轴承、密封是装备制造业中重要的、关键的基础零部件，直接决定着重大装备和主机产品的性能、质量和可靠性。我国的装备制造业快速发展，但为重大装备配套的高端轴承、高性能密封件却大部分依赖进口，已经成为国家重大装备发展的瓶颈。例如，目前高端轴承、高性能密封件的可靠性低，难以满足为高铁、大型风力发电机、深井钻机、海上自升式平台等配套的要求。

　　本研究团队近些年来开展了高性能轴承数字化设计方法、密封及摩擦学设计、可靠性及寿命评估技术等方面的研究工作，重点聚焦油气钻采装备、风力发电等领域的轴承和密封。例如：

　　（1）油气钻井用牙轮钻头的轴承系统分为滑动轴承和滚动轴承两大类。滚动轴承系统则一般采用大圆柱滚子轴承－钢球－小径向滑动轴承三个非标轴承单元协同工作，其中大圆柱滚子轴承承担着80%左右的径向载荷，轴向载荷一般由环形止推面承担，中间的钢球主要起牙轮锁紧作用。虽然1960年便已试制成功了带有密封平衡润滑系统的滚动轴承牙轮钻头，但自1968年研制成功密封滑动轴承牙轮钻头以来，长期的地面转盘驱动钻井作业方式使得该类钻头的用量在油气钻井行业居优势地位。与标准或通用滚动轴承系统相比，油气钻井用牙轮钻头滚子轴承系统具有无内外套圈、无保持架、承载量大且有振动冲击、转速低、专用润滑脂剂量有限、密封结构外部环境磨砺性强等特点，目前国内外同类产品的工作寿命较之通用滚动轴承系统而言都非常低。

　　（2）随着单机容量的逐渐增大，包括海上风机在内的新一代风机装备对系统可靠性的要求进一步提高。受极端气候条件、复杂服役载荷及恶劣工作环境的综合作用，由轴承磨损、疲劳、断裂失效及密封问题引发故障而导致停机的时间占机组总停机时间的比例居高不下，成为影响机组可靠性的主要原因之一，也被公认为是风力发电设备国产化进程中难度最大的部分之一。风力发电机组中的轴承包括主轴轴承、偏航轴承、变桨轴承、增速箱轴承、发电机轴承等，结构形式主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。对于风电轴承等核心关键部件的研发制造技术，还尚未完全掌握，主要表现在轴承寿命及可靠性低，磨损、疲劳失效问题时有发生，无法整体满足主机配套要求。

　　1.滚动轴承接触力学建模及分析技术

　　接触力学作为固体力学的一个重要组成部分，主要研究外荷载下两个物体相互接触所产生的应力和应变，通过研究接触力学可以更好地了解物体相互作用表面间的摩擦、磨损及失效机理。围绕滚动轴承滚动体-滚道接触摩擦副的接触力学研究是研究其承载性能及疲劳寿命等的重要基础。

　　（1）本团队通过自主的研究，首先对经典的Hertz点接触问题实现了完全数值求解；将弹性点接触问题的几种经典公式求解以及数值方法求解同完全数值算法的求解过程和求解结果进行比较；并将完全数值算法应用于某滚动轴承中的全圆弧凸型滚子，分析了几何参数随载荷的变化情况。

　　（2）本团队针对大型风电变桨轴承，分析了变桨轴承承载前后结构几何关系的变化，根据弹性力学相关理论，分别建立了刚性和柔性套圈的变桨轴承载荷分布计算分析模型，通过有限元计算研究了变桨轴承的接触应力分布，并分析了接触角、沟曲率半径系数以及游隙值与最大接触应力的关系。

　　2.滚动轴承凸度设计技术

　　对于圆柱滚子轴承而言，普通的直母线滚子在受载后滚动体两端不可避免会产生边界应力集中现象，即所谓“边缘效应”，大大降低了轴承的接触疲劳寿命。为克服这种边缘效应，经过大量研究后发现，在不对轴承系统本体结构做较大变动的前提下，通过进行表面轮廓的凸度设计，即可显著改善应力分布。本研究团队首次在国内开展非标轴承滚子凸度设计研究：

　　（1）本团队对滚子轴承全圆弧凸型、椭圆全凸型、修正Lundberg理论对数凸型、Lundberg理论对数凸型进行了应力理论分析和比较，结果表明，全圆弧凸型与椭圆全凸型在修形量较小时，端部均有明显应力集中，特别是椭圆全凸型更为显著，当修形量较大时，可消除边缘效应，但滚子中部应力值增大，且应力分布极不均匀；Lundberg理论对数凸型及修正凸型可获得沿轴向均匀的应力分布，对于修正对数凸型，随着修正系数的增大，端部的等效应力明显下降；两者的主要不足是高加工精度和高成本，限制了其应用和推广。

