航空發(fā)動機作為現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠，其核心機械系統(tǒng)長期工作在高溫、高轉(zhuǎn)速、極端載荷的惡劣環(huán)境下。作為發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的關(guān)鍵支承部件，高速滾動軸承的動態(tài)性能與服役可靠性直接決定了整臺發(fā)動機的穩(wěn)定性、效率與壽命。其中，軸承“打滑”（Skidding）損傷與保持架運行失穩(wěn)是長期制約我國自主航空發(fā)動機裝備可靠服役的核心瓶頸問題。打滑現(xiàn)象主要指滾動體與滾道之間因潤滑條件惡化、載荷不足或慣性力作用，發(fā)生了非純滾動的宏觀滑動或陀螺旋轉(zhuǎn)。這種滑動會破壞潤滑油膜，導(dǎo)致滾道表面產(chǎn)生嚴重的擦傷、膠合甚至熔焊，急劇加速軸承失效。同時，作為滾動體的引導(dǎo)與分隔元件，保持架自身的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性至關(guān)重要。失穩(wěn)的保持架會產(chǎn)生劇烈的振動、與滾動體發(fā)生高頻碰撞，導(dǎo)致兜孔磨損、斷裂，進而引發(fā)災(zāi)難性后果。因此，對軸承打滑率與保持架運行狀態(tài)的精準、實時監(jiān)測，是預(yù)防故障、實現(xiàn)預(yù)測性健康管理（PHM）和保障發(fā)動機安全的首要前提。

一、 航空發(fā)動機軸承狀態(tài)監(jiān)測

長期以來，工程界與學(xué)術(shù)界對軸承狀態(tài)的監(jiān)測主要依賴兩大類方法：直接監(jiān)測法與間接監(jiān)測法。傳統(tǒng)的直接監(jiān)測方法力圖獲取保持架等部件的第一手運動信息，主要包括：

1. 光電測量法：利用激光或光電編碼器對準保持架上的標記物，通過光脈沖頻率換算轉(zhuǎn)速。該方法精度尚可，但對光學(xué)窗口潔凈度要求極高，發(fā)動機內(nèi)部油霧、污染物極易使其失效，且需在軸承座上開孔安裝，破壞結(jié)構(gòu)完整性。

2. 高速攝像技術(shù)：通過透明視窗記錄保持架運動，再進行圖像處理分析。此法能提供直觀的運動形態(tài)，但受限于高速攝像機的幀率和空間分辨率，在數(shù)萬轉(zhuǎn)每分鐘的航空發(fā)動機工況下難以清晰捕捉，且同樣面臨視窗污染和結(jié)構(gòu)入侵的問題。

3. 電渦流傳感器連續(xù)采集法：在保持架側(cè)面粘貼金屬片，通過非接觸測量電渦流脈沖頻率來獲取轉(zhuǎn)速。此法較前兩者更具工程實用性，但對安裝間隙極為敏感（通常要求小于1毫米），在高速重載下由熱變形和振動引起的間隙變化會嚴重影響測量精度甚至導(dǎo)致探頭擦碰。此外，在航空發(fā)動機緊湊的腔體空間內(nèi)，為電渦流傳感器尋找安裝位置和走線異常困難。

相比之下，間接監(jiān)測方法，尤其是振動加速度傳感器監(jiān)測，是目前最廣泛使用的技術(shù)。通過在發(fā)動機機匣外部安裝振動傳感器，采集包含豐富故障信息的寬頻振動信號，再通過頻譜分析、包絡(luò)解調(diào)等信號處理手段，試圖提取與軸承各部件（內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架）故障特征頻率相關(guān)的微弱成分。然而，該方法存在固有缺陷：振動信號從軸承故障點傳遞到機匣表面的傳感器，需經(jīng)過復(fù)雜的機械阻抗路徑，信號會被嚴重衰減、調(diào)制和混入大量背景噪聲。對于保持架公轉(zhuǎn)頻率這類低頻、低能量的特征信號，幾乎被淹沒在強大的轉(zhuǎn)子不平衡、齒輪嚙合等強振源之下，難以準確提取，更無法實現(xiàn)對其瞬時波動（穩(wěn)定性）的精確評估。

