制造业先进技术系列-全陶瓷球轴承油润滑与保持架动态特性研究

工程陶瓷材料具备很多传统金属材料所不具备的优良物理化学特性，用陶瓷材料制得的轴承具有诸多优异性能且应用前景广阔。本书是作者对多年来从事全陶瓷球轴承关键技术开发与理论分析的系统总结，希望本书能助力解决我国高性能全陶瓷球轴承战略需求的“卡脖子”问题。本书共10章。第1章为绪论，第2~6章主要讨论全陶瓷球轴承油润滑特性及其影响规律；第7~10章主要讨论低温工况下全陶瓷球轴承保持架设计制造及动态特性。本书可供从事陶瓷轴承加工，特别是全陶瓷球轴承设计制造工作的工程技术人员参考，也可作为高等院校相关专业本科生、研究生的教学参考用书。

吴玉厚，博士，教授，博导。现任发改委国家地方联合工程实验室主任，教育部国际合作联合实验室主任，教育部高等学校机械类专业教学指导委员会副主任，中国工程机械学会监事长。第一完成人获国家科技进步奖二等奖、国家技术发明奖二等奖、中国专利金奖、中国专利优秀奖、国家级教学成果奖二等奖。获国家发明专利53项，出版中、英文专著15部，发表的学术论文被SCI、EI收录327篇。国内最早研制出G3级热压氮化硅陶瓷球、P2级全陶瓷球轴承，主编、发布陶瓷轴承团体标准3项，引领了我国陶瓷轴承研究与应用领域的科技发展。

