保持架打滑率是反映高速滚动轴承工作状态的重要指标。常规的电涡流、高速摄像等手段，存在精度低、可靠性差、结构改动大、需额外安装空间等缺点，难以用于高速旋转机械（例如航空发动机等）支承系统工作状态的在线实时监测。

近日，清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室韩勤锴副研究员与意大利米兰理工大学博士生高帅（清华大学访问博士生）共同提出了基于整体式保持架的高精度、自供能摩擦电轴承打滑传感器（high-precision, self-powering triboelectric bearing skidding sensor, HP-TEBSS），用于轴承保持架打滑率的在线实时监测，并在航发高速双转子模拟试验台上进行应用展示。HP-TEBSS完全不影响轴承原本结构和动力学特性。试验样机由一个叉指电极板、一个具有突出表面的介电环和一个固定环组成。粘贴在整体保持架侧面的介电环与保持架同步旋转，扫掠叉指电极。浮动自由层模式确保了打滑传感器的稳定性和可靠性。HP-TEBSS结构如图1所示，关键部件的SEM微观结构说明，相比较滑动自由层的模式，HP-TEBSS具有较高的预期寿命。

图1 HP-TEBSS结构图：（a）爆炸图；（b）装配步骤；（c）电极及介电环微观结构；（d）对比滑动自由层式的微观结构

基于HP-TEBSS样机，测试了输出电压和电流随负载电阻的变化，讨论了设计参数（包括介电层材料、电极对数、浮动自由层间隙等）对输出特性的影响。通过负载电容充电以及对微型耗能器件的有效驱动，表明所提出的HP-TEBSS具有自传感和自供能特性。基于变转速变载荷轴承试验台使用HP-TEBSS对角接触轴承的打滑特性和稳定性做了详细分析。HP-TEBSS 产生的瞬时保持架转速信息是商用电涡流传感器的 Ne（电极指对数）倍，这两个传感器对打滑结果的测量偏差小于 1%，如图2所示。这显示了所提出传感器的先进实时性能和监测精度。图2 的打滑测量结果表明，在轻载范围内，轴承打滑程度随转速的增加呈增加趋势，而在重载范围内则相反。HP-TEBSS能够获取更精确的保持架转速波动情况，有利于轴承运行稳定性实时评估。

此外，文章中讨论了HP-TEBSS在航发高速双转子模拟试验台上的应用，如图3所示。研究发现，由于保持架惯性，与加速阶段相比，保持架打滑在减速阶段表现出一定程度的滞后。同时HP-TEBSS在极端转速和变转速工况下的有效性得到了验证。

图2 打滑测试机HP-TEBSS精度讨论：（a）测试系统，（b）打滑程度结果（c）HP-TEBSS与商用传感器测量偏差，（d）保持架瞬时转速信息，（e）保持架稳定性分析，（f）打滑程度测试结果与KH-TEHD模型计算结果，（g）KH-TEHD模型计算的保持架转速波动

图3 HP-TEBSS在航发试验台上的应用：（a）应用示意图，（b）航发试验台，（c）电流频率响应，（d）打滑结果，（e）变转速下输出电流，（f）变转速下保持架特征时频图

上述研究成果已在《纳米能源》(Nano Energy)上在线正式发表，题为“基于摩擦电的高精度自供电保持架打滑传感器及其在航空发动机主轴承上的应用”（Triboelectric based high-precision self-powering cage skidding sensor and application on main bearing of jet engine）。参与研究工作的人员还包括：清华大学机械系2019级硕士生蒋子元、中国航发集团发动机研究院张学宁研究员、意大利米兰理工大学Paolo Pennacchi教授和清华大学机械系褚福磊教授。此项研究得到了国家自然科学基金以及摩擦学国家重点实验室基金的资助。

论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285522004657