在重载、高速、冲击等服役条件下，高性能轴承的宏观几何尺寸以及微观结构形貌产生非线性变形，引起内部间隙、载荷分布的变化，影响到轴承旋转精度，并由滚动体运动产生的动载荷引起接触区应力以及润滑状态变化，从而影响了轴承的摩擦、振动、运动等行为。从轴承组件制造到装配成轴承，轴承安装到工作主机，直至轴承在主机上产生复杂动力学行为这一过程是轴承服役性能逐步形成的过程。且由于轴承服役工况的复杂性和随机性，除了有精确的设计与制造保障外，还必须进行服役性能的在线调控才能满足服役性能的实际需求。通过对轴承设计、制造、服役过程的观察、实验、分析、验证，弄清所发生的力学、物理与化学行为的本质，揭示多场强作用下轴承服役性能的创成机理，是实现面向工况的轴承精度设计和服役性能的在线调控的基础。基于滚动轴承润滑接触理论的研究，结合本课题的研究成果提出高速重载滚动轴承技术原型。

重点研究:

(1) 复杂工况和服役状态的建模； (2) 轴承精度设计与旋转精度创成；

(3) 服役性能创成与智能调控基础研究； (4) 高性能滚动轴承技术原型。

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