因此，傳統(tǒng)監(jiān)測方法在應(yīng)用于航空發(fā)動機軸承時，均面臨“測不準、裝不下、用不久”的困境。它們或破壞軸承-支座系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性與動力學(xué)特性，或受限于信號傳遞路徑而無法捕獲核心參數(shù)，難以滿足建立高保真航空發(fā)動機數(shù)字孿生體對數(shù)據(jù)源的苛刻要求。數(shù)字孿生體的核心在于虛實映射與迭代優(yōu)化，其物理實體模型的精度極度依賴于傳感數(shù)據(jù)的準確性與完備性。缺乏對軸承打滑率、保持架瞬態(tài)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵運動學(xué)參數(shù)的直接、精確測量，數(shù)字孿生體中關(guān)于軸承動力學(xué)的仿真模型就失去了校準與驗證的根基，導(dǎo)致虛擬模型與物理實體脫節(jié)，預(yù)測與決策的可靠性無從談起。

在此背景下，研究人員提出了一種高結(jié)構(gòu)完整性的新型航發(fā)軸承保持架運動直接傳感器，已成為打通數(shù)字孿生“數(shù)據(jù)閉環(huán)”的迫切需求。這種傳感器需具備以下特征：非侵入式集成，最大限度保持軸承原有結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性能；高精度與高響應(yīng)頻率，能實時捕捉保持架轉(zhuǎn)速的瞬時波動；自供能或極低功耗，適應(yīng)發(fā)動機內(nèi)部惡劣的電氣環(huán)境；高可靠性與長壽命，能與發(fā)動機大修周期匹配。近年來，基于摩擦納米發(fā)電機原理的傳感器技術(shù)，為解決這一難題提供了革命性的新思路。

二、 數(shù)字虛擬仿真驅(qū)動的新型傳感范式

數(shù)字孿生技術(shù)的崛起，不僅對數(shù)據(jù)采集提出了更高要求，也驅(qū)動了傳感技術(shù)本身向智能化、集成化、自供能化方向發(fā)展。摩擦電傳感器正是這一趨勢下的代表性產(chǎn)物，其核心是摩擦納米發(fā)電機。TENG基于接觸起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，將機械運動直接轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)了“機械能-電能-信息”的三重轉(zhuǎn)換，天生具備自供能和自感知的雙重屬性。

對于航空發(fā)動機軸承監(jiān)測這一特定場景，基于TENG的傳感器展現(xiàn)出了與傳統(tǒng)技術(shù)截然不同的核心技術(shù)優(yōu)勢，這些優(yōu)勢與數(shù)字孿生對傳感層的要求高度契合：

2.1 卓越的結(jié)構(gòu)兼容性與非侵入性

這是TENG應(yīng)用于航發(fā)軸承的最大優(yōu)勢。傳感器可以巧妙地利用軸承自身結(jié)構(gòu)作為其一部分。例如，清華大學(xué)團隊提出的方案，將帶有陣列式凸起的介電環(huán)固定在保持架側(cè)面作為“轉(zhuǎn)子”，將叉指電極板安裝在軸承座上作為“定子”，兩者構(gòu)成一個“浮動自由層”式TENG。這種設(shè)計無需對軸承套圈、保持架主體進行破壞性加工，僅作為附加組件存在，完全保持了軸承作為核心傳動部件的結(jié)構(gòu)完整性和承載能力。介電環(huán)與電極板之間保持非接觸式工作間隙（通常略大于保持架最大軸向竄動量），徹底避免了摩擦磨損，確保了傳感器的超長服役壽命。