前言第1章绪论1.1陶瓷轴承的概念与优势1.2陶瓷轴承的发展历程与研究现状1.2.1陶瓷轴承的发展历程1.2.2陶瓷轴承的研究现状1.3球轴承液体润滑理论与研究现状1.3.1球轴承液体润滑理论1.3.2陶瓷球轴承润滑研究现状1.3.3金属球轴承润滑研究现状1.4保持架研究现状分析1.4.1保持架材料研究现状1.4.2保持架动态特性研究现状1.4.3保持架材料摩擦磨损研究现状第2章全陶瓷球轴承润滑建模及计算2.1概述2.2球轴承几何与力学模型的建立2.3全陶瓷球轴承弹流润滑数学模型2.3.1初始油膜厚度2.3.2润滑条件下的陶瓷滚珠作用力2.3.3润滑油膜与陶瓷界面传热方程2.3.4润滑油压力和膜厚方程2.3.5润滑油黏度/密度方程2.3.6方程的无量纲形式2.4计算区域与控制方程离散化2.4.1计算区域的确定2.4.2控制方程离散化2.5数值求解方法2.5.1非线性问题全近似格式多网格方法2.5.2多网格方法在润滑问题中的应用2.6本章小结第3章全陶瓷球轴承接触区润滑油膜分布规律3.1概述3.2全陶瓷球轴承接触区润滑油成膜区域的定义与划分3.3仿真条件与参数设定3.3.1仿真与试验用全陶瓷球轴承3.3.2润滑油属性参数3.3.3仿真边界条件3.4全陶瓷球轴承接触区润滑油膜分布规律仿真分析3.4.1滚珠表面润滑油膜厚度分布规律分析3.4.2滚珠表面润滑油膜压力分布规律分析3.4.3接触区油膜厚度与压力分布规律分析3.5试验装置与条件3.5.1试验装置简介3.5.2试验原理与方案3.6试验结果与分析3.6.1径向载荷Fr=100N润滑油膜分布规律3.6.2径向载荷Fr=500N润滑油膜分布规律3.6.3径向载荷Fr=1000N润滑油膜分布规律3.7仿真与试验结果对比分析3.7.1油膜厚度分布规律对比分析3.7.2油膜厚度数值变化规律对比分析3.8工况参数对全陶瓷球轴承油膜厚度的影响规律分析3.8.1变转速条件下润滑油膜分布规律3.8.2变载荷条件下润滑油膜分布规律3.8.3全陶瓷球轴承接触区油膜厚度分类3.9本章小结第4章弹流润滑下全陶瓷球轴承摩擦与温升特性4.1概述4.2全陶瓷球轴承油润滑摩擦生热计算模型4.2.1全陶瓷球轴承摩擦力矩与生热计算4.2.2全陶瓷球轴承的对流换热4.3基于Fluent的全陶瓷球轴承温升仿真分析4.3.1仿真模型的建立4.3.2仿真边界条件的设置4.3.3全陶瓷球轴承流场仿真结果分析4.3.4全陶瓷球轴承温度场仿真结果分析4.4油润滑全陶瓷球轴承温升试验研究4.4.1全陶瓷球轴承外圈温升试验研究4.4.2外圈温升时域变化规律研究4.4.3外圈温升仿真与试验对比分析4.5油润滑条件下全陶瓷球轴承摩擦力矩与表面形貌试验研究4.5.1工况条件对全陶瓷球轴承摩擦力矩影响规律研究4.5.2全陶瓷球轴承摩擦力矩时域变化规律研究4.5.3供油量对全陶瓷球轴承接触区表面形貌影响规律4.5.4润滑油黏度对全陶瓷球轴承接触区表面形貌影响规律4.6本章小结第5章油润滑条件下全陶瓷球轴承振动特性5.1概述5.2供油量对全陶瓷球轴承振动影响试验研究5.2.1试验平台简介5.2.2试验方案与原理5.3供油量对全陶瓷球轴承振动影响的结果与分析5.3.1供油量对全陶瓷球轴承振动速度的影响5.3.2供油量对全陶瓷球轴承峭度的影响5.3.3供油量对全陶瓷球轴承中/高频振幅的影响5.4润滑油黏度对全陶瓷球轴承振动影响试验研究5.4.1试验方案5.4.2试验原理与方法5.5润滑油黏度对全陶瓷球轴承振动影响的结果与分析5.5.1润滑油黏度对全陶瓷球轴承振动速度的影响5.5.2润滑油黏度对全陶瓷球轴承峭度的影响5.5.3润滑油黏度对全陶瓷球轴承中、高频振幅的影响5.6本章小结第6章基于振动信号的全陶瓷球轴承油润滑状态识别6.1概述6.2变分模态分解基本理论6.3仿真信号分析6.3.1间歇性模态混叠6.3.2相近性模态混叠6.4VMD重要参数的确定6.4.1分解层数的确定6.4.2惩罚因子的选取6.5VMD在全陶瓷球轴承油润滑状态识别方面的应用6.6全陶瓷球轴承油润滑识别模型的创建6.6.1数据来源6.6.2试验数据的特征提取6.6.3基于MPGA-SVM的全陶瓷球轴承润滑状态分类6.7本章小结第7章全陶瓷球轴承保持架动力学模型7.1引言7.2Hertz点接触理论7.2.1Hertz点接触问题的基本假设7.2.2点接触问题的基本方程7.3轴承组件之间的几何关系7.3.1滚道密合度7.3.2接触点的主曲率7.3.3轴承游隙与接触角7.4全陶瓷球轴承保持架动力学模型建立7.4.1轴承零件的位移-变形关系7.4.2陶瓷球与保持架的作用力分析7.4.3保持架与引导套圈的作用力分析7.4.4保持架动力学模型的建立与求解7.5本章小结第8章全陶瓷球轴承保持架动态特性仿真研究8.1引言8.2保持架稳定性判据8.3不同材料保持架动态特性分析8.3.1不同材料保持架质心运动分析8.3.2不同材料保持架受力分析8.3.3不同材料保持架振动速度分析8.4负载对全陶瓷球轴承保持架动态特性的影响8.4.1轴向载荷对保持架动态特性的影响8.4.2径向载荷对保持架动态特性的影响8.5重力场对全陶瓷球轴承保持架动态特性的影响8.5.1重力场对保持架质心轨迹的影响8.5.2重力场对保持架振动速度的影响8.6结构参数对全陶瓷球轴承保持架动态特性的影响8.6.1兜孔间隙对保持架动态特性的影响8.6.2引导间隙对保持架动态特性的影响8.7本章小结第9章全陶瓷球轴承用自润滑保持架设计与制造9.1引言9.2低温摩擦磨损试验研究9.2.1配副材料介绍9.2.2试验准备及操作9.2.3试验结果处理与分析9.3自润滑保持架加工工艺研究9.3.1端面加工9.3.2外圆无心磨削加工9.3.3内外圆粗磨加工9.3.4兜孔加工9.3.5内外圆精磨加工9.4保持架精度检测与装配9.4.1尺寸精度检测9.4.2表面质量检测9.4.3C/C保持架全陶瓷球轴承合套9.5本章小结第10章低温工况全陶瓷球轴承保持架动态特性试验研究10.1引言10.2低温轴承试验台搭建与模型验证10.2.1低温轴承试验台搭建10.2.2模型验证10.3不同材料保持架全陶瓷球轴承振动特性试验研究10.3.1轴向载荷对不同材料保持架全陶瓷球轴承振动的影响10.3.2试验温度对不同材料保持架全陶瓷球轴承振动的影响10.4低温工况全陶瓷球轴承保持架服役性能试验研究10.4.1试验方案设计10.4.2摩擦力矩变化规律10.4.3振动与温度变化规律10.4.4试验轴承检测与分析10.5本章小结参考文献