轴承缺油细细品：为什么有的电机轴承总出现缺油问题？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

细细品：为什么有的电机轴承总出现缺油问题？

润滑是电机轴承正常运行的必要条件，滚动轴承以脂润滑，也是在电机产品中应用最为广泛的轴承。滚动轴承又以开启式和密封轴承进行分类，密封轴承在出厂时已加注好润滑脂，电机装配时不需要再加注，按照电机或轴承的使用寿命进行更换轴承的维护即可；而对于大多数的电机，均采用开启式轴承，即由电机生产者按照不同的使用工况填充适宜的润滑脂。

在电机的实际运行过程发现，有的电机在刚起动时轴承运行平稳，而运行一段时间后，出现明显的因润滑不良发出的轴承杂音，该问题在电机的试验阶段，以及电机的运行阶段都不时会出现。

导致电机轴承润滑不良的根本原因是原有的润滑脂，被甩出后无法再形成循环，要解决该问题，就必须从电机轴承系统的设计入手，通过必要的物理空间约束，将润滑脂的活动范围变小，迫使被甩出的润滑脂再进入轴承内腔。

通过不同电机厂家的电机轴承结构对比分析可以发现，有的电机厂家通过轴承盖的空腔尺寸大小，改善轴承的润滑系统，有的电机厂家则通过增加轴承甩油盘的思路，约束润滑脂的流动空间。

除轴承轴承系统润滑空间的约束和限定外，轴承与轴承位、轴承与轴承室的配合关系非常关键，以预防由于配合不当导致轴承发热后润滑脂降解失效；也应通过电机转子的轴向位置控制，即我们所说的轴向窜动控制，减少由此所导致的润滑脂被迫甩出轴内腔问题。

而对于电机运行环境比较特殊的情况，如高温运行环境和低温运行环境，应选择适宜的润滑脂，保证电机轴承系统的润滑条件符合要求。

以上非官方发布内容，仅代表个人观点。

滚动轴承润滑研究中的几个问题

摘要 滚动轴承是高端装备中不可缺少的重要部件，轴承润滑问题的研究为滚动轴承设计、润滑剂选择、轴承可靠服役等提供理论基础。针对滚动轴承润滑相关的几个科学问题，重点概括了滚动轴承润滑数值计算方法及应用，总结了润滑油膜厚度和轴承内部润滑介质流动分布可视化测量技术，阐述了与润滑脂组分相关的机械剪切与温度等参数对润滑特性的影响机制，介绍了滚动轴承固体润滑机制，并从工程设计角度分析了轴承的润滑设计。基于当前研究现状，认为轴承润滑研究应重点面向真实条件下轴承润滑理论计算、与应用工况匹配的先进润滑材料的开发以及轴承润滑评测方法研发3个方面进行发展。

关键词 滚动轴承；润滑；弹性流体动力润滑；可视化；润滑脂；固体润滑

滚动轴承是机械装备中的精密部件，对轴类等旋转部件起着支承、定位、承载、减摩的作用。在欧洲文艺复兴时期，人们开始尝试设计制造滚动轴承并应用于车轴和水车等机械器具。19世纪末期和20世纪上半叶，铁路机车车轴、主轴箱、碾磨机、发动机等装备的发展进一步推动了滚动轴承在设计、制造及力学分析方面的进步［1-3］。在现代工业中，滚动轴承已经成为现代机械不可或缺的重要部件，在汽车、机床、航空航天等领域发挥着至关重要的作用。随着科技发展和机械装备的不断进步，对滚动轴承精度、性能和寿命方面的要求越来越高。随着应用环境的不断变化，设备对滚动轴承的性能要求也在不断提高，如抗电蚀、低摩擦、低高温极端环境下的可靠运行，超高速加工中的高dmn值（3×106 ~ 4×106 mm · r/min）轴承以及轴承智能化等。轴承行业针对滚动轴承套圈、保持架、钢球等基本零件已经进行了广泛的研究，涵盖了从基础理论到应用实践的各个方面。基础理论研究方面，包含滚动轴承的几何学、运动学、刚度与阻尼、动力学特性等，为滚动体与滚道密合度、保持架兜孔尺寸等轴承结构的设计提供了理论依据。滚动轴承的性能与材料密切相关，研究人员在套圈热处理、新型保持架材料、陶瓷轴承材料、轴承用钢等方面持续研究以提高轴承的各项性能。在制造工艺方面，滚道的磨削和超精研积累了大量的数据和经验，不断提高轴承的精度和可靠性。另外，开发了各类专用测量及试验装置，对滚动轴承的尺寸、游隙、密封性、可靠性等进行研究。

滚动轴承在运行过程中，滚动体、保持架和套圈之间存在相对运动，重载、高速和打滑的工况会导致严重的摩擦磨损。因此，人们越来越认识到润滑剂在滚动轴承中的重要作用。尽管润滑剂并非滚动轴承的物理组成部分，但鉴于其在轴承运行中的关键性角色，已被认为是滚动轴承除内圈、外圈、滚动体和保持架之外的第5个零件。因此，本文将围绕轴承润滑研究，对油膜润滑的数值模拟、润滑油膜光学测量、润滑脂、固体润滑及润滑设计等几个方面进行阐述。

1滚动轴承油膜润滑的数值模拟

弹性流体动力润滑（Elasto-Hydrodynamic Lubrication，EHL）简称弹流润滑，是广泛存在于滚动轴承、齿轮等零部件中的润滑形式，接触区压力高达吉帕（109 Pa）量级，油膜厚度一般在微米与亚微米量级［4］。弹流润滑油膜的形成是流体动压效应、润滑油黏压效应以及固体表面弹性变形的协同作用。

弹流润滑问题的基本方程包括雷诺方程、膜厚方程、黏度-压力-温度方程、密度-压力-温度方程、润滑剂流变方程、载荷方程、能量方程等。弹流润滑的油膜和压力的基本特征如图1所示，中心接触区为平行油膜，出口处存在油膜的颈缩；大部分接触区域的压力分布类似于赫兹压力，在出口处有局部第二油膜压力峰值。

图1 弹流润滑的典型压力与油膜厚度形状Fig.1 Typical pressure and oil film thickness shape for elastohydrodynamic lubrication

实际应用中，弹流润滑的性质对于提高机械效率、减少能耗、延长部件使用寿命具有显著影响，是现代工业设计不可或缺的部分。通过优化弹流润滑，可以确保机械传动系统在高负载和高速工况下的可靠、高效运行。

1.1 弹性流体动压润滑的数值计算方法

数值计算是研究弹流润滑的基本方法之一。由于弹流润滑油膜建立过程中的润滑油黏度随油膜压力的巨大变化（通常遵循指数率）、膜厚方程中的弹性变形项等，使得雷诺方程呈现很强的非线性，导致压力和膜厚的数值求解变得相当复杂和具有挑战性。自20世纪40年代起，研究者们开发了一系列用于处理雷诺方程非线性问题的弹流润滑数值计算方法。