2.2 直接、高精度的運動學(xué)信息輸出

TENG的輸出信號（電流或電壓）頻率與介電環(huán)掃掠電極的相對速度直接、嚴格相關(guān)。對于保持架傳感器而言，輸出信號的基頻就等于保持架的瞬時公轉(zhuǎn)頻率。相較于振動信號中需要復(fù)雜算法提取的微弱特征，TENG輸出的是一個強相關(guān)、高信噪比的直接測量信號。研究表明，基于TENG的保持架傳感器（HP-TEBSS）其信號頻率與商用高精度電渦流傳感器的測量結(jié)果偏差可小于1%，證明了其卓越的測量精度。更重要的是，它能夠提供遠比傳統(tǒng)傳感器密集的瞬時轉(zhuǎn)速信息，為分析保持架運行的動態(tài)穩(wěn)定性（轉(zhuǎn)速波動）提供了前所未有的數(shù)據(jù)粒度。

2.3 自供能特性與系統(tǒng)簡化潛力

TENG在傳感的同時，能夠?qū)⑤S承運行中不可避免的微小機械能（如保持架的振動、轉(zhuǎn)動）轉(zhuǎn)化為電能。其產(chǎn)生的電能雖然功率級別在微瓦到毫瓦量級，但足以驅(qū)動低功耗的微處理器、存儲器或無線發(fā)射模塊。這意味著未來有望實現(xiàn)真正意義上的“無源無線智能軸承”—傳感器節(jié)點無需外部供電和有線數(shù)據(jù)線，極大簡化了航空發(fā)動機內(nèi)部復(fù)雜的布線，提高了系統(tǒng)的可靠性，并為在旋轉(zhuǎn)部件上部署傳感節(jié)點提供了可能。這正是構(gòu)建分布式、智能化數(shù)字孿生傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

2.4 對多物理量敏感與故障診斷潛力

TENG的輸出不僅包含頻率信息，其幅值、波形等特征也對介電層與電極之間的間隙、接觸狀態(tài)、材料表面特性等極為敏感。當(dāng)軸承發(fā)生早期磨損、潤滑不良或輕度打滑時，這些變化會微妙地影響TENG的工作狀態(tài)，并在電信號中有所體現(xiàn)。結(jié)合先進的人工智能算法（如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN），可以對TENG輸出的時域/頻域信號進行深度特征挖掘，實現(xiàn)軸承早期故障（如滾道輕微剝落、滾動體磨損）的類型識別與程度判斷。已有研究通過TENG信號結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)了對軸承滾珠磨損類型高達98.4%的診斷準確率，以及對自調(diào)心滾子軸承偏轉(zhuǎn)角等復(fù)雜狀態(tài)的監(jiān)測。這為數(shù)字孿生體提供了遠超簡單轉(zhuǎn)速信息的、更深層次的健康狀態(tài)評估數(shù)據(jù)。

因此，數(shù)字虛擬仿真驅(qū)動的需求，正推動摩擦電軸承傳感器從單一的轉(zhuǎn)速測量工具，向一個集自感知、自供能、自診斷于一體的“智能孿生體單體”進化。它不僅是數(shù)據(jù)采集端，其本身的結(jié)構(gòu)、參數(shù)與輸出模型，也可以被完整地映射到數(shù)字空間中，形成一個與物理傳感器實時交互、同步演化的“傳感單元數(shù)字孿生”，從而在更底層、更精細的尺度上支撐整個航空發(fā)動機的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

三、 高精度摩擦電軸承傳感器技術(shù)內(nèi)核

以清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室提出的高精度自供能摩擦電軸承打滑傳感器為例，我們可以深入剖析這類新型傳感器的技術(shù)內(nèi)核。HP-TEBSS的構(gòu)造精妙地體現(xiàn)了“功能-結(jié)構(gòu)一體化”的設(shè)計思想。

3.1 核心結(jié)構(gòu)與工作機制

傳感器主要由三部分構(gòu)成

轉(zhuǎn)子單元：一個帶有24個（數(shù)量可優(yōu)化設(shè)計）扇形凸起的聚四氟乙烯介電環(huán)，通過高精度工裝緊密固定在整體式保持架的側(cè)端面。PTFE因其極強的得電子能力（負電性），是高性能TENG的首選介電材料。

