天津大学团队跨界解决轴承摩擦特性评估难题

天津大学机械工程学院任成祖教授团队通过跨界创新，提出了一种基于动能定理的滚动轴承当量摩擦系数测量方法，成功解决了传统轴承摩擦特性评估中存在的关键难题。该研究灵感来源于陀螺旋转游戏，将机械工程与物理学原理深度融合，实现了摩擦性能评价维度的突破性跨越。传统方法依赖摩擦力矩传感器直接测量，但存在工况依赖性强、离散性大、稳定性差等问题，尤其难以区分高精密轴承间极其微小的摩擦差异。任成祖团队受陀螺减速过程能量耗散现象的启发，设计了一种让轴承高速旋转直至自然停止的装置，通过高精度磁栅角速度传感器捕捉整个减速过程的转速变化，将动能损耗转化为时间维度的量化分析，从而建立起摩擦力矩与动能变化的精确数学关系。这种方法无需轴承保持匀速转动，避免了传统力矩传感器“精度与量程不可兼得”的矛盾，将测量精度提升1-2个数量级，首次实现了同一批次高精度轴承摩擦性能的可靠排序。具体技术创新包括：1. 原理性突破：从能量耗散角度重构摩擦评估逻辑，提出无量纲的“当量摩擦系数”概念，将复杂的滚动轴承摩擦行为转化为动能连续耗散过程的定量表征。2. 装置设计革新：通过巧妙的结构设计模拟陀螺运动，使轴承在自由减速工况下完成测试，无需外部加载设备，大幅简化了测量流程。3. 传感器替代方案：采用高精度磁栅角速度传感器替代传统力矩传感器，既保证了微秒级时间分辨率，又避免了力矩传感器的固有缺陷。该研究成果已发表于国际期刊《Friction》并被选为封背文章，相关技术已获中国发明专利和日本专利授权，得到国家重点研发计划（2018YFB2000401）和国家自然科学基金（51935008、52175430）支持。其实际应用价值体现在：空天领域：为卫星动量轮、惯性导航系统等精密仪器的高可靠性轴承研发提供了精准测试手段，有助于降低极端环境下的能量损耗。新能源汽车：可用于评估电机轴承的动态摩擦特性，提升动力系统效率和寿命。产业升级：推动我国轴承行业从“制造”向“智造”转型，助力关键基础零部件自主可控战略目标的实现。值得关注的是，团队通过这种跨学科思维，将日常生活中的物理现象转化为工程解决方案，为解决复杂机械问题提供了新范式。目前该方法已在实验室环境中实现稳定验证，未来有望在航空航天、高端装备制造等领域形成规模化应用。