《Nano Energy》：High-sensitivity monitoring of abnormal vibrations and outer-ring fault localization for rolling bearings
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提出了一种基于三端摩擦纳米发电机的高灵敏度轴承异常振动传感器（BAVS），可全周向检测并定位外环故障。BAVS通过双弹簧振动模块抑制重力影响，实验表明其0-500Hz范围内灵敏度达16.3 V·g?1，误差低于1.3%。结合双域时间频率融合网络（DTFNet），实现100%故障模式识别和定位。为工业轴承主动预警提供新范式。
Jihui Yin|Chengyuan Zhou|Ruoshui Liu|Hengyu Li|Ningning Zhou|Le Gu|Zheng Yang|Yunpeng Cao|Tinghai Cheng|Xiaojun Cheng
东北林业大学机械与电气工程学院，中国哈尔滨 150040
摘要
及时检测滚动轴承中的异常振动对于确保设备可靠运行和实现早期故障预警至关重要，然而，具有高灵敏度和易于部署的传感解决方案以及故障定位能力仍然是一个挑战。本文提出了一种基于摩擦电纳米发电机（TENG）的高灵敏度轴承异常振动传感器（BAVS），该传感器可以方便地安装在滚动轴承的轴向外表面。BAVS集成了三个以相等角度间隔排列的TENG振动传感单元（TEVU），能够实现全周向的异常振动检测和外圈故障的定位。每个TEVU结合了一个定制的双弹簧振动模块（DSVM）和一个TENG传感模块（TESM），在任意周向布置的情况下都能保证高精度检测，并减轻重力对精度的影响。实验结果表明，该传感器能够高灵敏度地检测到由故障引起的周向振动。BAVS的工作频率范围为0–500?Hz，峰值灵敏度为16.3?V·g?1?，并且在300–8400?rpm的转速范围内振动测量误差保持在1.3%以下。此外，还开发了一种两阶段故障模式识别和定位流程，其中提出的双域时频融合网络（DTFNet）在构建的数据集上对四种典型的模拟轴承故障模式实现了100%的分类准确率。这种基于TENG的BAVS为轴承的主动周向早期故障预警提供了一种新的方法，并显示出在实际工业应用中的巨大潜力。
引言
在智能运维和工业4.0的背景下，作为先进设备的关键基础组件，滚动轴承被广泛应用于风力涡轮机[1]、电动主轴[3]、汽车[5]、高速列车[7]和航空发动机[9]等领域。它们的运行状态直接决定了整个机器的可靠性、安全性和使用寿命。在这些关键设备中，滚动轴承通常在高速、重载、变化的工作条件和恶劣的环境下运行，因此容易受到初始损伤。如果这些损伤没有及时被发现，可能会迅速发展成灾难性故障，导致重大的经济损失甚至安全事故[10]。因此，对滚动轴承运行状态的实时在线监测，特别是早期故障预警，已成为迫切的需求。
振动信号是滚动轴承动态行为和健康状况最直接和敏感的指标之一[11]。通过分析特征频率和振幅，可以有效地识别和诊断各种滚动轴承故障。常见的滚动轴承振动监测方法包括压电加速度计[12]、涡流传感器[14]、声发射传感器[15]和激光振动测量[18]。尽管在工程实践中取得了显著进展，但这些技术仍面临挑战，包括依赖外部电源、方向感知能力有限以及环境适应性差等问题，这些因素限制了它们在复杂工作条件下的长期在线监测能力。
作为一种新兴的发电技术，摩擦电纳米发电机（TENG）为振动监测提供了有前景的途径[19]、[20]、[21]。2012年，Wang的研究团队首次提出了TENG的概念，该技术通过摩擦电效应和静电感应将低级机械能转换为电能[22]、[23]。由于设备结构简单、操作模式多样、材料选择灵活以及易于微型化和集成，TENG已被广泛用于高熵能量收集[24]、[25]、[26]和自供电传感[28]、[29]、[30]、[31]。在传感应用中，TENG已被用于振动监测[32]、[33]、环境监测[34]、化学检测[36]和可穿戴健康监测[38]。近年来，基于TENG的器件也被应用于先进设备的状态监测。例如，Cui等人报道了一种具有多尺度蜂窝结构的盘状TENG，可用于10–2000?Hz范围内的加速度检测，并通过集成专用电路实现了无线振动检测[39]。Zhang等人开发了一种具有频率自适应和可调频域特性的摩擦电振动传感器，适用于机床主轴，其在2–60?Hz范围内表现出良好的输出响应，并能够在实际的数控机床上实现无线振动监测[40]。