定子單元：一個印制有24對互補叉指銅電極的環(huán)氧樹脂電路板。電極板被封裝在一個亞克力固定環(huán)內(nèi)，該固定環(huán)與軸承外圈采用緊配合或螺栓連接，確保與軸承座相對靜止。

間隙保障設(shè)計：裝配時，確保PTFE介電環(huán)凸起表面與叉指電極板表面之間存在一個精密的軸向氣隙（例如0.5-1.0 mm）。此間隙必須嚴格大于該型軸承保持架在最大工況下的軸向竄動極限，從而在任何運行條件下都能避免機械接觸，實現(xiàn)純靜電感應(yīng)的“浮動自由層”工作模式。

其發(fā)電與傳感機理是一個經(jīng)典的靜電感應(yīng)循環(huán)：

初始狀態(tài)：PTFE介電環(huán)凸起正對某一組電極指。由于接觸起電效應(yīng)，PTFE表面攜帶大量負電荷，根據(jù)靜電感應(yīng)原理，對應(yīng)的電極指上感應(yīng)出等量正電荷，系統(tǒng)靜電平衡，無外部電流。

掃掠過程：保持架帶動PTFE環(huán)旋轉(zhuǎn)，凸起逐漸移開當(dāng)前電極指，靠近相鄰的異名電極指。為了平衡PTFE片上負電荷產(chǎn)生的電場，電子被迫在外電路從即將離開的電極指流向即將接近的電極指，形成瞬態(tài)電流。

信號生成：隨著PTFE環(huán)持續(xù)旋轉(zhuǎn)，上述過程周期性發(fā)生，從而在兩個互補的叉指電極之間產(chǎn)生頻率嚴格等于“凸起數(shù)量 × 保持架公轉(zhuǎn)頻率”的交流電信號。通過測量此信號的周期或頻率，即可直接、精確地反演出保持架的瞬時轉(zhuǎn)速。

3.2 性能優(yōu)化與參數(shù)研究

為使傳感器輸出性能最大化，以適應(yīng)微弱信號采集電路的需求，研究者們對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行了系統(tǒng)優(yōu)化：

介電材料選擇：材料的摩擦電序列位置至關(guān)重要。試驗對比了PTFE、FEP、PDMS等多種高分子材料。結(jié)果表明，PTFE介電環(huán)的輸出電壓和電流性能較其他材料平均高出50%以上，這歸因于PTFE極強的電荷捕獲與保持能力，能產(chǎn)生最高密度的表面靜電荷。

內(nèi)部工作間隙優(yōu)化：間隙是影響輸出信號幅值和線性度的關(guān)鍵因素。間隙過小有碰撞風(fēng)險，間隙過大會導(dǎo)致電場減弱、輸出信號幅值急劇下降。研究通過COMSOL多物理場仿真和實驗，確定了針對特定軸承型號和工況的最優(yōu)間隙范圍，在保證安全的前提下最大化信號輸出。

凸起/電極對數(shù)優(yōu)化：增加凸起和電極的對數(shù)可以提高輸出信號的頻率，有利于提高轉(zhuǎn)速分辨率和抗干擾能力。但過多的凸起會受限于保持架側(cè)面的空間和加工精度。研究表明，24對設(shè)計在測試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供了良好的信噪比和頻率分辨率。

輸出特性測試：在軸承試驗臺上，系統(tǒng)測試了傳感器在不同轉(zhuǎn)速和載荷下的開路電壓、短路電流和轉(zhuǎn)移電荷量。一個有趣的現(xiàn)象是：在水平安裝的軸承中，隨著轉(zhuǎn)速升高，由于動力學(xué)效應(yīng)，保持架有輕微“抬升”趨勢，導(dǎo)致工作間隙微增，這使得輸出電壓幅值并未如典型TENG那樣隨轉(zhuǎn)速線性增長，反而可能略有下降。而短路電流則在特定轉(zhuǎn)速區(qū)間出現(xiàn)峰值。這揭示了傳感器輸出與復(fù)雜軸承動力學(xué)行為之間的耦合關(guān)系，其數(shù)據(jù)本身也蘊含了額外的狀態(tài)信息。

