关节轴承是一种球面滑动轴承,在航空航天、工程机械、军工机械、交通运输机械等领域有广泛的应用。开展轴承的润滑力学研究、摩擦磨损性能研究以及磨损寿命预测等基础性研究工作,不仅具有重要的理论意义,而且对提高轴承的设计、制造质量,提升机械系统的安全性、稳定性和可靠性,具有实际的工程应用价值。论文以提高向心关节轴承的摩擦与润滑性能为目的,开展了轴承的润滑性能数值分析、摩擦表面织构的设计以及减摩效应实验、织构化表面的摩擦性能预测、轴承磨损寿命建模及预测等工作,以期为轴承的设计、制造及服役控制提供理论依据。首先,基于流体动力润滑理论建立了球坐标系下的关节轴承润滑力学模型,模型引入了轴承内圈的转动与摆动、轴颈的倾斜等各种复杂运动形式,并将润滑剂的非牛顿性因素纳入其中,推导出了具有普遍意义的Reynolds方程,为开展球面轴承非牛顿流体润滑数值分析提供了理论基础。其次,以Oswald流变模型为基础并结合上述润滑力学模型,对关节轴承的润滑问题进行了数值模拟研究,分析了轴承——润滑剂系统中各参数对轴承润滑性能的影响。建立了关节轴承的CFD (Computational Fluid Dynamics)模型,研究润滑剂空化效应对润滑性能的影响。第三,从表面形貌设计、制造以及性能评价角度开展了表面织构对关节轴承摩擦特性的影响研究。在关节轴承内圈球面上设计并使用激光制造了具有不同微观结构的织构表面,利用非接触式三维表面轮廓仪对织构表面进行检测,采用IS025178-2标准中的三维表征参数对表面织构进行三维表征,并研究了织构参数与表面三维表征参数的关系,确定对织构尺寸敏感的4个三维表征参数Ssk、Sku、Sdv和Vvv作为预测表面摩擦性能的基本参数。基于试验研究了轴承运行参数、表面织构参数、表面形貌三维表征参数对摩擦性能的影响,明确了以典型表征参数预测表面摩擦性能的可行性与有效性。同时,对二维Reynolds方程进行简化,采用数值计算方法,探讨了表面织构对轴承润滑性能的影响。最后,在多功能往复运动摩擦磨损试验机上开展了脂润滑条件下GCr15轴承钢的磨损实验,利用称重法得到了材料的磨损速度,采用拟合方法确定了线磨损率与表面压力的关系,得到了材料的工况条件系数。采用组合磨损计算方法,建立了关节轴承磨损寿命模型,推导出简便实用的磨损寿命计算公式,并根据实验数据和文献数据进行验证。本文的研究工作,从理论上分析了影响关节轴承润滑性能的各种因素,揭示了表面织构对于提高轴承性能的重要意义,以试验证实了表面织构应用于关节轴承的可行性和有效性,并以理论与实验结合的方法,得到了关节轴承磨损寿命计算公式。本文的研究成果,对关节轴承的基础研究提供了理论支持,并对其工业应用提供指导。