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1、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，
2、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l 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；l 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；l 揭示轴承多重
3、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；l 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；l 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；l 揭示复杂工况下滚动轴承服役性能创成机理。（2）技术层面l 轴承界面系统复杂性摩擦学行为大规模数值模拟技术；l 新型润滑剂制备技术，提供23种新型高性能滚动轴承润滑材料；l 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；l 轴承摩擦
4、界面多重润滑膜构建技术；l 服役状态的在线监测与服役性能的在线调控技术；l 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；l 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
5、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
6、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
7、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。
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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、位置偏差等)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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
26、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
27、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
28、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
29、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
30、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
31、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
32、，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Icomat05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
33、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
34、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“500数控轧环机”等一系列科研
35、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、CRM2
36、20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
37、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
38、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
39、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
40、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RD 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
41、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
42、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
43、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： n 提出高性能轴承多界面系统动态润滑接触理论；n 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；n 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；n 提出轴承组件制造过程中组织状态遗传演化理论；n 揭示滚动轴承服役性能创成机理。（2）技术层面n 轴承界面系统复杂性摩擦学行为大规模数值模拟技术；n 轴承组件控形控性制造技术：热处理、表面改性、
44、轧制、磨削工艺参数的精确控制；n 滚动轴承服役性能在线调控技术。（3）实验方法层面n 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；n 服役条件下滚动轴承润滑特性的测量方法；n 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；n 磨削力和磨削温度的同时在线测试方法；n 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置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
45、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
46、、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
47、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
48、、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