通過這些系統(tǒng)性的優(yōu)化，HP-TEBSS不僅實現(xiàn)了對保持架轉(zhuǎn)速的精確追蹤，其信號強度也足以被高精度靜電計（如Keithley 6514）可靠采集，并為后續(xù)的自供能電路設(shè)計提供了可能的基礎(chǔ)。

四、 TBCS實現(xiàn)打滑與穩(wěn)定性監(jiān)測的原理

TBCS的核心功能價值，在于將原始的摩擦電信號轉(zhuǎn)化為評價軸承打滑嚴重程度和保持架運行穩(wěn)定性的量化指標。這一轉(zhuǎn)換過程清晰而直接，構(gòu)成了其在狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警中的邏輯基礎(chǔ)。

4.1 打滑率監(jiān)測原理

軸承的理論保持架公轉(zhuǎn)速度（ω_c,理論）由軸承幾何參數(shù)（如節(jié)圓直徑、滾動體直徑）和內(nèi)圈轉(zhuǎn)速（ω_i）決定，是一個確定的計算值。在理想純滾動條件下，實際測量的保持架速度（ω_c,實際）應(yīng)無限接近該理論值。

打滑率定義為：S = (ω_c,理論 - ω_c,實際) / ω_c,理論 × 100%。

TBCS通過測量輸出交流電信號的頻率（f_signal），可以直接計算出ω_c,實際（ω_c,實際 = f_signal / N，其中N為介電環(huán)凸起數(shù)）。將此實測值代入上述公式，即可得到實時、連續(xù)的打滑率曲線。

高打滑率（尤其是負打滑，即保持架速度超過理論值）意味著滾動體與滾道間存在嚴重的滑動摩擦，是滑蹭損傷的直接前兆。通過長期監(jiān)測打滑率的變化趨勢，可以評估潤滑狀態(tài)的有效性、載荷的適宜性，并預(yù)警潛在的擦傷故障。

4.2 保持架穩(wěn)定性評估原理

穩(wěn)定性關(guān)注的是速度的瞬態(tài)波動，而非平均值。打滑率只反映了平均速度的偏移，而高頻的轉(zhuǎn)速波動則揭示了保持架運動的平穩(wěn)性。

TBCS能夠提供高時間分辨率的瞬時轉(zhuǎn)速序列。通過對這個序列進行時頻分析（如短時傅里葉變換）或計算其標準差、波動幅度，可以量化保持架轉(zhuǎn)速的波動水平。

劇烈的波動通常源于滾動體與兜孔之間的不規(guī)則碰撞、保持架質(zhì)心的渦動、潤滑不充分導(dǎo)致的間歇性卡滯等。這些不穩(wěn)定因素是導(dǎo)致保持架高周疲勞、兜孔磨損加劇乃至斷裂的根本原因。因此，穩(wěn)定性指標是預(yù)測保持架自身壽命的關(guān)鍵。

通過同步監(jiān)測打滑率（趨勢性慢變量）和轉(zhuǎn)速波動（瞬態(tài)快變量），TBCS為軸承健康狀態(tài)提供了一幅完整的“動態(tài)畫像”。例如，試驗發(fā)現(xiàn)，在軸向載荷較輕時，軸承打滑率隨轉(zhuǎn)速升高而增加；而在重載條件下，趨勢則相反。同時，載荷的增加通常會抑制保持架的轉(zhuǎn)速波動，提升其運行穩(wěn)定性。這些從TBCS數(shù)據(jù)中提煉出的知識，是校準和豐富軸承動力學(xué)數(shù)字模型不可或缺的輸入。

