科研進展
蘭州化物所離-電式振動傳感器在軸承潤滑失效預(yù)警方面的研究獲新進展
旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的可靠運行高度依賴對軸承潤滑的穩(wěn)定性，一旦潤滑油膜破裂，摩擦副的直接接觸會迅速演化為劇烈磨損乃至設(shè)備損壞。因此，對軸承潤滑早期退化的實時監(jiān)測是針對高端旋轉(zhuǎn)裝備預(yù)測性維護的核心技術(shù)需求。基于雙電層（EDL）電容機制的離-電式振動傳感器性能嚴重受制于介電層（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)乐刈璧K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)振動特征信號無法被及時捕獲，難以實現(xiàn)潤滑失效的早期預(yù)警。
為解決上述問題，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點實驗室功能潤滑材料課題組聯(lián)合西北師范大學(xué)王榮民教授團隊提出了一種基于高單體濃度誘導(dǎo)的拓撲纏結(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傳感器兼具超高靈敏度、毫秒級對稱響應(yīng)、以及微米級位移分辨能力等特性，實現(xiàn)了對軸承潤滑失效過程的振動監(jiān)測與機器學(xué)習(xí)輔助的狀態(tài)識別。
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40,000 ± 8000 kPa?1，響應(yīng)/恢復(fù)時間近乎對稱（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，位移分辨率和頻率分辨率分別可達1 μm和0.5Hz。在油潤滑下，連續(xù)油膜起到界面隔離與阻尼緩沖作用，振動信號呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)低幅特征；一旦油膜破裂進入干摩擦狀態(tài)，粗糙峰直接接觸引發(fā)的微沖擊使得振動幅值急劇變大，呈現(xiàn)典型失穩(wěn)特征（圖1）。對磨痕的三維輪廓進行分析，發(fā)現(xiàn)不同摩擦工況下磨痕寬度差異明顯且與振動幅值變化高度相關(guān)，證明該傳感器具有對軸承潤滑狀態(tài)動態(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 等時頻特征，構(gòu)建了CNN+SVM混合機器學(xué)習(xí)模型，在5折分層交叉驗證下實現(xiàn)潤滑狀態(tài)識別總體準確率達90.0% ± 11%。少數(shù)誤分類樣本恰好對應(yīng)油膜逐漸退化的過渡態(tài)，反映出該傳感器對潤滑失效“過渡區(qū)”的敏銳捕捉能力，為潤滑早期失效預(yù)警提供了理論依據(jù)。該傳感器在旋轉(zhuǎn)機械潤滑失效預(yù)警、精密傳動智能運維等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值，可助力高端裝備從“被動維修”向“預(yù)測性自主維護”轉(zhuǎn)變的快速發(fā)展。
圖1. 離-電式振動傳感器對軸承狀態(tài)的振動檢測結(jié)果與傳感機理
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科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、國家自然科學(xué)基金面上項目、甘肅省科技重大專項以及甘肅省自然科學(xué)基金等項目的支持。
