科创中国

"转子系统是机械传动装置的“关节”，直接影响大型舰船、水中兵器、航空航天等国防领域高端机电装备运行可靠性。作为设计与制造难度最大的关键基础件之一，高性能转子系统长期严重依赖进口，部分产品面临封锁禁运，造成我国海洋和航空航天等高端机电装备“空心化”并威胁国防安全，是海洋和航空航天装备核心传动装置亟需攻克的卡脖子技术之一。转子系统的前沿科学研究与先进技术储备是我国高端机电装备“提质”的必经之路，也是摆脱贸易摩擦中“关键基础件受制于人”被动局面的强大助力。内部激励演变规律及其冲击振动传递机理不清是造成转子系统内部早期故障难以及时发现的根本原因。因此，转子系统内部故障激励机理及其冲击振动特性演变规律是本领域热点和难点。

在国家自然科学基金等项目支持下，围绕转子系统服役过程中面临早期故障诊断难、支承轴承寿命短、系统振动大等技术挑战，凝练出关键科学问题：局部故障弹塑性演化的动态激励机理、局部故障和复合制造误差冲击特征表征及其演变机制、多界面转子系统内部冲击激励振动传递规律，开展了系统性的研究工作，主要发现点如下：

（1）建立了基于“分段函数”思想的局部故障弹塑性演化动力学模型，揭示了转子系统支承轴承局部故障弹塑性动态演化机理；构建了故障形态与其冲击脉冲幅度和波形之间的映射关系，提出了转子系统支承轴承局部故障损伤程度定量评估方法。

建立了基于“分段函数”思想的时变刚度和位移耦合激励局部故障弹塑性演化动力学模型，揭示了局部故障弹塑性动态演化机理，克服了基于赫兹接触理论的传统局部故障模型不能准确描述故障形貌特征弹塑性演化诱发的转子系统振动特征演变的问题；提出了局部故障表面轮廓特征表征模型及其时变冲击波形表征方法，实现了局部故障偏置和偏斜变化诱发的转子系统冲击特征准确计算；构建了局部故障形态特征与其冲击脉冲幅度和波形之间的映射关系，提出了转子系统局部故障损伤程度定量评估方法，推进解决了×75舰齿轮箱支承轴承典型故障振动特征仿真与预测难题，并应用于其仿真系统研发。被国际同行评价为：“可更加真实地表征剥落故障的方法”、“新的仿真方法”以及“模型能更加准确描述局部故障的真实冲击激励”。

（2）建立了转子系统支承轴承复合制造误差动力学模型，揭示了转子系统支承轴承复合制造误差时变激振机制；提出了转子系统支承轴承动态载荷解析计算方法，实现了转子系统支承轴承动态载荷和动态摩擦力矩的准确预估。

提出了润滑条件下转子系统支承轴承动态载荷和刚度计算方法，克服了基于Jones模型的传统准静态数值方法求解效率低的问题；建立了转子系统支承轴承非均匀和复合制造误差动力学模型，揭示了转子系统支承轴承非均匀和复合制造误差时变激振机制；提出了考虑误差激励的转子系统支承轴承内部动态载荷解析计算方法，实现了转子系统支承轴承动态摩擦力矩与功率损耗的高效预估与优化，推进解决了国产航母辅助传动装置异常振动抑制的难题（使其振动烈度降低约50%）。被国际同行评价为：“相对于传统模型能够获得更加精确的结果”、“创新的解析动力学模型”、“轴承内载荷分布和刚度的解析新方法”以及“极大地提高了计算的精度和效率”。

（3）建立了多界面耦合激励的转子系统冲击振动传递动力学模型，揭示了多界面转子系统冲击振动传递机理与振动特征演化规律；提出了多源激励转子系统振动预测模型与振动抑制技术，完善了转子系统多约束振动特性优化理论。

基于“切片”和“积分”思想，提出了弹性支撑下轴与内圈之间、外圈与轴承座之间共形接触界面的弹性变形计算方法，建立了多界面耦合激励的转子系统冲击振动传递动力学模型，揭示了多界面转子系统冲击振动传递机理与振动特征演化规律；提出了基于虚拟轴承单元的多源激励转子系统振动预测模型与振动抑制技术，完善了转子系统多约束振动特性优化理论，推进解决了某型翼身融合水下滑翔机机械传动系统低振动噪声设计难题（使其机械振动噪声水平降低约30%）。被国际同行评价为：“新12自由度动力学模型”、“转子—轴承系统动力学建模新方法”、“可预估外圈—轴承座接触刚度和轴承故障诱发的冲击振动特性”。

围绕以上创新工作发表SCI论文34篇，SCI他引527次。5篇代表性发表在《Mechanism and Machine Theory》（MMT）、《Journal of Sound and Vibration》（JSV）、《Journal of Vibration and Control》（JVC）等本领域国外权威期刊上。其中，2篇入选ESI热点论文（前***%），4篇入选ESI高被引论文（前1%），1篇获2021年Elsevier克罗斯利杰出论文奖（全球每届2篇），1篇入选欧盟设备维护学会和波兰科学院主办的SCI期刊《Eksploatacja i Niezawodnosc-Maintenance and Reliability》封面文章。5篇代表性论文被来自39个国家/地区389个科研机构的1384名学者在94种出版物上引用，Web of Science (WOS)他引共计308次，篇均WOS他引61次，被5名院士、ASME等国际权威学会5位Fellow在内的国际同行引用和正面评价。

基于提出的转子系统动力学建模与振动特征分析方法，研发了滚针轴承动态载荷算法与实验装置，在中国北方车辆研究所、探月三期工程等推广应用，实现了对坦克装甲和舰船齿轮传动装置以及月面采样装置等滚动轴承内部冲击载荷的准确预测。软件著作权（高速刚性转子动力学分析软件）采用许可方式在中国航天科工集团北京机械动力研究所实现成果转化***万元，并应用于××-12发动机5种轴承和××-17发动机2种轴承的动态特性分析，有力支撑了型号任务的研发。

项目成果“滚动轴承局部故障弹塑性演化机理与动力学行为研究”获2022年“陕西省机械工程学会科学技术奖二等奖”。项目第一完成人刘静教授入选了陕西省高层次人才引进计划青年项目和西北工业大学翱翔新星。目前担任《Energies》、《Journal of Central South University》、《Crystals》、《Shock and Vibration》等SCI期刊编委、青年编委或专刊客座主编；担任EI期刊《中南大学学报（自然科学版）》和《交通运输工程学报》 青年编委；担任ASME IDETC机械振动与噪声分会等国际会议分会主席、组织者和大会技术主席。受邀在全国设备监测诊断与维护学术会议、第五届空天动力联合会议和兵器科学与技术学科暨海上指挥控制高端论坛等学术会议上作“转子系统内部激励机理与动力学建模研究”相关主题的邀请报告。"