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陀螺玩具啟發(fā)研究思路 天津大學(xué)解決軸承摩擦特性評估難題
2025年06月04日 14:30:14
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：小王 點(diǎn)擊量：4803
天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究團(tuán)隊，從中獲得啟發(fā)，提出了一種基于動能定理的滾動軸承當(dāng)量摩擦系數(shù)測量方法，該方法成為了解決了軸承摩擦特性評估難題的重要手段。
軸承作為機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件，雖看似普通，卻在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，小到兒童玩具，大到航天工程。尤其是在空天、新能源汽車等領(lǐng)域，軸承直接決定了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。像是在太空等極端環(huán)境中，越高性能的軸承，意味著越低的能量損耗。而決定軸承性能的一個重要標(biāo)準(zhǔn)便是軸承摩擦特性，同批次的軸承，摩擦性能越好，精密度便相對越高。
但是想要評價軸承的摩擦性能卻并不容易。傳統(tǒng)的摩擦力矩傳感器在測量滾動軸承的摩擦性能時，存在工況依賴性強(qiáng)、離散性大、穩(wěn)定性差等問題，這導(dǎo)致了傳統(tǒng)方法無法分出高精密軸承摩擦性能的微小差距。盡管這對于一些常規(guī)的軸承使用場景，影響不大，但是對于涉及到高精密軸承，并且對于設(shè)備精度有較高要求的使用場景，卻有著較大的影響。這也是為什么尋找軸承摩擦特性評估新方法作為一個重要課題被業(yè)界重視。
而令人意想不到的是，陀螺這一大眾熟知的兒童玩具，竟成為了新方法誕生的一個重要契機(jī)。
接觸過陀螺玩具的讀者應(yīng)該會注意到，不同的陀螺減速過程快慢各不相同，一般情況下，減速過程越慢的陀螺，更受到小孩子的歡迎，被認(rèn)為品質(zhì)更好。事實(shí)上，陀螺減速的過程本身是能量損耗的過程，更進(jìn)一步說是摩擦做功的過程。天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究團(tuán)隊，從中獲得啟發(fā)，提出了一種基于動能定理的滾動軸承當(dāng)量摩擦系數(shù)測量方法，該方法成為了解決了軸承摩擦特性評估難題的重要手段。
研究團(tuán)隊通過精確測量減速過程中軸承轉(zhuǎn)速隨時間的變化關(guān)系，來計算軸承摩擦耗能的功率。簡而言之就是將摩擦系數(shù)的測量轉(zhuǎn)化為對時間的測量。而人類對時間的測量是可以極其精準(zhǔn)的，換言之只要構(gòu)建出兩者之間的聯(lián)系，便可以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)地測量軸承的摩擦特性。
天津大學(xué)公開的研究過程中提到，“研究團(tuán)隊從使用評估的角度出發(fā)，思考如何設(shè)計出在空天、新能源汽車等領(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。他們通過精巧的裝置設(shè)計，使軸承像陀螺一樣高速旋轉(zhuǎn)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(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)摩擦特性的評估”。
與傳統(tǒng)研究方法相比，這種方法放棄直接測力矩，轉(zhuǎn)而從能量角度入手，使用的設(shè)備是高精度磁柵角速度傳感器。而測試結(jié)果也十分可觀，團(tuán)隊成功將同一批次的十個高精度軸承按摩擦性能進(jìn)行了排序，并且多次驗證均得到相同結(jié)果，這已經(jīng)一定程度上大破了傳統(tǒng)方法存在的局限性。
而該成果也有望推動產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步升級，為我國實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件自主可控奠定技術(shù)基礎(chǔ)提供助力。目前相關(guān)研究成果以“基于動能變化測量滾動軸承的當(dāng)量摩擦系數(shù)”為題發(fā)表在國際著名期刊《摩擦》上，并被選中為封背。
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