这是一本关于新型轴承转速传递特性与优化设计的学术专著。全书共分为7章，第1章介绍了本书的目的和意义;第2章建立了双级串联轴承拟静力学的双层求解算法模型;第3章提出了基于仿生的轴承滚动体结构;第4章开展了双级串联轴承的弹流润滑研究;第5章建立了双级串联轴承的转速传递模型，将传递的机理实现多因素可视化;第6章搭建了双级串联轴承转速传递特性测试试验台，对建立的转速传递模型进行了试验验证:第7章开展了双级串联轴承优化设计研究，为双级串联轴承结构优化提供理论依据 本书可以供从事滚动轴承、旋转机械、航空航天传动等研究领域的专业技术人员阅读，也可以作为普通高等院校机械类专业教师、研究生与高年级本科生的参考用书。

前 言 轴承被称为 旋转机械的心脏，其发展代表或制约着一个国家机械工业和相关产业的发展水平，在国民经济发展和国防建设中起着重要的作用。现代航空业正向着高可靠性、大推重比、高速等方向发展，随着对航空发动机性能需求的不断提高，对转子的高速性要求也不断增加。轴承作为某核心机的关键零部件，轴承的高速运转是整个设备高速性运转的前提，其高速性能决定了整机的高速性能。双级串联轴承作为新兴发展的轴承，其相比传统单级轴承有很多优点，较为突出的是，该类型轴承能有效地提高轴承的极限转速。据相关报道，国外已将双级串联轴承应用于航空航天领域，但鲜有公开的数据披露。目前国内外对于双级串联轴承的研究相对较少，亟待开展转速传递特性方面的研究，转速传递特性的研究是高速性设计及应用于航空航天场合的基础，因此对双级串联轴承转速传递特性的研究对提高双级串联轴承的高速性能及对整机极限转速的探究有着重要的意义。 本书以双级串联轴承为研究对象，将双级串联轴承的力学特性、弹流润滑及广义四端参数三个理论相结合，形成一条从力学特性、润滑特性再到传递特性分析的双级串联轴承转速传递理论计算路线。与现有理论不同的是，本书提出的理论计算路线将转速传递特性进行多因素考虑，将传递的机理可视化，改善了只考虑单一因素的研究现状，分析了不同结构参数、工况参数和润滑参数对传递特性的影响规律，为双级串联轴承转速传递性能的分析计算提供一条新思路，为探究双级串联轴承的高速性能和结构参数设计提供理论依据。 本书将提出一种双级串联轴承转速传递的新方法，在实际工程应用中可为双级串联轴承的高速性设计提供理论依据，同时，本书包含双级串联轴承轻量化研究，对为轻质化要求的航空航天需求场合提供理论依据，具有重要的理论意义与实际工程应用价值。 本书第 1 章、第 2 章、第 3 章由胡晶撰写；第 4 章、第 5 章由张邦成撰写；第 6 章和第 7 章由张心明撰写，全书由胡晶统稿。 本书相关内容得到了吉林省科技厅自然科学基金（20240101103JC）的资助。在本书的撰写工程中，引用了国内外很多学者的研究成果，作者对这些学者表示感谢！ 本书是作者多年以来在轴承相关研究中的工作总结，而对于新型轴承的探究中，在理论上的突破仍需要一个漫长的过程。为此，作者希望将本书献给关注和致力于新型轴承探究的学者们。由于作者水平有限，书中难免有疏漏，敬请广大读者批评指正。 作者 2025 年 1 月

