滚动轴承是旋转设备中重要的基础零部件之一,其性能与寿命直接影响着装备的工作性能、可靠性和安全性。轴承热特性及其影响对轴承性能和寿命极为重要,目前对于滚动轴承工作温度进行精确的计算仍然是难点和热点问题,对轴承由于热导致的应力、变形、刚度特性变化以及转子系统振动影响理论与试验分析存在不足,对其规律认识存在许多空白,缺少针对性的试验手段。轴承热特性及其影响机理十分复杂,理论和技术研究也具有较大难度和挑战性。开展轴承热特性与振动特性与其试验研究,具有重要的科学意义和工程应用价值。本文以航空发动机主轴所采用的典型形式的圆柱滚子轴承为研究对象,开展了轴承热特性及热致轴承刚度与游隙变化下转子系统振动特性研究,采用理论分析与试验研究相结合的方法,主要完成了考虑热-固耦合效应的圆柱滚子轴承系统热分析模型、接触力学有限元分析模型和轴承热-时变刚度分析模型的建立,负载、转速、结构、环境、润滑和生热等对轴承温度、内外圈位移分布、滚道应力、刚度特性的影响研究,以及考虑轴承热致刚度与游隙变化的转子动力学模型建立、轴承热平衡过程中及热油作用下的由于刚度与游隙的变化对转子系统振动所产生影响等研究内容。所取得的主要研究成果如下:研究了轴承运行过程中生热与润滑、结构、安装、温度之间的耦合关系,建立了考虑热-固耦合效应的轴承系统热分析模型。在该模型中,采用了拟静力学法分析轴承各部件之间的运动与力学关系,利用局部法计算各摩擦表面之间的生热率,采用热网络法建立轴承系统温度微分方程组,实现了轴承瞬态温度的理论分析方法。搭建了轴承热特性试验台和测试系统,获得典型工况下的轴承瞬态温度变化特征,与理论计算结果进行了对比并验证了轴承温度计算模型的准确性。基于轴承热分析模型并与试验测试相结合,开展了轴承系统热特性的影响因素研究,分析了轴承热平衡过程中的生热特性与油膜厚度、游隙以及打滑率的变化,获得了转速、载荷、环境温度、结构参数、润滑参数等对轴承生热率及轴承温度的影响规律。结果表明:转速与润滑油温度对轴承生热率影响显著。在轴承热平衡过程中,油膜厚度先快速下降后逐渐稳定,游隙变化趋势主要与轴承内外圈的温差有关。转速与润滑油温度对轴承温度影响较大,载荷与环境温度对轴承温度影响较小。润滑油温度与流速过低都会导致轴承温度明显升高,载荷较小时游隙对轴承温度有较明显的影响。轴承内、外圈安装过盈量对轴承座和转轴温度有一定影响。分别建立了圆柱滚子轴承系统静态与动态分析有限元模型,引入所建立的轴承热分析模型,研究轴承在多个因素影响下的内外圈位移与滚道应力分布特性。载荷作用下轴承内外圈发生不规则的变形,套圈位移随角度呈现波动变化。热膨胀使轴承滚子与套圈滚道接触处应力明显增加。随着转速的增加轴承内外圈位移逐渐增加,润滑油温度过高或过低都会导致套圈位移与滚道应力明显增加,润滑油流速对套圈位移与滚道应力的影响不大。轴承热平衡过程中内外圈位移先迅速增加后逐渐稳定,并随角度呈现不同的变化趋势。基于轴承热分析模型,建立了轴承热-时变刚度计算模型,研究了转速、载荷、环境温度、结构、润滑等因素对轴承刚度的影响。采用对轴承施加增量载荷并测试内外圈相对位移的方式对轴承刚度进行辨识,试验研究了轴承热平衡过程中以及不同润滑油温度条件下的刚度特性。结果表明:润滑油粘度与油膜厚度的变化导致轴承刚度发生明显变化。轴承热平衡过程中刚度表现出强烈的非线性和时变特性,运行初期轴承刚度快速下降。启动状态下的轴承刚度会随转速的增大而增大;达到热平衡状态后,轴承刚度会随转速的增大而减小。加热润滑油对轴承刚度也有显著影响,随着油温的升高,轴承刚度迅速下降。建立了考虑轴承热致刚度与游隙变化的转子-轴承系统动力学模型,提出了基于转子振动响应的轴承刚度与游隙的辨识方法。通过转子系统振动的理论分析与试验研究,获得了轴承热平衡过程中以及不同润滑油温度条件下转子不平衡振动响应规律。结果表明:轴承热平衡过程中,转子不平衡振动幅值、轴承振动峰峰值与有效值均逐渐增加,轴承刚度逐渐降低,游隙变化不大。润滑油温度的升高会导致转子振动幅值逐渐降低,轴承刚度与游隙均明显减小,润滑油温度对轴承振动峰峰值与有效值也有明显影响。通过本文的研究,揭示了轴承运行时生热与热平衡过程的油膜与轴承刚度变化规律,获得了载荷、转速、结构、环境、润滑等因素对轴承内外圈变形和滚道应力的影响规律,进而揭示了轴承由于热效应所引起的刚度特性变化对转子系统振动特性的影响规律。本文成果可以为圆柱滚子轴承的热特性分析与静动力学分析以及转子系统的动力学分析提供理论与技术基础。