1.1.1 逆解法

Dowson 和 Higginson于1959年提出的逆解法首次数值求解了弹流润滑问题［5］。在该方法中，给定初始压力，分别使用雷诺方程和具有弹性变形的膜厚方程计算膜厚，连续进行压力调整直到达到收敛条件。逆解法在较为宽泛的条件下获得了数值解，首次揭示了经典弹流润滑的特征（图1）。此外，根据数值结果，回归了最小油膜厚度的经验公式，表明速度和材料参数对油膜厚度有显著的影响。逆解法对于重载下的弹流润滑有效，但其应用存在局限性。例如，压力修改通常通过手动完成，对经验的依赖性很大。因此，逆解法很难用于时变弹流润滑或微观弹流润滑。

1.1.2 直接迭代法

直接迭代法相对直接、简单，其以初始压力为基础，通过通用迭代方案（例如高斯-赛德尔法）求解雷诺方程以获得新的压力，该压力持续进行更新直到最终获得收敛解。Hamrock和Dowson使用直接迭代方法对点接触的弹流润滑问题进行了更深入的研究，首次在理论上证明了早期通过光学干涉测量揭示的点接触弹流润滑的马蹄形油膜形状。同时拟合出广泛应用于滚动轴承油膜厚度预测的Hamrock-Dowson弹流油膜厚度公式，即最小油膜厚度为［6］

，

式中：Rx为卷吸方向综合曲率半径；U为速度参数；G为材料参数；W为载荷参数；k为接触区椭圆比；ue为卷吸速度；

为环境黏度；

为综合弹性模量；w为载荷。

1.1.3 牛顿-拉弗森方法

牛顿-拉弗森（Newton-Raphson）法针对重载弹流润滑的数值计算问题提出。Okamura于1982年首先用其进行了线接触弹流润滑问题的求解。后来，Houpert和Hamrock［7］对这种方法进行了改进，得到了最大赫兹压力高达4.8 GPa的线接触问题的解。然而，由于弹性变形而产生的完整雅可比矩阵使得该方法难以解决点接触问题。该方法的另一个缺陷是初始压力必须分配在最终解附近。

1.1.4 多重网格方法

在20世纪90年代前，通过上述数值方法能够解决基本弹流润滑问题的数值求解。然而，对于更复杂的问题，例如微观弹流润滑和时变弹流润滑，上述方法仍存在弹性变形计算速度慢、计算复杂度高、求解收敛速度慢或不收敛等问题。20世纪90年代初，Lubrecht 等引入了多重网格方法（Multigrid Method，MG）求解数值弹流润滑，显示了高收敛性，特别是对于重载问题特别有效（ ~ 9.2 GPa）。稍后，Brandt和Lubrecht开发了一种用于快速计算弹性变形的多级多重积分（Multi-Level Multi-Integration， MLMI）数值方案［8］。Venner结合MG和MLMI精心设计了一种高效的线接触和点接触弹流润滑的全多重网格方案。许多学者对此方法进行了研究，如文献［9-10］通过对多重网格方法的发展，实现了更高的效率，并可求解一些苛刻条件下的弹流润滑问题［11］。多重网格方法为苛刻工况下的弹流润滑快速求解及更高级的分析奠定了基础。

1.1.5 计算软件工具

弹流润滑计算十分复杂，前述的数值计算都需要研究人员自己编写程序。近年来，商业有限元分析和计算流体动力学取得了重大进展，摩擦学研究人员开始探索在弹流润滑研究中使用商业软件。如文献［12］将其内部开发的雷诺方程求解器与ABAQUS一起使用，模拟强耦合流固相互作用下的弹流润滑问题；文献［13］将开源的OpenFOAM用于弹流润滑问题的计算；文献［14］使用COMSOL和MATHLAB求解弹流润滑问题；文献［15］证明商业CFD软件（CFX 4.3）可以用于求解高负载下的线接触EHL。

以上工作证明借助现有的商业软件可以求解弹流润滑问题，但在计算效率以及应对复杂工况方面还有待检验。

1.2 考虑热效应/非牛顿效应的弹性流体动压润滑

最初的弹流润滑数值分析针对等温纯滚动牛顿流体弹流润滑进行。随着弹流润滑理论的发展，逐步引入了各种影响因素。如考虑温度的热弹流润滑理论，主要研究高速、重载工况下热效应诱发的膜厚和摩擦力的变化；文献［16］首次提出了点接触热弹流润滑的完全数值解，得到了油膜厚度、压力和温度分布。后续众多学者以热弹流为研究对象开展了大量工作，揭示出热效应对弹流润滑特性的影响［17-21］。文献［22-24］提出了高效温度场求解算法，证实了黏度楔效应的存在。目前，关于热弹流润滑的计算已趋于成熟，可以在高速轴承等部件的设计和优化中提供重要指导。

关于弹流润滑模型研究的另一个重点是非牛顿弹流润滑理论。众所周知，润滑剂在剪切条件下通常呈非牛顿流体特性，如表观黏度随油膜剪切率增大而降低的剪切稀化现象。这类润滑状态广泛存在于高负载和高滑动速度环境下的机械部件中，传统的牛顿流体假设无法准确预测这些条件下的润滑油行为。在当前的工业应用和摩擦学研究中，对非牛顿弹流润滑的理解变得越来越重要。非牛顿弹流润滑数值分析的关键在于润滑剂本构方程与雷诺方程的耦合以及膜厚方向剪应力的计算，计算结果反映了不同流变模型对油膜厚度、摩擦力等参数的影响［25-28］。

考虑热效应和非牛顿效应的弹流润滑的数值研究通过对热/剪切稀化、摩擦特性和牵引力的深入分析，能够更好地预测和控制润滑系统在高压缩、高剪切环境下的表现，设计出更高效、可持续的润滑解决方案。

1.3 混合弹性流体动压润滑

在实际工程中，2个摩擦表面很难被弹流润滑油膜全部分隔，作用于接触表面的载荷由油膜压力和固体粗糙峰的接触共同承担，此状态下的润滑称为混合弹流润滑（Mixed-Elastohydro-Dynamic Lubrication， Mixed-EHL）。混合弹流润滑是一种高度复杂的润滑状态，既包含固体弹性接触，又涉及局部弹流润滑，存在于很多机械设备的运行中。混合弹流润滑常用模型之一是平均流量模型（Average Flow Model），由Patir和Cheng提出并经多个学者发展［29-33］，该模型基于统计学方法，通过定义描述名义膜厚与粗糙度系数（即流量因子）并将其耦合到雷诺方程中，从而简化了雷诺方程的计算，被广泛应用于混合润滑研究中以更好地理解和描述润滑过程中的流体动力学行为。描述混合弹流润滑的另一个重要模型是确定性模型（Deterministic Model），其以Hu-Zhu模型［34］为代表，将粗糙峰接触问题和流体动压问题使用统一模型求解，可以处理由全膜弹流润滑到边界润滑的各类问题［35-36］，在Hu-Zhu模型的基础上还发展了弹/塑性流体动压润滑及润滑磨损的计算模型［37］。混合弹流润滑的研究促进了工业界对机械润滑的理解，同时推动了润滑技术的创新应用。