目 录

第 1 章 绪论

1.1 本书的目的和意义

1.2 本书的主要内容及框架结构

第 2 章 双级串联轴承力学特性研究

2.1 引言

2.2 双级串联轴承力学分析模型的建立

2.2.1 双级串联轴承结构

2.2.2 双级串联轴承中圈转速

2.2.3 双级串联轴承几何关系

2.2.4 双级串联轴承运动关系

2.3 有限初值寻优方法研究

2.3.1 算法的选择

2.3.2 双层求解算法模型的建立

2.3.3 双层求解算法模型的数值分析与计算

2.4 有限初值寻优方法验证及结果分析

2.4.1 轴承型号的选择

2.4.2 单级球轴承算例验证及结果分析

2.4.3 双级串联轴承算例验证及结果分析

2.5 考虑离心膨胀效应的拟静力学修正模型

2.5.1 离心膨胀的分析

2.5.2 与不考虑离心膨胀的对比分析

2.6 双级串联轴承力学特性结果分析

2.6.1 转速与接触刚度关系分析

2.6.2 外载荷与接触刚度关系分析

2.6.3 滚动体材料与接触刚度关系分析

2.6.4 沟曲率半径与接触刚度关系分析

2.6.5 初始接触角与接触刚度关系分析

2.6.6 滚动体数量与接触刚度关系分析

2.6.7 滚动体直径与接触刚度关系分析

2.7 本章小结

第 3 章 轴承滚动体结构设计研究

3.1 引言

3.2 仿生结构设计原形

3.3 仿生结构设计及模拟参数计算

3.3.1 结构设计

3.3.2 模拟参数计算

3.4 仿生结构数值模拟结果对比分析

3.4.1 最大主应力分析

3.4.2 刚度分析

3.4.3 陀螺力矩分析

3.4.4 高速下的滑移分析

3.5 层次分析方法评价

3.6 本章小结

第 4 章 双级串联轴承弹流润滑特性研究

4.1 引言

4.2 考虑热效应的弹流润滑分析

4.2.1 热弹流润滑基本方程

4.2.2 热弹流基本方程的无量纲化

4.2.3 热弹流润滑的数值计算

4.2.4 弹流润滑算例验证

4.3 考虑表面粗糙度的弹流润滑分析

4.3.1 高斯表面粗糙度模拟

4.3.2 非高斯表面粗糙度模拟

4.3.3 考虑表面粗糙度对弹流润滑的影响

4.4 考虑离心膨胀效应对双级串联轴承油膜刚度和阻尼的影响

4.4.1 不考虑离心膨胀的双级串联轴承

一、二级轴承接触载荷分析

4.4.2 不考虑离心膨胀的双级串联轴承

一、二级轴承接触应力分析

4.4.3 双级串联轴承一、二级轴承卷吸速度分析

4.4.4 考虑离心膨胀后双级串联轴承一级轴承内圈接触载荷对比

4.4.5 考虑离心膨胀后双级串联轴承二级轴承内圈接触载荷对比

4.4.6 考虑离心膨胀后双级串联轴承内圈接触油膜刚度对比

4.4.7 考虑离心膨胀后双级串联轴承内圈接触的油膜阻尼对比

4.5 基于 BP-AdaBoost 算法的油膜刚度预测

4.5.1 BP-AdaBoost 算法

4.5.2 油膜刚度计算样本及油膜刚度预测结果分析

4.5.3 BP-AdaBoost 算法与 BPNN 算法、线性回归的比较

4.6 双级串联轴承弹流润滑结果分析

4.6.1 转速与油膜刚度和阻尼的关系

4.6.2 外载荷与油膜刚度和阻尼的关系

4.6.3 滚动体材料与油膜刚度和阻尼的关系

4.6.4 沟曲率半径与油膜刚度和阻尼的关系

4.6.5 初始接触角与油膜刚度和阻尼的关系

4.6.6 滚动体的数量与油膜刚度和阻尼的关系

4.6.7 滚动体的直径与油膜刚度和阻尼的关系

4.6.8 润滑油的黏度与油膜刚度和阻尼的关系

4.7 本章小结

第 5 章 双级串联轴承转速传递模型及传递特性研究

5.1 引言

5.2 双级串联轴承传递机理分析

5.3 双级串联轴承转速传递模型的建立

5.4 双级串联轴承传递特性分析方法

5.4.1 四端参数法

5.4.2 广义四端参数法

5.5 双级串联轴承转接环刚度和阻尼的测量与计算

5.6 双级串联轴承转速传递模型的数值计算

5.7 双级串联轴承转速传递模型的验证及传递特性研究

5.7.1 工况参数对转速传递特性影响分析

5.7.2 结构参数对转速传递特性影响分析

5.7.3 润滑参数对转速传递特性影响分析

5.8 本章小结

第 6 章 双级串联轴承转速传递特性试验研究

6.1 引言

6.2 双级串联轴承测试试验系统设计及搭建

6.2.1 试验系统总体结构设计

6.2.2 试验系统的精度调试与装配

6.2.3 试验轴承的选取

6.3 主轴的模态分析

6.4 试验及结果分析

6.4.1 工况参数对转速传递影响试验及结果分析

6.4.2 结构参数对转速传递影响试验及结果分析

6.4.3 润滑参数对转速传递影响试验及结果分析

6.5 本章小结

第 7 章 双级串联轴承优化设计研究

7.1 双级串联轴承静力学分析

7.1.1 Hertz 接触理论的计算

7.1.2 单元模型接触有限元分析

7.1.3 双级串联轴承接触有限元分析

7.2 双级串联轴承热分析

7.2.1 双级串联轴承摩擦生热分析

7.2.2 轴承生热量计算

7.2.3 轴承对流传热计算

7.2.4 双级串联轴承稳态热分析

7.3 双级串联轴承结构优化

7.3.1 双级串联轴承优化方案设计

7.3.2 响应面法多目标优化

7.4 双级串联轴承试验研究

7.4.1 试验装置

7.4.2 试验内容

7.5 本章小结

参考文献