回转支承先进制造技术与智能监测

本书总结了自2008年以来，南京工业大学在回转支承领域的研究成果，旨在促进回转支承行业技术的发展，填补国内空白。本书共包括七章，主要内容有：回转支承概述、回转支承强度计算方法、回转支承加工工艺与装备、回转支承试验装备设计及试验研究、回转支承故障诊断原理与方法、回转支承寿命预测方法、回转支承发展趋势展望。
本书中涉及回转支承的强度计算理论、有限元分析和动力学分析等方法，汇聚了新的科学技术前沿思想。作者所在团队在加工装备中开发了系列化的数控铣齿机床、数控磨齿机床、数控滚道车床、数控滚道磨床等，在国内大型回转支承制造企业得到了广泛的应用，极大地提高了回转支承的加工效率，受到了企业好评。因此，本书总结了近20年来国内外回转支承试验装备特点和设计经验，并对回转支承的试验方法和对回转支承的试验数据处理方法进行了深入研究。在回转支承智能化、网络化健康监测、大数据远程智能运维等方面做了相关的讨论。
本书读者对象主要是轴承专业研究人员，以及相关企业的设计、制造人员。

回转支承是广泛应用于工程机械、风力发电机、海洋平台、军用装备等大型机械结构中需要作相对回转运动的基础核心部件，一旦失效将造成整机失效，由于尺寸大、负载大、维修难度大、停机时间长，将造成巨大的经济损失，甚至造成重大人员伤亡事故，因此研究回转支承的设计理论、制造技术及智能监测，提升回转支承的综合性能具有重要的应用价值。
南京工业大学数字制造及测控技术团队（以下简称本团队）20余年来一直专注于回转支承先进制造及智能监测技术的研究。至2010年，研发的极坐标数控高效成形铣齿机，解决了强力切削颤振问题，铣齿工艺替代传统滚齿和插齿工艺，效率提高3~6倍，实现了进口代替；研发的数控滚道车、磨再制造机床，实现车磨复合功能，充分利用企业存量资源，提升了加工数字化水平；研发的综合性能试验装备，实现了复杂工况动态载荷的模拟，打破了国外的技术封锁，增强了企业自主研发能力。三类新装备在大部分回转支承企业得到应用，服务于占全国产量80%以上的产品，同时在大重型齿轮加工行业得到推广，成果获2011年江苏省科学技术一等奖、2012年中国发明专利金奖。
从2008年开始，随着风电行业的快速发展，风电回转支承的高可靠性要求与我国薄弱的设计、制造、运维等理论基础形成巨大的反差，虽然在国外厂家产能受限形势下，国内风电回转支承厂家大规模发展起来，并且陆续装机运用，但是运行的不确定性风险让企业寝食难安。基于现实企业的需求，本团队成员将研究重点由制造环节转移到回转支承动静态特性分析、损伤机理、试验方法及数据分析的研究，希望弥补设计理论和测试方法的空白，提升回转支承整体性能。历时10年，基于非线性弹簧的回转支承静动态特性分析方法、基于小样本的可靠性分析方法、基于人工智能故障诊断与寿命预测方法等逐渐在回转支承行业中推广。同时理论联系实际，从轴承相关理论中寻找支撑，在实践中提升理论，培养了一批又一批具有丰富理论知识和实践能力的优秀学生，他们扎根在我国风电行业，成为风机主机厂或者是配套部件厂核心岗位的研发人员，甚至是行业资深专家或企业技术高管。2017年，我国宣布3.6MW以下风电回转支承全部替代进口，南京工业大学成为重要贡献单位之一，获中国机械工业科学技术一等奖。
随着2020年“双碳”战略的提出，大型化风电设备需求迅猛，同时大盾构等大国重器的核心零部件的进口替代需求迫切，一众主机与部件企业加紧布局核心技术研发领域，本团队成为他们的同行者，加工直径10m盾构机回转支承制造装备于2022年实现应用，20MW级风电回转支承测试平台呼之欲出。
本书是20余年来本团队全体科研工作者的成果凝练，以及三一索特传动设备有限公司、洛阳LYC轴承有限公司、马鞍山方圆精密机械有限公司等合作企业工程实践的经验总结，希望为回转支承性能的提升奠定基础，提供思路。由陈捷完成了第一、四、五章的撰写工作和全书的校稿，王华完成了第二、六章的撰写工作，洪荣晶完成了第三章的撰写工作。同时，王赛赛、张典震、金晟、包伟刚、乾钦荣、温竹鹏等研究生参与了资料整理。
本书涉及的研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和苏州市重点研发计划，江苏省高校优势学科建设项目的支持与资助。同时本书在撰写和出版过程中，得到了机械工业出版社责任编辑给予的热情帮助和支持，在此一并表示感谢！
书籍是社会进步的阶梯，也许本书不够完美，但希望通过我们的努力，能够为提升我国的回转支承技术及应用水平做出贡献。
由于回转支承制造行业专业性较强，研究的人员较少，可以借鉴的资料不多，书中有的内容，可能存在不成熟的部分，难免有不足之处，请大家批评斧正，不辞指教，作者们感激不尽。

