1.1引言
本課題的研究來源於國家自然科學基金（青年）項目(No50905039)和黑龍江省自然科學基金麵上項目(NoE200924)。
在研製電動仿真轉台過程中，為使仿真轉台達到總體技術要求，必須解決的理論及關鍵技術為：(1)具有高剛慣比和高諧振頻率的機械係統結構優化理論及設計方法；(2)具有高剛慣比和高抗傾覆能力的支承係統技術。正如哈爾濱工業大學控製與仿真中心的中國工程院王子才院士在2003年全國係統仿真學術年會的特邀報告中所述，鋼絲滾道球軸承軸係支承即包含此理論和技術。
近10來年，鋼絲滾道球軸承被廣泛地應用於大型雷達天線和飛行器仿真轉台等國防科技領域、數控回轉工作台、建築機械、醫療器械以及紡織工業。這種支承以其徑向尺寸大、軸向尺寸小的結構特點最大限度地減輕了軸係的質量（約50%）和轉動慣量，成為解決許多存在幾何空間限製、質量約束、慣量約束條件下的工程設計與製造等方麵問題的優選方案。
該類軸係支承可同時承受軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩及其組成的多種形式的複合載荷，然而，殘餘不平衡力矩以及接觸體間循環交變的接觸應力往往導致疲勞、磨損及點蝕在鋼絲滾道表麵發生，影響係統的運轉平穩性和回轉精確度。針對該問題的出現，目前國內外尚無妥善的解決辦法，通常的處理辦法隻是更換新的鋼絲滾道。但由於其係統結構龐大，更換操作給人力和物力造成了巨大的困難。因此，迫切需要尋求新的技術和方法改善這種局麵。
本課題以某型號飛行器仿真轉台的鋼絲滾道球軸承軸係支承係統為研究背景，對鋼絲滾道球軸承的預緊及其複雜的接觸問題進行理論及試驗研究，為某型號飛行器的研製起到關鍵作用，具有重要的國防、經濟和社會效益。同時，本課題具有一定的學術理論意義和較高的實際應用價值，將為鋼絲滾道球軸承更廣泛的應用提供科學的理論和實驗依據。
1.2鋼絲滾道球軸承的特點及應用
1.2.1鋼絲滾道球軸承的結構及特點
選用大型軸係支承時應考慮到很多因素，諸如使用壽命、負荷、轉速、空間限製、支承結構、工作環境、密封、潤滑、安裝拆卸、軸承精度以及成本等。
與常規滾動軸承一樣，鋼絲滾道球軸承的組件也是內環座圈、外環座圈、滾動體和保持架，不一樣的是，鋼絲滾道球軸承有專門的滾道——鋼絲。其結構原理如下：
(1)鋼絲滾道球軸承的內、外環框架基體用高強度的輕體合金材料。硬鋁和超硬鋁等，能夠有效降低軸承重量和轉動慣量。其外環由兩部分組成，分為上下外環，上下外環之間必須施加預緊力，以確保整個軸承在運轉過程中球與鋼絲之間不會因為受到傾覆力矩的作用而產生間隙。預緊力的大小由軸承滾動體和鋼絲之間的預緊量確定，鋼絲滾道球軸承軸係的預緊是本文重點研究的內容之一。
(2)采用四圈鋼絲作為滾動體四點接觸滾道，鋼絲選用高硬度的彈簧鋼，以保證一定的接觸剛度。盡量提高鋼絲的硬度，不僅有利於提高鋼絲滾道球軸承的承載能力，還可以減少接觸疲勞和磨損。
(3)鋼絲滾道球軸承的滾動體選用標準軸承球，屬於密珠軸承，但不屬於滿裝軸承，應采用保持架將球間隔開。工程中盡量增加球的數目，因其具有誤差均化效應，故可以提高軸係的回轉精度和支承剛度。
(4)鋼絲滾道球軸承的壓力角為45°，因為在這種情況下其各個方向的性能吻合是最佳的，除能承受各方向負荷外，還具有經長時間運轉後仍能保持軸向-徑向遊隙幾何尺寸等比配合的特點。
另外，鋼絲滾道球軸承具有許多優點。下：
由於鋼絲滾道球軸承是一種非標準部件，具有軸向尺寸小、徑向尺寸大的特點，其節圓直徑可以為150~3000mm，甚至更大，所以可以讓工程設計人員獲得很大的自由設計空間，而不必受到普通標準軸承的尺寸標準的約束。另外，使用材料也可自由選擇，比如可以選用高性能的複合材料、高強度碳素纖維以及複合陶瓷等。
