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　　四列滚子轴承作为轧机的关键部件，在恶劣服役环境下发生故障可能引发轧机振动加剧、产品表面质量下降甚至生产事故。针对现有动力学方法局限于通用单列轴承，且模型关键参数依赖实验室数据而无法保障模型的准确性和有效性，提出多载荷激励下轧机四列滚子轴承故障动力学建模及响应特性研究方法。通过构建辊系整体和轴承局部激励载荷模型，准确表征轧制过程中的力学行为与动态激励。在此基础上，提出轧机轴承故障动力学建模方法，揭示故障特征与系统响应之间的内在机制。为进一步验证模型与方法的有效性，搭建工业测试平台并进行试验验证，对比分析理论结果和实测数据。结果表明，接触载荷和加速度信号会在滚动元件经过故障区域时先后产生两次冲击，其中首次冲击后因与故障前壁持续接触导致载荷小幅回弹，二次冲击则引发内外滚道接触载荷交替变化及高频振动。随着碰撞能量衰减，系统最终转为以低频本征振动为主导的响应状态。此外，在轧制产品厚度为3.2mm的SPA-H钢时，上工作辊因滚动体故障在稳态轧制阶段仍产生显著冲击响应和位移波动，导致辊缝失稳，而下工作辊则保持平稳运行状态。

　　四列滚子轴承(以下统称轧机轴承)作为轧机的核心部件，其服役性能和可靠性直接影响整机装备的生产效率和产品的表面质量[1-2] 。然而，轧机轴承长期服役于高速重载(DN值，即轴承内径与转速的乘积可达1×106以上，远超普通轴承极限)、高温高湿(工作温度可达200℃以上)以及杂质污染(冷却水、粉尘、氧化铁皮侵入)等恶劣工况[3] ，承受轧制力、轴向力、弯辊力、轧制扭矩、振动等多物理场耦合形成的复杂多载荷[4-5] ，这种多载荷激励(如力-热-流耦合、非线性刚度-阻尼耦合等)极易诱发轧机轴承出现剥落、裂纹等故障，导致滚动体、套圈等元件失效，进而引发传动、液压等子系统甚至主机装备的功能退化，构成重大生产安全隐患。因此，如何准确建立多载荷激励下含故障的轧机轴承动力学模型并揭示其动力学响应特性对早期故障的监测和诊断具有重要意义，可在最大程度上避免灾难性事故的发生。

　　近年来，国内外诸多学者针对轴承故障进行了 动力学建模并分析了其响应特性。目前主要沿两个方向开展，一是对轴承施加冲击力来模拟滚动元件穿过故障时与故障区的碰撞，二是采用动态模型来描述滚动元件穿过故障区的动态响应。在冲击力动力学分析方面，研究多是基于简化模型展开，主要集中在故障冲击特征模拟、动力学响应求解以及模型改进等方面。其中，TONDON等[6] 采用方波、三角波和半正弦波来模拟故障冲击特征，并通过解析法求解了动力学响应。之后，他们又将转子-轴承系统离散成一个三自由度弹簧-质量-阻尼系统，通过施加方波等系列冲击力对滚道和滚动体故障进行模 拟[7] 。甄满[8] 考虑重力、不平衡力、油膜力和不对中力的作用，采用Newmark-β方法求解运动微分方程， 获得双跨转子系统的振动响应。在此基础上，又相继催生出集中质量法、分段函数法、能量法及有限元法等衍生方法[9-11] ，为复杂系统的动力学分析提供了多样化工具。同时，学者们还引入了游隙、载荷分布及阻尼等影响因子[12, 13] ，显著提升了模型对故障动力学特性的表征能力。

　　在动态模型动力学分析方面，主要是揭示滚动体与故障区的几何关系和运动轨迹。其中，新南威尔士大学的SAWALHI等[14] 率先构建了弹簧-质量- 阻尼模型，并通过高精度曲线拟合技术成功模拟了滚动体穿过故障区时的动态特性。此后，学者们通过改进轴承动力学建模方法和几何模型，系统揭示了含故障的轴承动态响应机理，如胡爱军等[15] 考虑滚动体与故障的相对几何关系，提出了时变接触变形与时变刚度耦合的滚动轴承故障非线性动力学模型。吝水林等[2] 提出一种考虑滚动体与故障区空间接触相关性的新型动力学建模方法，揭示了滚动体通过故障区时的接触力、位移及振动响应的动态变化。曹宏瑞等[16] 以Gupta圆柱滚子轴承复杂动力学建模方法为基础，考虑外圈的运动建立了中介轴承动力学模型，通过试验对模型进行了验证。其他学者在不同应用领域的研究成果也大大提升了轴承故障模拟精度，解决了故障特征统计分布等一系列技术难题[17, 18] 。

　　尽管学者们在故障动力学建模及其响应特性方面取得了一系列研究成果，但现有方法仍存在局限：一是当前建模体系主要针对通用单列轴承，现有动力学理论向四列滚子轴承迁移时的适配性不足，如单列深沟球轴承动力学理论未能有效解决轧机专用四列滚子轴承这类复杂结构的故障动力学问题[19] ； 二是现有方法在接触刚度系数、阻尼比等动力学模型关键参数的选取及确定方面大多采用实验室测试数据[20] ，而模拟四列滚子轴承所承受的轧制工况难度较大，如轧制载荷波动、冷却水侵袭以及润滑脂流失等复杂工况。因此，现有模型在四列滚子轴承中的应用难以保障其真实性和有效性，特别是对于板带轧机特有的变规格轧制过程，现有模型的动态参数自适应能力不足问题更为突出。本文以轧机四列滚子轴承为研究对象，建立了多载荷激励下轧机轴承的故障动力学模型，并搭建了工业测试平台，采集了完整轧制周期内轴承的动态数据，以工程数据为训练集验证了动力学模型的精确性和有效性，进一步完善了动力学建模的理论体系。

　　由第1.1节分析可知，轧机轴承激励载荷模型是一个高度复杂的多物理场耦合动力学系统，其完整建模需要系统考虑三类关键激励源：① 基础 静态激励，包括沿辊身非线性分布的轧制力、液压弯辊系统产生的对称弯辊力、以及轴向锁紧装置提供的约束反力；② 动态激励分量，主要涉及由带钢厚度波动引起的低频辊缝周期性激励和咬钢/抛钢瞬态过程产生的高频冲击载荷；③ 非稳态工况下的外在激励，其中以轧辊交叉工况最为典型—当工作辊与支撑辊轴线的交叉角超过某一阈值时，会引发显著的轴向推力，该力与支承反力形成的力偶效应会导致轴承出现严重的偏载效应，进而诱发保持架断裂、滚道剥落等系列故障。 因此，本节重点分析轧辊交叉引发的轴向力激励载荷模型。