973项目申报书——2011CB706600-G高性能滚动轴承基础研究

项目名称：高性能滚动轴承基础研究首席科学家：王煜西安交通大学起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：教育部

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。

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

科学问题研究内容设计

制造服役试验验证三个层面

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