1.4 滚动轴承弹性流体动压润滑的数值模拟

弹性流体动压润滑数值计算方法的发展为滚动轴承润滑研究及动力学分析奠定了基础。滚动轴承动力学分析中的弹流润滑计算是一个复杂且精细的过程，需要对轴承的结构、工作原理和润滑机理有深入了解。高速运转滚动轴承内部的动力学行为非常复杂，如改变滚动体运动状态的离心力、陀螺力矩，保持架的变形与失稳等。在滚动轴承润滑分析中，通过动力学分析获得滚动体、滚道的动力学和运动学数据，为弹流润滑计算提供尽可能准确的边界条件和初始条件。另一方面，在轴承的动力学分析中，考虑滚动体的运动以及接触力的变化，并将这些动态因素与弹性流体动压润滑模型耦合形成一个完整的分析体系。自20世纪60年代起，研究人员在此领域的工作从未停止［38-40］，使轴承的多体力学分析经历了拟静力学、拟动力学和动力学阶段。一些轴承企业也开发了滚动轴承动力学分析软件，如斯凯孚公司的BEAST，舍弗勒公司的Caba3D。早期的工作并未在分析中使用完全弹流数值解，如压力采用赫兹接触解，膜厚采用经验公式计算［41］。随着弹流润滑理论和计算技术的进步以及计算机硬件的发展，研究人员不断改进和发展轴承动力学分析和弹流润滑理论，逐渐引入完全弹流数值解。基于拟动力学分析，文献［42-43］将自旋、热及非牛顿因素引入滚动体和滚道的润滑分析，结果显示出垂直于运动方向中心油膜分布、温度分布的非对称性（图2）；文献［44］则分析了热混合弹流润滑问题；文献［45］基于动力学分析对轴承进行了热弹流润滑计算，分析了热失效的机理；文献［46］对高速角接触轴承的油膜进行了数值计算，将非牛顿热弹流润滑计算与动力学分析耦合，揭示了载荷变化时油膜的动态行为（图3）。即便如此，受到动力学分析中的简化，供油条件和润滑剂流变数据的不真实，温度的简易处理等因素的影响，轴承的弹流润滑计算未必能真实地反映润滑状态，仍有大量的工作要进行。

图2 滚动体自旋引起垂直于运动方向中心油膜分布的非对称［43］Fig.2 Asymmetry of central oil film distribution perpendicular to motion direction caused by spinning of rolling element［43］

图3 突变载荷（轴向载荷3 ms由800 N减小到400 N）下角接触球轴承的油膜厚度变化［46］Fig.3 Change of oil film thickness in angular contact ball bearing under abrupt load （axial load reduces from 800 N to 400 N within 3 ms）［46］

轴承的弹流润滑计算还可用于其几何参数的优化，如滚子修形等。通过滚动轴承弹性流体动压润滑计算，可以更加深入地了解轴承在工作过程中的润滑状态和行为，为轴承的优化设计和使用提供有力的理论支持。

2滚动轴承润滑油膜光学测量研究

润滑油膜是评价滚动轴承润滑性能的关键指标。油膜厚度与两固体表面轮廓均方根偏差的几何平均值的比值反映了摩擦副的润滑状态和润滑油膜的承载力，因此润滑油膜厚度的测量成为滚动轴承润滑研究的重点。润滑油膜厚度也是轴承润滑剂选取的重要依据。

已有的润滑油膜测量方法以光学、电学、声学等测量技术为主，其中光学测量方法因其具有可视化和精度方面的优势，成为润滑油膜测量的常用方法。在20世纪50年代弹性流体动力润滑理论建立时，与之对应的润滑油膜光学测量技术也发展起来；到60年代，基于光干涉技术的弹流润滑油膜测量方法得到成功应用和推广［47-48］，其可观察到接触区内润滑油膜局部特征并构建油膜的三维图像，为验证润滑理论和分析轴承润滑特征提供了有力手段。

依据使用光源的不同，可分为单色光干涉法、白光干涉法和双色光干涉法，其中单色光干涉法［49-50］通过干涉条纹级次与强度进行油膜厚度的测量，测量精度较高（分辨率可达1 nm），量程为5 ~ 10 μm。由于干涉条纹颜色单一，在动态测试时无法精准判断油膜干涉级次，而且干涉级次数量较多，影响油膜厚度的测量效率。

鉴于上述存在的问题，研究人员提出过许多方法突破技术壁垒，例如移相技术、外差干涉等，但由于润滑测量系统的特殊性，均未得到广泛应用。文献［51-52］采用红绿双色激光作为光源，提出一种双色光干涉强度调制（Dichromatic Interference Intensity Modulation，DIIM）技术，其测量原理如图4所示，利用接触区外部干涉图像中红、绿光强的分量强度之差得到调制信号，明确对应特征点的条纹干涉级次，从而得到任意位置处的油膜厚度。

图4 双色光干涉强度调制技术测量装置结构图及测量原理［52］Fig.4 Structure diagram and measuring principles of measuring device with DIIM ［52］

由于弹流润滑理论将轴承滚动体与套圈的接触等效为滚动体-平面接触形式，最初的试验测量结构采用了球-盘接触［47-48］的结构形式并在弹流润滑油膜光学测量中得到广泛应用。但部分研究学者尝试采用全轴承结构（完整的轴承结构特征）对润滑油膜进行测量，与真实轴承的润滑特征相匹配。例如，文献［53］考虑到滚动轴承在实际运行中出现的乏油问题，采用推力球轴承结构（图5）对乏油产生机理进行观察与分析，首次建立入口区状态与接触区油膜厚度之间的定量关系，推动了乏油的研究。文献［54］采用推力圆锥滚子轴承结构（图6）对线接触弹流润滑油膜进行了试验测量，观察到了线接触的典型弹流润滑特征。文献［55］则采用径向推力滚子轴承结构（图7）对滚子与外圈接触油膜特征进行了试验观察，通过45°倾斜镜面的折射观察到了轴承外圈的油膜干涉。

图5 推力球轴承结构（保持架固定）［53］Fig.5 Structure of thrust ball bearing with stationary cage［53］

图6 推力圆锥滚子轴承结构（保持架固定）［54］Fig.6 Structure of thrust tapered roller bearing with stationary cage［54］

图7 径向圆柱滚子轴承结构［55］Fig.7 Structure of radial cylindrical roller bearing［55］

上述全轴承润滑油膜可视化测量结构虽然基于真实轴承结构观察到了润滑油膜典型特征，但受到加工工艺、精度、成本以及结构设计、图像采集技术等方面的限制而未得到广泛应用，而且轴承类型和测量结果有限，尚不能系统揭示工况参数、润滑剂参数与轴承参数耦合因素下的轴承润滑特征。因此，球-盘单点接触形式成为此后几十年内滚动轴承润滑机理研究的主导结构，国内外研究学者采用该结构开展了大量的基础试验研究并得到了一系列有价值的研究成果。然而，球-盘单点结构形式忽略了诸多轴承本身的特征因素，如轴承的几何接触特征、运动学特征、保持架结构等，这些因素对滚动轴承内润滑剂的流动和分布有重要影响，并决定了轴承的润滑状态和服役性能；因此，由球-盘单点接触模型测试得到的结论难以向真实轴承拓展。随着轴承设计、加工工艺、润滑技术、润滑材料、表面涂层等方面的精益化，由参数调整引起的轴承润滑行为变化备受关注，迫切需要建立全轴承可视化测量技术，以验证轴承正向设计的有效性。

