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陀螺玩具啟發研究思路 天津大學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 作者：小王 點擊量：4226
天津大學機械工程學院的研究團隊，從中獲得啟發，提出了一種基于動能定理的滾動軸承當量摩擦系數測量方法，該方法成為了解決了軸承摩擦特性評估難題的重要手段。
軸承作為機械設備中的關鍵基礎零部件，雖看似普通，卻在眾多領域發揮著至關重要的作用，小到兒童玩具，大到航天工程。尤其是在空天、新能源汽車等領域，軸承直接決定了設備運行的穩定性。像是在太空等極端環境中，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準便是軸承摩擦特性，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、離散性大、穩定性差等問題，這導致了傳統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。
接觸過陀螺玩具的讀者應該會注意到，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，被認為品質更好。事實上，陀螺減速的過程本身是能量損耗的過程，更進一步說是摩擦做功的過程。天津大學機械工程學院的研究團隊，從中獲得啟發，提出了一種基于動能定理的滾動軸承當量摩擦系數測量方法，該方法成為了解決了軸承摩擦特性評估難題的重要手段。
研究團隊通過精確測量減速過程中軸承轉速隨時間的變化關系，來計算軸承摩擦耗能的功率。簡而言之就是將摩擦系數的測量轉化為對時間的測量。而人類對時間的測量是可以極其精準的，換言之只要構建出兩者之間的聯系，便可以實現更精準地測量軸承的摩擦特性。
天津大學公開的研究過程中提到，“研究團隊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”。
與傳統研究方法相比，這種方法放棄直接測力矩，轉而從能量角度入手，使用的設備是高精度磁柵角速度傳感器。而測試結果也十分可觀，團隊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，并且多次驗證均得到相同結果，這已經一定程度上大破了傳統方法存在的局限性。
而該成果也有望推動產業進一步升級，為我國實現關鍵基礎零部件自主可控奠定技術基礎提供助力。目前相關研究成果以“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。
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