　　（2）本团队提出了针对Lundberg对数凸型的多圆弧变曲率凸型设计和模拟替代技术，进行了理论分析。结果表明，利用较少的变曲率圆弧组合(N<=10)即可达到非常接近lundberg对数凸型的效果，克服了边界应力集中效应；考虑加工工艺性，采用上述变曲率圆弧近似模拟特殊对数曲线后，仅仅使用nc磨床通过磨削加工即可完成凸度滚子的加工，为解决对数凸型滚子难以精密加工的问题提供了一条可行的技术路线。<>

　　由于多圆弧变曲率模拟分析方法具有一定通用性，也可适用于圆锥滚子，以及同时针对滚子、内外套圈滚道的凸度设计，具有较高的应用价值。

　　3.空心圆柱滚子轴承设计技术

　　相比实心圆柱滚子轴承而言，空心圆柱滚子轴承的滚子为空心，这样不仅可以降低轴承的整体重量，而且能够更好地适应振动冲击性载荷，便于温度的发散，具有高的回转精度、高刚度以及高极限转速等特点。本团队针对空心圆柱滚子轴承，进行了接触应力及空心度相关研究。

　　（1）形成了较系统的滚动轴承空心度设计原理及力学性能分析方法，建立了测试平台。研究发现，空心度对等效应力及接触应力的影响规律不同，合理的空心度能够减小接触应力的边缘效应，但等效应力滚子两端的边界应力集中始终存在。

　　（2）在相同的空心度下，圆柱滚子轴承的等效应力和接触应力随载荷的变化规律不同。在轻载作用时等效应力随载荷变化较小，接触应力随载荷变化比较明显。

　　（3）载荷不同时，最佳空心度的理论值不同，应针对不同载荷工况，综合考虑等效应力、接触应力，并满足滚子的刚度要求，将空心度限定在一定范围内进行空心度的优化设计。

　　4.滚动轴承润滑及密封技术

　　（1）基于等温、稳态、不考虑粗糙度等假设条件，本团队以最大载荷滚子与轴颈的接触情况为研究对象，对牙轮钻头实心圆柱滚子的无限长线接触弹流润滑状况进行了研究，分析了对不同空心度下空心圆柱滚子的弹流润滑状况。

　　（2）本团队在国内率先开展了牙轮钻头单金属浮动密封技术的理论和实验研究，以满足牙轮钻头轴承润滑密封系统向高速化发展的要求。

　　（3）流体动压径向密封技术

　　流体动压柔性径向密封基本原理是：利用流体动压效应，在动密封面之间形成一层能避免相对运动表面直接接触的动压油膜。由于密封圈在油膜上运行，从而大大降低了磨损和摩擦热。从理论上讲，动密封面间相对运动速度越高，形成的动压油膜越厚，这种结构对高转速的适应性较好。本团队首次在国内系统开展了柔性径向流体动压密封圈的理论和实验研究，提出并完善了设计制造方法，可将其应用用于牙轮钻头轴承系统、旋转防喷器轴承系统等工况场合。

　　5.科研立项及工程应用

项目名称 时间 项目类型
流体动压柔性径向旋转密封的研究 2002年4月 ～ 2004年4月 北京市教委科技发展计划项目(项目编号：2002KJ065)
牙轮钻头高转速滚动轴承设计方法的研究 2002年3月 ～ 2003年8月 江汉石油钻头股份有限公司项目(项目编号：H02-02)
电动潜油螺杆泵齿轮减速装置的研制开发 2003年5月 ～ 2005年5月 国家外国专家局引进国外技术、管理人才项目(项目编号：DW036001019)
井下电潜双螺杆泵采油系统的设计技术研究 2004年1月 ～ 2005年8月 北京市组织部优秀人才培养专项经费资助项目(项目编号：Z03-19)
水下钢结构修复用摩擦叠焊的连接机理和特性研究 2007年1月 ～ 2009年12月 国家自然科学基金面上项目(项目编号：50675022)
高速牙轮钻头单金属浮动密封机理与滚子轴承延寿研究 2009年1月 ～ 2011年12月 国家自然科学基金面上项目(项目编号：50874018)
国内外采油装备调研 2011年11月 ～ 2013年5月 中国石油大学(华东)技术服务委托项目

我们发表的文章及申请的专利
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拓展阅读的国内外相关文献及专利
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