近年来，随着精密加工技术和图像采集技术的进步，全轴承的可视化取得了一系列进展。例如，北京理工大学王文中教授研究小组，采用无沟道镀膜玻璃环替代轴承外圈（图8）［56］，测量了不同供油状态下滚动体与外圈接触点处的润滑油膜［57］，测量结果与传统的球-盘单点接触有较明显差别，呈现出全轴承润滑的独有特征；同时，在该测量装置上，采用荧光技术测量了不同运行工况下接触区周围油池的分布特征，并研究了保持架结构对润滑剂迁移和流动分布的影响（图9）［58］。文献［59］基于光干涉和比例荧光成像技术实现了润滑油膜厚度测量以及油池外形的三维构建，其测量装置如图10所示，轴承外圈以蓝宝石环代替。需要说明的是，球与无沟道环的接触模型的接触几何特征与真实轴承仍存在差别，尽管球-环接触区和球-沟道接触区均为椭圆形，但真实轴承中的卷吸方向沿着椭圆短轴方向，而球-环接触中的卷吸方向则沿着椭圆长轴方向，由此产生的动压效应和侧泄与真实轴承存在差别。近期，文献［60-61］采用带有沟道的玻璃环得到了与真实轴承相匹配的接触形式（图11），研究了接触密合度对脂润滑性能的影响，但该结构为单点接触形式，缺少保持架、轴承运动学等因素的影响。

图8 径向滚动轴承润滑油膜测量装置（玻璃外圈）［56］Fig.8 Lubricating oil film measuring device for radial rolling bearing with glass outer ring［56］

图9 保持架对润滑剂流动的影响［58］Fig.9 Influence of cage on lubricant flow［58］

图10 基于光干涉和荧光成像技术的油膜测量装置［59］Fig.10 Oil film measuring device based on optical interference and fluorescence imaging［59］

图11 带有沟道外环的润滑油膜测量装置［60-61］Fig.11 Lubricating oil film measuring device with ball-on-ring configuration［60-61］

此外，文献［62-63］采用粒子图像示踪（Particle Image Velocimetry，PIV）技术观察了圆锥滚子轴承腔内的润滑剂流场，其测量装置如图12所示，轴承外圈采用蓝宝石材质，观察了保持架、滚子和外圈之间区域流体的速度分布。文献［64］采用气泡成像测速（Bubble Image Velocimetry，BIV）技术（图13），通过追踪气泡对保持架和轴承内流场进行定量测量，并与模拟结果进行了对比。

图12 基于粒子图像示踪技术的润滑剂流动测量装置［62-63］Fig.12 Lubricant flow measuring device based on PIV［62-63］

1—轴；2—角接触球轴承；3—连接框架的螺柱；4—上端；5—外部情况；6—径向支承；7—透明外圈圆锥滚子轴承；8—轴向支承；9—下支架；10—下端；11—盘式弹簧；12—弹簧活塞；13—螺母螺钉；14—加载螺杆；15—上螺栓孔；16—箱体连接螺柱；17—观察口；18—锁紧螺钉；19—轴向O形圈预紧螺钉；20—下螺栓孔。

图13 基于气泡成像测速技术的润滑剂流动测量装置［64］Fig.13 Lubricant flow measuring device based on BIV［64］

从上述滚动轴承润滑可视化测量可以看出，大部分研究针对轴承腔内的润滑剂流动分布，而对润滑油膜厚度的测量仍采用以玻璃环替代的模型接触形式。这主要是由于带有沟道的玻璃外圈试样较难加工，而蓝宝石材质的精加工则更具挑战性，而且蓝宝石试样存在双折射特性，对光轴的选取更加苛刻。另一方面，带有沟道或锥面的玻璃或蓝宝石试验需要进行单独的光学设计，也为全轴承润滑油膜厚度的测量带来挑战。

近期，青岛理工大学郭峰团队在全轴承润滑油膜光学测量方面取得进展，分别研制了面向推力轴承和径向轴承的测量装置。面向推力轴承的试验装置如图14所示［65］，采用带有沟道的玻璃盘代替传统的玻璃平盘，通过球-沟道的接触干涉图为椭圆形且卷吸速度方向沿着椭圆短轴方向，接触几何特征与真实轴承接触相匹配，可实现不同转速下润滑油膜厚度和摩擦力的同步测量，并可定量测量滚动体的打滑率。面向径向滚动轴承的润滑油膜测量装置如图15所示，采用玻璃外圈或蓝宝石外圈，可基于荧光技术观察接触区外围油池分布，并基于光干涉技术测量油膜干涉图和润滑油膜厚度。目前，作者已经解决蓝宝石外圈光学设计问题和沟道加工工艺问题，可对不同类型的滚动轴承润滑油膜厚度和润滑剂流动分布特征进行定量测试。

图14 推力球轴承润滑油膜测量装置及干涉图Fig.14 Lubricating oil film measuring device and interference image of thrust ball bearing

图15 径向滚动轴承润滑油膜测量装置及干涉图Fig.15 Lubricating oil film measuring device and interference image of radial rolling bearing

全轴承光学可视化测量技术的建立，为观察滚动轴承内部润滑剂流动分布和润滑状态提供了直接和有效的方式，对滚动轴承润滑基础研究与轴承服役特性之间的关联性起到了衔接作用，其测量结果可用于评估轴承设计、润滑剂设计和润滑方式设计。

3滚动轴承脂润滑

润滑脂是由稠化剂稠化基础油并辅以功能性添加剂而制备的具有复杂微观结构与物理化学性能的润滑材料。从结构上看，润滑脂是具有高度结构化的胶体体系；从组分上看，其由基础油、稠化剂以及各类添加剂组成，作为主要组成部分的基础油约占75% ~ 90%，稠化剂约占10% ~ 20%［66］。与其他润滑材料相比，润滑脂具有承载能力强、密封性好、使用寿命相对较长等特点［67］。据统计，当前超过90%的滚动轴承采用脂润滑，实际应用中超过40%的轴承失效与润滑脂相关［68］，因此润滑材料的技术水平是影响滚动轴承高可靠、长寿命运行的关键因素，关于轴承润滑脂的研究越来越受到重视。随着机械装备的迅速发展，对滚动轴承润滑脂的应用需求越来越高，性能要求也越来越严苛。通过调控润滑脂关键组分结构、含量及组成成分等手段实现润滑脂性能提升成为高端润滑脂研究的重点。润滑脂核心组分的构成和主要应用领域如图16所示。