陈捷王华洪荣晶
2023年5月于南京

前言
第一章回转支承概述
第一节回转支承的概念及应用领域
第二节回转支承的结构形式
一、单排球式回转支承
二、双排四点接触球式回转支承
三、三排柱式回转支承
四、交叉滚柱式回转支承
五、双排异径球式回转支承
第三节回转支承常规的故障形式及原因
一、连接螺栓断裂
二、滚道破坏
三、驱动齿圈轮齿破坏
四、滚动体破坏
第四节回转支承设计方法进展
一、回转支承滚道接触载荷分布与静承载能力
二、回转支承滚道疲劳损伤机理与疲劳承载能力
三、连接结构对风电回转支承滚道承载能力的影响
第五节回转支承在国内外的试验研究进展
一、国外试验研究进展
二、国内试验研究进展
参考文献
第二章回转支承强度计算方法
第一节回转支承静态承载能力计算
一、滚道载荷分布解析法
二、滚道载荷分布数值法
三、滚动体与滚道局部接触分析
四、影响回转支承承载能力的因素
第二节回转支承疲劳寿命校核
一、基础寿命理论计算
二、滚道硬化对接触强度及寿命影响
三、滚道接触疲劳寿命理论修正
四、回转支承疲劳寿命数值仿真
第三节本章总结
参考文献
第三章回转支承加工工艺与装备
第一节加工工艺
一、坯件准备
二、机加工工艺
第二节主要加工装备及工艺技术
一、磁粉检测
二、数控立式车床
三、孔加工机床
四、齿轮加工机床
五、数控淬火机床
六、滚道磨床
七、装配测试台
第三节齿轮加工创新方法
一、高效率的强力车齿技术
二、高精度的齿轮磨削技术
三、高柔性的包络铣齿技术
参考文献
第四章回转支承试验装备设计及试验研究
第一节回转支承性能检测项目及参数
一、回转支承性能表征参数
二、回转支承试验标准
三、回转支承试验大纲及监测参数
四、试验项目及操作步骤
五、试验记录表
第二节国外回转支承试验台现状
一、斯洛文尼亚卢布尔雅那大学试验台
二、德国Rothe Erde回转支承试验台
三、德国FAG大型风电机组轴承试验机
四、德国弗劳恩霍夫 BEAT6.1试验台
五、SKF风机主轴轴承试验台
六、日本NTN风电机组轴承试验机
七、日本KOYO（NSK）盾构机回转支承试验台
八、韩国首尔国立大学偏航轴承的性能测试试验台
九、澳大利亚卧龙岗大学试验台
十、法国LGMT实验室回转支承试验系统
第三节国内回转支承试验台现状
一、三一集团索特传动设备有限公司3MW风电回转支承试验台
回转支承先进制造技术与智能监测目录二、马鞍山方圆精密机械有限公司回转支承试验台
三、上海欧际柯特回转支承有限公司3～5 MW风电回转支承试验台
四、洛阳LYC轴承有限公司和洛阳新能轴承制造有限公司回转支承试验台
五、大连冶金轴承股份有限公司轴偏航、变桨、主轴轴承试验台
六、瓦房店轴承集团有限责任公司直径3.6m回转支承试验台
七、南京工业大学回转支承试验台
第四节国内外回转支承试验台比较
一、试验台机械结构工作原理
二、加载与驱动方式对比
三、测控功能对比
四、国内外各种试验台比较
第五节加速寿命试验及分析
一、加速寿命研究现状
二、大型回转支承加速寿命试验方法
三、风电回转支承加速寿命试验及分析
四、工程机械回转支承加速寿命试验及分析
参考文献
第五章回转支承故障诊断原理与方法
第一节回转支承故障诊断研究现状
一、回转支承信号降噪处理方法
二、振动信号特征信息提取
三、高维特征信息压缩、降维处理方法
四、智能故障诊断研究方法
第二节基于信号处理技术的故障诊断方法
一、时域统计分析
二、频域诊断方法
三、振动信号降噪方法
四、其他分析方法
第三节基于人工智能的故障诊断方法
一、基于统计学模型的故障诊断方法
二、基于机器学习模型的故障诊断方法
参考文献
第六章回转支承寿命预测方法
第一节寿命预测的研究概况
一、机械部件寿命预测方法进展
二、回转支承寿命预测概况
第二节基于小样本统计规律的寿命预测可靠性模型
一、威布尔分布理论及参数估计
二、大型回转支承小样本加速寿命试验方法
三、大型回转支承全寿命试验
第三节基于人工智能算法的回转支承在线寿命预测
一、大型回转支承性能退化评估方法
二、基于状态数据的剩余寿命在线预测模型
第四节基于信息融合的在线剩余寿命预测模型
一、RUL预测模型
二、修正的威布尔剩余寿命预测模型
三、失效率在线评估模型
四、试验验证与对比研究
参考文献
第七章回转支承发展趋势展望
第一节智能回转支承研究现状
一、智能轴承及研究现状
二、智能回转支承及其研究现状
三、未来智能轴承的发展方向
第二节大型回转支承在线健康监测系统(HMS)
一、状态监测系统的意义及现状
二、在线健康监测系统总体设计
第三节风机PHM及远程智能运维
一、风电机组传动链PHM系统硬件组成
二、风电机组传动链PHM系统软件组成
三、大数据远程监测与智能运维系统组成
四、大数据远程监测与智能运维系统软件架构
参考文献