跨界解决轴承摩擦特性评估难题的天津大学团队

两个陀螺同时旋转，哪个先停止?天津大学机械工程学院任成祖教授课题组跨境解决轴承摩擦特性评估问题的灵感，是很多孩子玩过的陀螺游戏。近日，相关研究成果在国际著名期刊《摩擦》上发表，标题为“基于动能变化测量滚动轴承的当量摩擦系数”，被选为封背。

这位擅长高精度滚动轴承超精密加工技术和设备研究的教授，在科学研究中遇到了一个难题——在太空等极端环境下，高精度轴承的摩擦越少，能量损耗越小越好。但是同一条生产线上产生的几乎一模一样的超高精度轴承哪个摩擦性能更好?

任成祖发现，滚动轴承的摩擦性能存在工作条件依赖性强、离散性大、稳定性差等问题。由传统的摩擦力矩传感器评估，无法区分高精度轴承的摩擦性能极小的差异。受陀螺旋转游戏的启发，任成祖团队提出了一种基于动能定理的滚动轴承当量摩擦系数的测量方法。

“就像不同设计质量的陀螺总是停下来一样，能量的消耗也就是摩擦和工作可以随着时间的推移而反映出来。人类对时间的测量可以极其准确，这是这项研究的关键环节。”任成祖教授解释说。

从使用评估的角度来看，团队成员思考如何设计高精度轴承，在空天、新能源汽车等领域具有更高的服务可靠性和极端的工作条件适用性。通过精致的设备设计，他们像陀螺一样高速旋转轴承，直到停止。在整个过程中，他们以时间为中介，巧妙地构建了动能损耗和摩擦扭矩的计算关系，最终实现了摩擦特性的评估。“也许正是因为不是我们的主要研究领域，我们才能抛弃传统的测量方法，用破碎的思维寻求答案。”任成祖教授说。

据悉，传统上摩擦力矩通常采用平衡法、传输法等直接测量。在测量过程中，轴承需要保持匀速旋转，这受到力矩传感器的精度和操作的限制。

本研究放弃了直接测量扭矩，从能量的角度出发，利用高精度磁栅角速度传感器，通过观察减速过程，捕捉动态摩擦特性，揭示了轴承摩擦特性随转速动态变化的规律。基于此，团队可以对不同轴承的摩擦性能进行综合评价，无限纲系数——当量摩擦系数，成功对同一批次的十个高精度轴承的摩擦性能进行排序，并在多次验证后得到相同的结果，这是传统方法无法实现的。

据悉，该方法大大提高了轴承摩擦性能的测量精度，为推动产业进一步升级、帮助我国实现关键基础零部件自主可控奠定了技术基础。