图16 润滑脂核心组分的构成和主要应用领域Fig.16 Composition of core components and main application fields of grease

3.1 润滑脂的组成

根据基础油的类型，润滑脂可分为矿物油基润滑脂、合成油基润滑脂及植物油基润滑脂。矿物油基润滑脂采用矿物油作为基础油，具有良好的润滑性能和较高的承载能力，适用于一般工况下的滚动轴承润滑。合成油基润滑脂采用合成油作为基础油，具有优异的高温性能和抗氧化性能，适用于高温、高速、重载等特殊工况下的滚动轴承润滑。植物油基润滑脂采用植物油作为基础油，具有良好的生态环保性能，适用于对环境要求比较高的场合。基础油是润滑脂中最主要的组成成分，能够在轴承服役过程中从润滑脂胶体结构中释放出来形成稳定的润滑膜，从而实现良好的润滑。相关研究表明，基础油黏度在很大程度上决定了润滑脂的润滑性能：文献［69］研究了基础油组分与摩擦学性能的关系，考察了基础油黏度对稠化剂生长结构的影响；文献［70］研究了基础油黏度和皂含量对锂基润滑脂微观结构与流变学行为的影响，结果表明基础油黏度对皂纤维结构骨架（大小和形状）有很大影响；文献［71］研究了基础油黏度对不同工况下润滑脂摩擦学性能的影响规律，指出高速工况下的润滑脂采用低黏度基础油可获得相对更好的润滑性能。

稠化剂作为润滑脂的骨架结构，其组成和结构同样对润滑脂的性能有着重要影响。目前，稠化剂类型主要包括金属皂基稠化剂［72-74］、无机稠化剂［75］和有机材料［76-78］。稠化剂的类型、结构、含量与润滑脂的重要理化性能存在一定的关联：文献［79］以多烷基化环戊烷为基础油制备了4种不同稠化剂的润滑脂，结果表明复合磺酸钙基润滑脂具有最优的综合性能，这与稠化剂的性质和结构直接相关。文献［80］评价了不同稠化剂类型和结构的润滑脂，结果表明具有螺旋纤维结构的锂复合皂的理化性能最好，而具有多孔结构的磺酸钙复合皂则具有最佳的摩擦学性能；文献［81］通过调节反应物的比例和添加顺序制备了4种不同脲基数量的聚脲基润滑脂，结果表明具有颗粒结构的四聚脲基润滑脂的理化性能和结构强度最佳，具有棒状结构的二聚脲则表现出最佳的摩擦学性能；文献［82］以纳米级硅球作为稠化剂制备了纳米硅基润滑脂并与常用的锂基、聚脲基润滑脂进行对比，结果表明纳米硅基润滑脂具有更好的流变学和摩擦学性能。

添加剂是提升润滑脂性能的重要组分，其中减摩抗磨添加剂一直是该研究领域的重点和难点。研究者通过添加传统添加剂和纳米粒子［83］、离子液体［84］等新型添加剂提升润滑脂的摩擦学性能，并结合摩擦副表面润滑膜的分析研究其减摩抗磨作用机理。文献［85］研究了ZDDP（二烷基二硫代磷酸锌）和MoDTC（辛二硫代二异丙酸钼）在聚丙烯和复合锂基润滑脂中的协同摩擦作用；文献［86］研究了质子型离子液体在复合锂基润滑脂中的摩擦学性能，离子液体显著改善了复合锂润滑脂的极压、减摩和抗磨损性能；文献［87］考察了无卤素离子液体改善锂基润滑脂和聚丙烯润滑脂摩擦学性能的可行性；文献［88］探索滑石粉纳米颗粒在改善锂基润滑脂摩擦性能方面的潜力，其质量分数为2%时获得了最佳的减摩抗磨性能；文献［89］研究了石墨烯在锂基润滑脂中的减摩抗磨性能，研究表明石墨烯在不同接触形式和试验条件下均表现出了良好的减摩抗磨性能。目前，添加剂研究主要集中于考察添加剂类型、结构、添加量等因素对润滑脂摩擦学性能的改善能力，并基于摩擦副表面润滑膜的形貌、元素组成等的全维度分析，探索有效减摩抗磨的机理模型，为不同使用工况下减摩抗磨添加剂的研发提供理论及数据支撑。

3.2 温度对轴承润滑脂服役性能的影响

轴承润滑脂在使用过程中会受到温度、机械剪切和环境因素的影响，容易发生物理、化学变化或皂纤维结构改变，从而造成润滑脂理化性能、抗氧化性能、流变性能和摩擦学性能的衰退，进而导致轴承失效。因此，研究润滑脂服役过程的性能变化机制对于预测润滑脂以及轴承的服役寿命意义重大。目前，脂润滑滚动轴承润滑失效的研究主要集中在热场方面：文献［90］研究了润滑脂胶体分散体系在高温下的破坏过程；文献［91］采用不同的流变学技术在0 ~ 175 ℃温度范围内研究了高温导致润滑脂黏弹性响应的变化情况；文献［92-93］研究了高温下润滑脂的微观结构与流变特性之间的关系；文献［94］认为锂基润滑脂在极限使用温度下会出现软化、表观黏度降低、化学反应等现象；文献［95］基于活化能及一阶速率方程建立了润滑脂的压力示差扫描量热模型，可预测不同温度下润滑脂氧化的诱导时间和氧化反应速率，同时还可以计算降解润滑脂的氧化程度；文献［96］用体积排除色谱（SEC）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）等技术分析了直升机动力传动系统轴承中润滑脂（MIL-prf-81322）的高温降解，研究发现轴承温度每升高10 ~ 15 ℃，润滑脂的使用寿命约降低50%［97］，服役场景温度是影响轴承润滑脂使用寿命的最重要因素，尤其是在高温工况下；文献［98-99］研究了长时间高温环境对轴承寿命的影响，结果表明润滑脂在高温作用下发生了严重的热降解，导致其润滑能力下降；文献［100-101］研究表明高温环境下最小油膜厚度减小，滚子/滚道的润滑形式由流体润滑转变为边界润滑，接触面发生严重的表面损伤和磨损，从而加速了轴承的失效；文献［102］的研究表明，润滑脂在高温下的热老化降低了其使用寿命，这与基础油的氧化稳定性有着直接关联；文献［103］测试了工作温度从30 ℃提高到60 ℃对深沟球轴承性能的影响。结果表明随着温度的升高，润滑脂锥入度减小，轴承性能随之下降；文献［104］采用红外光谱仪研究了轴箱轴承温度异常升高和润滑脂的黑化现象；文献［105］通过试验研究了深沟球轴承用锂基润滑脂在高温下的氧化劣化对轴承振动性能的影响，并用红外光谱表征了润滑脂在高温氧化过程中化学成分的变化，分析表明添加剂在润滑脂降解过程中逐渐耗尽，基础油有降解和蒸发现象；文献［106］对轮毂轴承的5种润滑脂进行流变学分析，指出轮毂轴承润滑脂失效是轮毂温度升高引起轴承内润滑脂流变学参数变化而导致的结果。

