天津大學團隊跨界解決軸承摩擦特性評估難題

中國教育報-中國教育新聞網訊（記者 陳欣然 通訊員 陳思 劉曉艷）兩個陀螺同時轉動，哪個先停下來？很多孩子都玩過的陀螺游戲，竟意外成了天津大學機械工程學院任成祖教授課題組跨界解決軸承摩擦特性評估難題的靈感。近日，相關研究成果以“基于動能變化測量滾動軸承的當量摩擦系數”為題發表在國際著名期刊《摩擦》上，并被選中為封背。

作為以高精度滾動軸承超精密加工技術與裝備研究見長的教授，任成祖在科研中遇到一個難題：在太空等極端環境，高精密軸承的摩擦越少、能量的損耗越小越好。但同一條生產線上產出的幾乎一模一樣的超高精密軸承，哪個的摩擦性能更好一些？他發現，使用傳統的摩擦力矩傳感器評測滾動軸承的摩擦性能存在工況依賴性強、離散性大、穩定性差等問題，無法區分出高精密軸承摩擦性能極為微小的差異。

受陀螺旋轉游戲的啟發，團隊提出了一種基于動能定理的滾動軸承當量摩擦系數的測量方法。“就像不同設計品質的陀螺停止總有先后，能量的耗散也就是摩擦做功可以隨時間反映出來。而人類對時間的測量是可以極其精準的，這就是此研究的關鍵一環。”任成祖解釋說。

團隊成員從使用評估的角度出發，思考如何設計出在空天、新能源汽車等領域具有更高服役可靠性和極端工況適用性的高精度軸承。他們通過精巧的裝置設計，使軸承像陀螺一樣高速旋轉直至停下，整個過程中以時間為中介，巧妙地搭建起動能損耗和摩擦力矩的測算關系，最終實現摩擦特性的評估。

據悉，傳統上往往使用平衡法、傳遞法等直接測量摩擦力矩，測量中需要軸承保持勻速轉動，并且受限于力矩傳感器的精度和操作等影響。本研究放棄直接測力矩，從能量角度入手，使用高精度磁柵角速度傳感器，通過觀察減速過程，捕捉動態的摩擦特性，揭示出軸承摩擦特性隨轉速動態變化的規律。基于此，團隊可以用一個無量綱系數——當量摩擦系數綜合評價不同軸承的摩擦表現，成功將同一批次的十個高精度軸承按摩擦性能進行了排序，多次驗證均得到相同結果，這是傳統方法無法實現的。新方法大幅提升了軸承摩擦性能的測量精度，為推動產業進一步升級、助力我國實現關鍵基礎零部件自主可控奠定技術基礎。

文章通訊作者是何春雷副教授和任成祖教授，第一作者是團隊博士畢業生吳盤龍，現已就職于哈爾濱工業大學鄭州研究院基礎件與摩擦學研究所。相關研究受到國家重點研發計劃支持，“滾動軸承摩擦學表征新方法”已授權日本專利和中國發明專利。