在設計中，軸與軸承內環、軸承外環與轉台基座為一體化設計，避免了配合表麵引起的低接觸剛度問題。同時，各個組件在製造過程中一次裝夾加工成型，製造精度高，結構十分緊湊。
在相同的承載能力下，由鋼絲滾道球軸承組成的軸係重量僅為常規標準軸承軸係重量的二分之一。故在對軸係的剛度/轉動慣量之比要求很嚴格的情況下，比如在某型號飛行器三軸仿真轉台的軸係設計中，鋼絲滾道球軸承便得到無可替代的廣泛應用，有效地減小了係統的轉動慣量。
鋼絲滾道球軸承可以同時承受軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩及其組成的各種複合載荷作用，然而中小軸承則往往是多套軸承配合使用，借以分別承受不同的負荷。由於鋼絲滾道球軸承的徑向尺寸很大，因此具有很強的抗傾覆能力。
鋼絲滾道球軸承的承載滾動體和滾道為球和鋼絲，安裝時可以對單個軸承進行預緊。預緊調節主要是通過修磨調整墊片的厚度來實現的，操作中隻需鬆緊預緊環上的螺栓來拆裝調整墊片，其它組件不會受到影響，非常方便。
在運行過程中鋼絲滾道最容易發生破壞，但由於鋼絲滾道球軸承重新部署的靈活性相當好，一旦出現故障，隻需更換損壞的鋼絲滾道便可，從而減少了其它部件消耗的費用，節約了維修經費，具有較高的經濟價值。
然而，鋼絲滾道球軸承在實際工程也存在一定的缺點：
(1)軸承預緊的調節嚴重依賴於工程人員的個人經驗，過鬆導致間隙太大影響精度和承載能力，過緊導致接觸區發生塑性變形而損壞軸承。
(2)作為滾道的鋼絲容易發生磨損及點蝕。
(3)高速運動導致磨損加劇，因此在工業和軍事設備中采用的大型鋼絲滾道球軸承往往是運轉速度低並且是間斷性工作的。根據實際工程經驗，其轉速應低於150r/min。
1.2.2鋼絲滾道球軸承的應用領域
滾動軸承作為一種常見的機械元件已有100多年的曆史。自從鋼絲滾道球軸承被發明以來，它便以其剛/慣比大、抗傾覆能力強、回轉精度高以及製造精度容易保證等特征日益被設計人員認識並接受，尤其是近10來年，鋼絲滾道球軸承已被越來越廣泛地應用於各個行業和領域。
1.3鋼絲滾道球軸承的國內外發展現狀
據文獻報道，鋼絲滾道球軸承最早出現於1930年，然而目前找不到相關文獻的佐證。鋼絲滾道球軸承在大型軸承中占有重要的位置，國外把外徑400mm以上的軸係支承統稱為大型軸承，而我國習慣叫為特大型軸承。因此，以下從國外和國內對鋼絲滾道球軸承的發展和應用方麵予以概述。
1.3.1鋼絲滾道球軸承的國外發展狀況
1965年，英國的Cosens開始了對鋼絲滾道球軸承的相關研究。
1970年，英國的David James Townsend和Claude Mortimer Townsend申請了一項鋼絲滾道球軸承的發明專利。
1972年，瑞典的Karl-Erik Arnold Jonsson和Brundelloch Johsson在其發明專利中描述了一種內外滾道非等距的結構設計。
1977年，德國的Johannes Bertram和Heinz Wolzenburg申請了中心自由單列球軸承的發明專利。
1979年，英國的Cosens經過14年的經驗積累後，注冊了JCEngineering公司專門生產鋼絲滾道球軸承。該公司被認為是當時世界上唯一隻進行鋼絲滾道球軸承的設計、生產及應用的公司。JCEngineering公司主要為客戶提供直徑在150~2000mm的鋼絲滾道球軸承，也承接某些特殊客戶有超大直徑需求的訂單。其目的是為了在獲得大徑向尺寸、小軸向尺寸的軸承的同時提高軸承回轉精度並最大限度降低軸承質量和慣量。他們在生產研究中發現製造鋼絲滾道球軸承最關鍵的問題是製造作為滾道的鋼絲。這主要是因為鋼絲受滾動體擠壓陷入具有很嚴重的接觸摩擦現象，這種接觸摩擦是因為材料由於受到正壓力而在接觸麵上產生不同的橫向位移而導致的。