Mehamud等人提出了一种基于弹簧支撑介电层的振动传感器，可以实现0–1200?Hz范围内的振动监测，并成功提取了滚动轴承的振动信号[41]。Zhang等人开发了一种用于滚动轴承的压电能量收集器，具有自供电的状态监测功能[42]。Qin等人报道了一种具有自感知和自供电功能的混合摩擦电-压电智能鼠笼式传感器，用于滚动轴承监测[43]。Li等人报道了一种灵敏度为1.154?V·g?1的柔性振动传感器，并在工业设备上进行了监测演示[44]。尽管取得了上述进展，现有研究主要集中在传感器级别的性能优化，并且主要依赖于单向响应。然而，对于滚动轴承等旋转部件而言，振动特征本质上是多方向和空间分布的。因此，许多当前的设计无法准确捕捉真实的振动状态，这限制了在复杂工业环境中实现高度可靠的全方位振动监测。同时，滚动轴承的故障通常需要拆卸进行检查或更换，增加了维护成本，并限制了更精细的预测性维护。然而，传统的振动传感器通常只能提供局部响应信息，难以表征轴承周围的周向振动变化。对于外圈故障而言，这个问题尤为重要，因为其在轴承固定坐标系中的固定缺陷位置会导致周向局部的冲击响应。因此，全周向振动监测对于捕捉这种空间分布的振动信息以及实现外圈故障的周向定位至关重要。
在这项工作中，提出了一种高灵敏度的摩擦电BAVS，用于实时监测滚动轴承的异常振动。通过将三个TEVU以120°的间隔周向分布，BAVS能够实现异常振动信息的原位采集和外圈故障的周向定位。BAVS嵌入滚动轴承腔体内，并环形集成在外圈上，允许在现场进行异常振动监测。特别设计的DSVM被用于扩展工作带宽并提高传感的稳定性和精度。研究了关键结构参数对输出性能的影响，并评估了关键传感指标，包括重复性、滞后、最小可检测限和信噪比（SNR）。建立了一个高速滚动轴承测试平台用于应用验证，以便在不同服务条件下评估输出特性。还开发了一种两阶段流程，通过集成DTFNet和周向定位决策逻辑来实现故障模式识别和定位。此外，还开发了一个实时滚动轴承状态监测和预警系统，以实现多种工作条件下的在线振动跟踪。总体而言，这些结果展示了所提出的BAVS在滚动轴承状态监测和早期故障检测方面的强大潜力。
BAVS的结构设计和工作原理
提出了一种在线BAVS，其中三个接触-分离模式的TENG单元通过外壳周向集成在滚动轴承的外圈上，从而实现长期和准确的监测。图1a示意性地展示了集成概念和潜在的应用场景。BAVS包括四个主要组件：外壳、外盖、DSVM和TESM。DSVM和TESM共同构成一个TEVU。图1b展示了BAVS的爆炸视图。
结论
总结来说，本文提出了一种高灵敏度的摩擦电滚动轴承异常振动传感器，用于原位、近源评估滚动轴承的异常振动。BAVS集成了三个以120°间隔分布的TEVU，能够在滚动轴承运行条件下实现分布式振动采集。得益于特别设计的双弹簧结构，该传感器在任意周向布置的情况下能够减轻重力对精度的影响。
BAVS的制造
BAVS的外径为120?mm，内径为68?mm，轴向宽度为18?mm。使用的是SKF 6213/C3轴承。外壳厚度为2?mm，通过3D打印制成；在外壳背面形成了一个环形固定法兰，用于将BAVS安装到滚动轴承上。支撑弹簧的线径为0.6?mm，弹簧直径为5?mm，弹簧长度为8?mm。配重块长18?mm，宽10?mm，其高度随...
作者贡献声明
Le Gu：验证、调查。
Zheng Yang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。
Yunpeng Cao：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。
Tinghai Cheng：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。
Chengyuan Zhou：撰写 – 初稿撰写、验证、调查。
Ruoshui Liu：验证、调查。
Hengyu Li：验证、调查。
Ningning Zhou：验证、调查。
Xiaojun Cheng：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了北京自然科学基金（编号L244004）和国家博士后研究资助计划（编号GZB20250349）的支持。
Jihui Yin于2013年在哈尔滨工业大学获得机械设计与理论博士学位。目前，他是东北林业大学机械与电气工程学院的副教授，研究方向为行星滚珠丝杠的摩擦学和汽车电子控制技术。