3.3 机械作用对轴承润滑脂服役性能的影响

滚动轴承运行过程中对润滑脂的机械碾压作用会造成润滑脂发生机械劣化和流变学特性的改变。滚动轴承运行中，润滑脂由于机械作用导致稠度和分油率改变，将对其润滑性能、储油能力和密封性能产生影响。文献［107］基于流变仪剪切测试提出了一种利用熵生成速率对油脂降解进行连续监测的方法，研究了熵生成密度与锥入度之间的关系，探索了用熵产生率评估润滑脂降解率的方法，可以初步预测润滑脂前期机械降解的时间；文献［108］利用流变仪和阿伦尼乌斯方程拟合的方法探索了稠化剂网络的剪切诱导降解与临界能级（剪切引起的结构退化所需的能量，即活化能）的相关性，结果发现活化能取决于润滑脂中稠化剂的性质和浓度，稠化剂浓度越高，临界活化能越低；文献［109］利用流变仪从能量消耗方面研究了润滑脂的结构降解并试图用总能量消耗比衡量润滑脂结构退化所消耗的机械能，研究表明稠化剂类型对润滑脂摩擦能的影响比稠化剂含量或基础油的影响更大；文献［110］对比分析了交叉应力、拉拔力和初始屈服强度与润滑脂稠度降解的关联性，认为交叉应力测试是评估润滑脂稠度变化较好的方法。

斯凯孚的Lugt团队也开展了系列化的研究工作：首先，基于已有的润滑脂剪切试验机搭建了模拟润滑脂剪切老化的试验机并证明其可用于研究润滑脂的机械剪切降解［111］；其次，探索了用能量输入的方法评估润滑脂剪切降解，分析不同方法所得老化润滑脂的微观结构和分油性能并结合能量方程推测了润滑脂老化曲线，为润滑脂剪切老化预测提供参考［112］；然后，利用高速轴承台架考察了润滑脂搅动对其泄漏、分油性能和流变学性能的影响，剪切作用的增加会导致泄漏量增大，分油性能和表观黏度降低［113］；另外，Lugt团队认为润滑脂在轴承中分为搅油阶段和分油阶段，轴承中的润滑脂分布是影响润滑性能的重要因素，其利用坐标象限分区法建立了一种表征轴承中润滑脂分布的方法，研究了润滑脂随运行时间的分布情况，微观纤维结构被剪切降解是导致润滑脂屈服应力降低的主要原因。

高端轴承高可靠、长寿命等服役特性要求相匹配的润滑脂具有卓越的润滑性能和长寿命特性。目前，我国针对大型盾构机、高端机床装备、航空装备、工业机器人、高端医疗装备、风力发电、轨道交通等行业的高端轴承用润滑脂技术和产品已有部分突破，但总体上依然被国外品牌所垄断，在一定程度上制约了我国高端轴承以及装备行业的健康发展。

4滚动轴承固体润滑

随着工业发展的不断推进，机械装备运转环境呈现多样化，各种需求也随之增加，由此带来的极限高低温、高速重载、真空辐照、强腐蚀等极端苛刻的工况条件对滚动轴承的可靠运行提出了巨大的挑战［114-116］。在实际工况下，由于运行环境、接触区微观形貌、润滑方式等的影响，滚动轴承的接触区经常会处于混合润滑、边界润滑甚至干摩擦等状态，此时接触区表面材料产生的擦伤、微蚀坑、黏着磨损以及胶合等问题是造成滚动轴承失效的主要原因［117-119］。因此，改善和增强滚动轴承接触区表面的摩擦与润滑性能对于提升轴承的承载能力，增强服役稳定性和可靠性，以及延长使用寿命有着重要意义。通常情况下，固体润滑轴承是指在轴承中采用固体薄膜或复合材料等代替润滑脂或润滑油，从而实现轴承减摩耐磨的目的。固体润滑滚动轴承在航空航天、矿山开采、造纸、冶金行业等领域有普遍应用［120-121］。很多材料可用于固体润滑轴承，常用的润滑剂有层状固体、塑料及其他无机固体，如聚四氟乙稀（PTFE）、尼龙、碳基材料和二硫化钼等。

4.1 保持架的固体润滑设计

研究人员早期研制的固体润滑滚动轴承主要靠自润滑保持架在接触区产生的转移膜实现球与套圈、保持架间的润滑［122］。随着固体自润滑技术的发展，滚动轴承的自润滑技术已发展为：1）轴承内、外圈镀自润滑薄膜+自润滑保持架+滚动体；2）轴承内、外圈镀自润滑膜+自润滑保持架+滚动体镀自润滑涂层；3）轴承内、外圈镀自润滑膜+自润滑保持架+陶瓷球［123］。下文将从保持架的自润滑和轴承内、外圈镀自润滑薄膜两部分对滚动轴承的自润滑性能进行讨论。

保持架自润滑材料的种类很多，有金属、塑料、无机物及其2种或多种复合材料等。固体润滑轴承的保持架自润滑材料不仅要有优异的力学性能，还应具备较强的转移膜成膜能力且转移膜附着性和质量较高，从而保证轴承具有可靠的服役寿命和性能。比较有代表性的保持架自润滑材料是MoS2基、聚四氟乙烯基和聚酰亚胺基的复合材料［124］。美国Bemol公司采用MoS2-Ag，MoS2-Ni和MoS2-Cu作为保持架，可以在真空环境以及400 ℃高温下对滚动轴承起到良好的润滑作用，但温度一旦高于临界值（400 ℃）时磨损会加剧，轴承寿命缩短［124］；此外，Campbell等对高温（815 ℃）、高真空工况下的保持架自润滑材料进行了研究，结果表明只有很少几种高MoS2含量-低金属含量的复合涂层能够满足自润滑要求，其中，MoS2（>60%）-Ta自润滑复合材料依靠转移润滑法，可对高真空、高温条件下的滚动轴承进行有效润滑，寿命高于1 100 h［124］。

火箭氢氧发动机涡轴泵轴承在超低温的液氧、液氢中运转，润滑脂已不能使用，需要考虑固体润滑方案。PTFE因其优异的自润滑性能而应用于各类轴承［125-129］并表现出良好的自润滑性能和耐磨性能。文献［130］在向心推力球轴承的保持架上采用PTFE+10%玻璃纤维，轴承运转时PTFE会转移到沟道上形成转移膜，提高轴承的自润滑效果。然而，PTFE在200 ~ 400 K宽温域下的摩擦行为表现出强烈的温度依赖性，摩擦系数随温度降低而逐渐升高，且承载后的冷流动性和导热性差，限制了其在苛刻工况下的使用［131］。因此，通常会在PTFE为主的保持架中加入层状材料（石墨、MoS2、二硫化钨等）、软金属（Cu、青铜粉、金粉、银粉）以及陶瓷类硬质颗粒（玻璃纤维、石英粉、云母和各种陶瓷粉等），其中又以二硫化钼、青铜粉和玻璃纤维最常用。添加固体润滑粉末的作用是通过粉末颗粒在材料中的弥散强化作用增强PTFE的硬度，从而达到提高耐磨性的目的，同时通过自身的固体自润滑作用进一步增强PTFE材料的自润滑转移性能［132］。与之类似，软金属材料的粉末同样具有弥散强化作用，还能极大提高基体材料的导热性和热稳定性，而且与各种非金属材料的相容性最好。陶瓷类硬质颗粒的弥散强化作用最强，其对材料表面硬度的改善也最明显。聚酰亚胺（PI）材料具有较好的耐磨性、优异的高低温性能和耐辐射能力，但其转移性和自润滑性能较差，可通过添加适当的填充剂提高其综合性能，因此以聚酰亚胺材料为基体的固体润滑保持架已越来越多地应用在各种工程机械中。文献［133］研究了二元/三元的聚酰亚胺基复合材料的综合性能，发现在聚酰亚胺中添加适量的碳纤维和玻璃纤维可以提高聚酰亚胺的力学性能，从而提高复合材料的拉伸性能。此外，二硫化钨和碳纤维共同掺杂的聚酰亚胺复合材料的拉伸强度进一步增强，表明复合材料正朝向多元化趋势发展。

