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警方面的研究獲新進展
旋轉機械設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)測是針對高端旋轉裝備預測性維護的核心技術需求?；陔p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的摩擦會嚴重阻礙離子向界面的遷移，導致傳感器靈敏度下降、響應滯后，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，難以實現潤滑失效的早期預警。
為解決上述問題，中國科學院蘭州化學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合西北師范大學王榮民教授團隊提出了一種基于高單體濃度誘導的拓撲纏結網絡結構與植酸（PA）介導氫鍵增塑相協同的合成策略，并利用數字光處理3D打印技術（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、以及微米級位移分辨能力等特性，實現了對軸承潤滑失效過程的振動監(jiān)測與機器學習輔助的狀態(tài)識別。
結果表明，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打印構筑的微錐陣列結構使傳感器靈敏度高達40,000 ± 8000 kPa?1，響應/恢復時間近乎對稱（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，呈現典型失穩(wěn)特征（圖1）。對磨痕的三維輪廓進行分析，發(fā)現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，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。在此基礎上，通過提取最大值、RMS、峰峰值、主頻、譜能量、STFT 等時頻特征，構建了CNN+SVM混合機器學習模型，在5折分層交叉驗證下實現潤滑狀態(tài)識別總體準確率達90.0% ± 11%。少數誤分類樣本恰好對應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，為潤滑早期失效預警提供了理論依據。該傳感器在旋轉機械潤滑失效預警、精密傳動智能運維等領域具有重要應用價值，可助力高端裝備從“被動維修”向“預測性自主維護”轉變的快速發(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，西北師范大學聯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院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金面上項目、甘肅省科技重大專項以及甘肅省自然科學基金等項目的支持。
