科研進(jìn)展
蘭州化物所離-電式振動(dòng)傳感器在軸承潤(rùn)滑失效預(yù)警方面的研究獲新進(jìn)展
旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的可靠運(yùn)行高度依賴對(duì)軸承潤(rùn)滑的穩(wěn)定性，一旦潤(rùn)滑油膜破裂，摩擦副的直接接觸會(huì)迅速演化為劇烈磨損乃至設(shè)備損壞。因此，對(duì)軸承潤(rùn)滑早期退化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是針對(duì)高端旋轉(zhuǎn)裝備預(yù)測(cè)性維護(hù)的核心技術(shù)需求?；陔p電層（EDL）電容機(jī)制的離-電式振動(dòng)傳感器性能嚴(yán)重受制于介電層（離子凝膠）本征黏彈性的影響，尤其是聚合物鏈段內(nèi)的摩擦?xí)?yán)重阻礙離子向界面的遷移，導(dǎo)致傳感器靈敏度下降、響應(yīng)滯后，最終造成“傳感遲滯”，使微弱瞬態(tài)振動(dòng)特征信號(hào)無法被及時(shí)捕獲，難以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑失效的早期預(yù)警。
為解決上述問題，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室功能潤(rùn)滑材料課題組聯(lián)合西北師范大學(xué)王榮民教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于高單體濃度誘導(dǎo)的拓?fù)淅p結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與植酸（PA）介導(dǎo)氫鍵增塑相協(xié)同的合成策略，并利用數(shù)字光處理3D打印技術(shù)（DLP 3D）制備了表面具有微圖案的低遲滯性離子凝膠，以此為介電層組裝的振動(dòng)傳感器兼具超高靈敏度、毫秒級(jí)對(duì)稱響應(yīng)、以及微米級(jí)位移分辨能力等特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承潤(rùn)滑失效過程的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的狀態(tài)識(shí)別。
結(jié)果表明，優(yōu)選離子凝膠的遲滯率低至 6.7 ± 0.3%，基本上消除了傳統(tǒng)離子凝膠介電層的“傳感遲滯”問題。通過DLP 3D打印構(gòu)筑的微錐陣列結(jié)構(gòu)使傳感器靈敏度高達(dá)40,000 ± 8000 kPa?1，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間近乎對(duì)稱（89 ± 8 ms 與 92 ± 10 ms），循環(huán)10,000 次后能量耗散無明顯衰減，可清晰捕捉2-20 Hz、0-60 μm范圍內(nèi)的頻率與振幅信號(hào)，位移分辨率和頻率分辨率分別可達(dá)1 μm和0.5Hz。在油潤(rùn)滑下，連續(xù)油膜起到界面隔離與阻尼緩沖作用，振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)低幅特征；一旦油膜破裂進(jìn)入干摩擦狀態(tài)，粗糙峰直接接觸引發(fā)的微沖擊使得振動(dòng)幅值急劇變大，呈現(xiàn)典型失穩(wěn)特征（圖1）。對(duì)磨痕的三維輪廓進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同摩擦工況下磨痕寬度差異明顯且與振動(dòng)幅值變化高度相關(guān)，證明該傳感器具有對(duì)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)動(dòng)態(tài)演化的精確感知能力。在此基礎(chǔ)上，通過提取最大值、RMS、峰峰值、主頻、譜能量、STFT 等時(shí)頻特征，構(gòu)建了CNN+SVM混合機(jī)器學(xué)習(xí)模型，在5折分層交叉驗(yàn)證下實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑狀態(tài)識(shí)別總體準(zhǔn)確率達(dá)90.0% ± 11%。少數(shù)誤分類樣本恰好對(duì)應(yīng)油膜逐漸退化的過渡態(tài)，反映出該傳感器對(duì)潤(rùn)滑失效“過渡區(qū)”的敏銳捕捉能力，為潤(rùn)滑早期失效預(yù)警提供了理論依據(jù)。該傳感器在旋轉(zhuǎn)機(jī)械潤(rùn)滑失效預(yù)警、精密傳動(dòng)智能運(yùn)維等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，可助力高端裝備從“被動(dòng)維修”向“預(yù)測(cè)性自主維護(hù)”轉(zhuǎn)變的快速發(fā)展。
圖1. 離-電式振動(dòng)傳感器對(duì)軸承狀態(tài)的振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果與傳感機(jī)理
該研究成果以“3D Printed Topologically Entangled Ion Gel with Micro-cone Architectures for Ultrahigh Sensitivity Vibration Monitoring”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal（2026, 540, 177196）上，西北師范大學(xué)聯(lián)培博士生崔鵬為論文第一作者，蘭州化物所楊亞文助理研究員、西北師范大學(xué)王榮民教授和蘭州化物所王金清研究員為共同通訊作者。蘭州化物所為第一完成單位。
上述研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、甘肅省科技重大專項(xiàng)以及甘肅省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