4.2 滚动轴承滚道的固体膜润滑

对于滚动轴承内、外圈滚道进行自润滑镀膜的润滑方式分3种：1）在轴承内、外滚道上镀膜；2）在轴承内、外滚道及滚动体上镀膜；3）在滚动体上镀膜。内、外圈自润滑涂层的种类包括层状材料过渡金属硫化物（WS2，MoS2等），软质金属（Ag，Cu等）和类金刚石碳基涂层（DLC）［134］。其中，最具代表性的MoS2涂层因其层状结构及各向异性可在常/低温环境下实现超滑（摩擦系数小于0.01），被广泛应用于空间环境中：文献［135］在9Cr18轴承钢上溅射MoS2-Ti涂层，发现其在真空环境下的耐磨寿命提高了20%；文献［136］在7005角接触球轴承的外圈滚道上镀MoS2膜，真空环境下的轴承寿命高达2.3×106次；虽然MoS2固体润滑涂层在轴承上的应用潜力得到了证明，但该类涂层在空气中容易潮解，也在一定程度上限制了其实际应用［137］。类金刚石涂层（DLC）是由石墨结构的sp2杂化碳原子与金刚石结构的sp3杂化碳原子混杂而成，具有超低摩擦、高耐磨和自润滑等特点［138］：文献［139］在自润滑轴承上制备了含氢DLC涂层，发现对DLC涂层进行Cr和B元素掺杂后，可以有效提高涂层的耐磨性和抗辐照性能，但由于真空环境下的摩擦热量无法散出，固体自润滑涂层的润滑性能会有所下降；文献［140］在流体动压推力轴承上制备含氢DLC涂层，其寿命是未涂覆钛合金轴承的5倍；文献［141］研究表明金属掺杂的含氢DLC在干式运行的深沟球轴承中可以有效降低磨损，运转168 h后仍表现出轻微磨损，表明DLC涂层是固体自润滑轴承一种较理想的涂层材料。

对于固体润滑轴承，一旦套圈沟道的固体润滑涂层磨损殆尽、固体润滑失效，其支承轴系将出现摩擦阻力矩增大、运转卡滞、旋转不灵等问题。因此，固体润滑轴承的服役寿命在很大程度上取决于固体润滑涂层的寿命，提高润滑涂层的结合力与寿命以及评价滚动轴承的磨损寿命也是固体润滑滚动轴承实际应用中备受关注的一个问题。

5滚动轴承润滑的工程设计

近年来的应用经验和统计数据表明，75%以上的滚动轴承失效与润滑介质和润滑方式密切相关［142］，接触副的润滑效果或润滑失效除与润滑介质本身的性能紧密相关之外，还与轴承的宏观结构设计和摩擦学机理的合理运用有关［143］。

5.1 润滑油脂的选择

润滑油脂的选择应综合考虑轴承类型和尺寸、点/线接触、工作转速、工作温度［144］、工作载荷/应力、启动/运转摩擦力矩、摆动/冲击/振动工况、微动腐蚀工况、NVH要求［144-145］、添加剂、水汽/污染程度、再润滑周期、材料物化兼容性［142］、运行环境真空度［146］、供油/注脂方式［147］、过电风险［148-149］、白色腐蚀裂纹风险［150］、密封结构、安装姿态［146］、环保/法规要求和成本等因素［151］。

5.2 滚动轴承润滑的设计优化

针对采用普通润滑油脂的滚动轴承，从轴承接触副表面形貌、轴承表面材料改性、轴承摩擦机理等方面对轴承润滑优化进行阐述。

5.2.1 表面微观形貌

合理的轴承类型选择、最佳的优化设计、正确的安装使用和恰当的润滑维护，能够确保大多数轴承达到甚至超过其额定寿命。滚动体/套圈滚道接触面和滚动体端面/套圈挡边接触面是轴承内部最关键的摩擦工作面［152］，通常需要承受很高的法向接触应力和切向剪切应力，并可能伴随着严重的相对滑动［153］，从而导致次表面或表面起源型失效甚至断裂［154-156］。

滚道工作面的表面微观形貌对轴承的摩擦、磨损和疲劳性能至关重要，通常用的几何形貌参数包括：2D表面微观形貌幅值/极值参数（总轮廓高度Rt、轮廓最大高度Rz、最轮廓大峰高Rp、中心粗糙度Rk、去除峰高Rpk、去除谷深Rvk［157］）、形貌平均参数（轮廓算术平均偏差Ra、轮廓均方根偏差Rq）、形貌分布参数、矩参数（偏度Rsk、陡度Rku）以及2D和3D纹理分布参数（自/互相关系数、功率谱、纵横比值［158-159］）等。这些形貌参数对表面微观形貌的客观评价效果存在差异，但对基于相同稳定制造工艺（磨削、超精）加工的零件表面的评价结果又紧密关联［160］，因此应根据实际理论分析和轴承的质量、性能、精度要求选择合适的评价参数体系。

滚道表面粗糙度与润滑油脂黏度的相对关系决定轴承的润滑状态，比如全弹流、混合或边界润滑，进而决定轴承滚动/滑动工作接触面的失效模式［161］。早期的轴承制造工艺在确保零件几何精度的基础上，重点对Ra值进行质量控制，实现对轴承疲劳寿命、噪声、振动、摩擦力矩等性能的改进［162］。例如，将深沟球和圆柱滚子轴承滚道的表面粗糙度Ra值改善至标准轴承的1/3 ~ 1/4，其在黏度比κ=1条件下试验得到的疲劳寿命提高了10倍以上，摩擦力矩也显著降低［163］；试验结果与理论分析结果相吻合［164-165］，这也是轴承制造企业在轴承技术发展过程中致力于改善滚道工作表面粗糙度的原因［166］，但过分追求更好的表面粗糙度未必能带来寿命的提高［167］，因为滚动体、滚道表面的细微凹坑/织构有助于润滑油脂的存储［168］，并能将更多的油脂卷入接触区以实现更好的润滑状态［169］。

