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兩個(gè)陀螺同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，哪個(gè)先停下來(lái)？很多孩子都玩過(guò)的陀螺游戲，竟意外成了天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院任成祖教授課題組跨界解決軸承摩擦特性評(píng)估難題的靈感。近日，相關(guān)研究成果以“基于動(dòng)能變化測(cè)量滾動(dòng)軸承的當(dāng)量摩擦系數(shù)”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《摩擦》上，并被選中為封背。

這位以高精度滾動(dòng)軸承超精密加工技術(shù)與裝備研究見(jiàn)長(zhǎng)的教授，在科研中遇到一個(gè)難題：在太空等極端環(huán)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(chǎn)線(xiàn)上產(chǎn)出的幾乎一模一樣的超高精密軸承，哪個(gè)的摩擦性能更好一些？

任成祖教授發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)的摩擦力矩傳感器評(píng)測(cè)滾動(dòng)軸承的摩擦性能存在工況依賴(lài)性強(qiáng)、離散性大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，無(wú)法區(qū)分出高精密軸承摩擦性能極為微小的差異。受陀螺旋轉(zhuǎn)游戲的啟發(fā)，任成祖教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于動(dòng)能定理的滾動(dòng)軸承當(dāng)量摩擦系數(shù)的測(cè)量方法。

“就像不同設(shè)計(jì)品質(zhì)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(shí)間反映出來(lái)。而人類(lèi)對(duì)時(shí)間的測(cè)量是可以極其精準(zhǔn)的，這就是此研究的關(guān)鍵一環(huán)。”任成祖教授解釋說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)成員從使用評(píng)估的角度出發(fā)，思考如何設(shè)計(jì)出在空天、新能源汽車(chē)等領(lǐng)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(guò)精巧的裝置設(shè)計(jì)，使軸承像陀螺一樣高速旋轉(zhuǎn)直至停下，整個(gè)過(guò)程中以時(shí)間為中介，巧妙地搭建起動(dòng)能損耗和摩擦力矩的測(cè)算關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)摩擦特性的評(píng)估。“可能正因?yàn)椴皇俏覀兊闹饕芯款I(lǐng)域，才能夠用破界思維，摒棄傳統(tǒng)測(cè)量方法尋求答案。”任成祖教授說(shuō)。

據(jù)悉，傳統(tǒng)上往往使用平衡法、傳遞法等直接測(cè)量摩擦力矩，測(cè)量中需要軸承保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)力矩，從能量角度入手，使用高精度磁柵角速度傳感器，通過(guò)觀(guān)察減速過(guò)程，捕捉動(dòng)態(tài)的摩擦特性，揭示出軸承摩擦特性隨轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律。基于此，團(tuán)隊(duì)可以用一個(gè)無(wú)量綱系數(shù)——當(dāng)量摩擦系數(shù)綜合評(píng)價(jià)不同軸承的摩擦表現(xiàn)，成功將同一批次的十個(gè)高精度軸承按摩擦性能進(jìn)行了排序，多次驗(yàn)證均得到相同結(jié)果，這是傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

新方法大幅提升了軸承摩擦性能的測(cè)量精度，為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步升級(jí)、助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件自主可控奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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(tuán)隊(duì)博士畢業(yè)生吳盤(pán)龍，現(xiàn)已就職于哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭州研究院基礎(chǔ)件與摩擦學(xué)研究所。相關(guān)研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB2000404）支持，“滾動(dòng)軸承摩擦學(xué)表征新方法”已授權(quán)日本專(zhuān)利和中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利。