对机械加工表面形貌进行参数评估、材料去除和接触力学计算时，通常假定原始表面轮廓服从高斯分布以便进行统计分析［170］。轴承滚道的实际表面经过车削、磨削、超精等机加工后，其表面轮廓呈明显的偏态分布，而且与工艺参数和材料特性有关。文献［170］利用弹塑性接触力学模型研究了粗糙表面偏度Rsk和陡度Rku对表面接触应力分布的影响，计算结果表明负向偏度Rsk［171］和较小的陡度Rku能够有效减小非赫兹接触应力峰值。文献［172］通过磨削和超精工艺调控滚道表面偏度Rsk和陡度Rku，大幅提升了轴承的承载能力和疲劳寿命，并大幅降低了轴承工作摩擦力矩，从而实现了X-life系列轴承的标准化。

混合润滑条件下粗糙接触表面的拓扑纹理方向对滚滑接触副的力学和摩擦学性能影响显著。理论分析表明，垂直于滚动体/滚道滚动方向的粗糙表面横向纹理有助于增大润滑膜厚［173］，从而提升轴承疲劳寿命、减小磨损和摩擦［174］。滚动轴承滚道磨削后的超精加工能够进一步改善表面质量（Ra，Rsk，Rku），去除磨削烧伤和损伤层，还能够在滚道表面形成与圆周方向相互交错的表面纹理，从而改善轴承在混合润滑工况下的润滑状态。

5.2.2 基于润滑机理的轴承设计优化

合理的轴承结构有利于发挥润滑油脂效用，提高润滑质量并延长润滑油脂的有效使用寿命。球轴承润滑效用提升方式主要包括：套圈挡肩形状［175］和油脂回流引导结构［176］、保持架兜孔形状/织构优化［58，177］、球-保持架兜孔引导间隙［178］、多孔材料含油/自润滑保持架［179］、滚道表面织构、油气/喷油润滑油嘴位置［180］和油路途径［181］、轴承工作/非工作面疏油/亲油材料改性/涂层的合理运用等［182-183］。圆柱、圆锥、球面滚子轴承的润滑效用提升方式主要包括：滚动体-滚道轮廓优化［184］、滚动体端面/挡边接触副宏观几何结构［185］及微观形貌优化［186］、工作面表面织构［187］、保持架油脂回流引导通道、搅油损失评估方法［188］及最小化设计、保持架结构［189］和运动引导设计［190］、环下/挡边油道供油设计［191］、油脂储存腔位置/结构优化［192］等。

更高的功率密度和工作接触应力、更低的摩擦功耗［193］和润滑油脂黏度、更宽的转速范围和工作温域等恶劣工况导致风电、重工、动力传动、汽车等应用领域滚动轴承的滚动体-滚道、滚动体端面-挡边、滚动体-保持架兜孔、保持架-套圈引导面发生擦伤、烧伤、黏着、异常磨损等失效故障的频率并未因为材料性能、加工工艺、润滑技术的发展而降低。如何通过定量计算［194］、台架试验［195］和现场试验准确界定发生上述失效的工况阈值仍是亟待解决的技术和学术问题。

文献［196］利用球-盘试验机测量了保持架兜孔引导间隙对球-盘弹流油膜厚度的影响，有助于深入理解保持架兜孔对轴承润滑状态的作用机理，并为定量确定保持架兜孔最佳尺寸［197］提供理论依据。文献［198］通过圆柱滚子-玻璃盘光干涉试验台研究了有限长修形滚子不同黏度基础油在脂润滑下的膜厚分布和乏油情况。文献［199-200］采用拟静力学模型研究了径向和倾覆力矩对圆柱滚子轴承修形滚动体-滚道弹流压力和膜厚的影响，结果表明严重的偏载工况容易导致滚动体端部膜厚减小以及应力集中，有益于定量研究滚子轴承滚动体端部的过度磨损和疲劳剥落等失效问题。

6滚动轴承润滑研究展望

近年来，随着滚动轴承的测试技术与动力学分析的不断发展，人们对滚动轴承运行状态与润滑机制的认知不断提升，但滚动轴承润滑研究仍存在多种挑战，如滚动轴承的微观润滑机制、减摩抗磨机理、滚动轴承寿命预测、极端条件下轴承润滑设计等方面仍有不足。未来的发展趋势将集中在以下方面：

1）真实条件下的轴承润滑理论计算。目前，轴承润滑数值计算忽略了轴承中的部分特征因素、极端工况（低温、高温、贫油、高加/减速、电蚀、水侵蚀等）以及润滑剂的真实流变特性（基础油析出率、触变性、黏弹性等）等对轴承润滑行为的影响，导致计算结果与测量结果存在偏差。需加强针对油/脂物理和化学性能退化的建模工作，以提高轴承润滑理论计算对润滑可靠性及润滑失效的预测能力。耦合多种轴承润滑因素，构建多尺度、多模态、多因素的先进算法与计算模型的工作也应继续进行。

2）与应用工况匹配的先进润滑材料的开发。面对现代机械装备运行重载化、高速化、高低温化等工况的苛刻要求，研发更匹配的功能性润滑脂或固体润滑膜体系，如更优的抗磨损性能、更高的极压性能、更广泛的工作温度范围以及更长的使用寿命等，将是当下及未来一段时间轴承润滑研究的重点发展方向。材料基因组技术是材料领域的一种新方法和新概念，但在润滑材料领域仍处于起步阶段，未来的轴承润滑脂新材料的可基于材料基因组技术建立大型数据库，通过数据挖掘加速高性能润滑脂的开发和优化过程。同时，环境保护和可持续发展已经成为全球关注的焦点，未来的发展也将趋向于研发更环境友好的润滑材料，减少对环境的负面影响，这可能涉及到开发多体系的轴承固体润滑膜、使用更环保的基础油和添加剂以及推动润滑脂的回收和再利用。另外，超低摩擦润滑体系的构建也是滚动轴承润滑设计的重要课题，其中固液复合润滑界面机制的研究与设计是一个重要的发展领域。

3）轴承润滑评测方法研发。轴承润滑评测包括润滑剂在轴承内部流动分布过程监测、滚动体/内外圈间的润滑状态、保持架对润滑剂的重新分配机制以及滚动体与保持架的动力学状态检测等。应针对评测方法开展广泛和深入的研究，特别是探究影响轴承运行稳定性及寿命的关键因素，建立润滑剂-轴承结构-测试手段-运行工况之间的映射关系，分析影响轴承润滑失效的关键因素。首先考虑当前测试方法的局限性，引入多种轴承相关因素，实现多尺度下的轴承运行状态监测与预测；然后基于评测结果进行润滑剂配方及轴承结构参数优化方案（尺寸、结构、织构化处理、表面涂层等）设计，采用试验与仿真手段表征及预测轴承运行条件，结合多种轴承特性的智能传感检测方法（考虑轴承特性的传感器连接、收集、储存和分析）建立状态检测-轴承寿命-故障诊断相结合的预测评价体系。