五、 BCS在航發(fā)雙轉(zhuǎn)子試驗臺上的驗證

實驗室的軸承試驗臺環(huán)境可控，但無法完全復(fù)現(xiàn)航空發(fā)動機主軸承的真實工況—極端的轉(zhuǎn)速、復(fù)雜的復(fù)合載荷（徑向、軸向、力矩）、有限且復(fù)雜的安裝空間以及高溫環(huán)境。因此，將TBCS原型機集成到航空發(fā)動機雙轉(zhuǎn)子模擬試驗臺上進行驗證，是邁向工程應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

清華大學(xué)的研究團隊完成了這一具有里程碑意義的驗證。他們針對試驗臺高壓轉(zhuǎn)子所用的SKF QJ206型四點接觸球軸承的尺寸約束，專門設(shè)計并制造了微型化的TBCS原型機。該原型機成功集成到了發(fā)動機模擬試驗臺的緊湊軸承座內(nèi)，其位置空間是傳統(tǒng)電渦流傳感器探頭和線纜難以部署的。

驗證試驗獲得了極具價值的結(jié)果：

高速適應(yīng)性驗證：TBCS在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達5900 r/min的工況下，依然能夠穩(wěn)定輸出清晰、規(guī)律的電信號，信噪比滿足測量要求，證明了其在航空發(fā)動機典型高速區(qū)工作的能力。

復(fù)雜氣動載荷下的打滑特性揭示：試驗發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速升高，主軸承的保持架打滑率并未線性增加，反而在高速區(qū)趨于平緩甚至略有下降。這與純轉(zhuǎn)速試驗的結(jié)果不同。研究分析指出，其原因是安裝在高壓轉(zhuǎn)子上的軸流葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生了顯著的軸向氣動載荷。這個與轉(zhuǎn)速相關(guān)的動態(tài)軸向力有效地壓緊了軸承，抑制了打滑。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了真實發(fā)動機環(huán)境中載荷的復(fù)雜性，也證明了TBCS能夠捕捉到這種由系統(tǒng)耦合效應(yīng)產(chǎn)生的獨特現(xiàn)象。

瞬態(tài)過程監(jiān)測能力：在試驗臺的加速和減速瞬態(tài)過程中，TBCS成功捕捉到了由于保持架慣性導(dǎo)致的打滑響應(yīng)滯后現(xiàn)象。在減速階段，保持架的打滑率變化滯后于轉(zhuǎn)速變化。這種對瞬態(tài)特性的捕捉能力，對于分析發(fā)動機啟動、停車、機動飛行等動態(tài)過程巾軸承的受力與狀態(tài)至關(guān)重要。

此次成功的臺架應(yīng)用，強有力地證明了TBCS不僅是一個實驗室概念，更是一種具備解決工程實際問題潛力的高精度、高可靠性原位監(jiān)測手段。它能夠在真實發(fā)動機的空間限制和工況條件下，提供其他傳感器無法獲取的關(guān)鍵運動學(xué)數(shù)據(jù)。

六、TBCS在航發(fā)數(shù)字孿生體中的核心作用

TBCS的出現(xiàn)，為構(gòu)建高保真航空發(fā)動機數(shù)字孿生體，特別是其軸承子系統(tǒng)孿生模型，填補了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)空白，并提供了新的技術(shù)范式。其在數(shù)字孿生中的作用體現(xiàn)在多個層面：

提供高保真物理實體數(shù)據(jù)，驅(qū)動模型校準與更新：數(shù)字孿生的核心是“虛實映射”。過去，軸承動力學(xué)模型（如基于多體動力學(xué)的仿真模型）的校準缺乏直接的實驗數(shù)據(jù)，往往只能依靠間接的振動信號或理論假設(shè)。TBCS提供的精確保持架瞬時轉(zhuǎn)速、打滑率時序數(shù)據(jù)，為校準模型中的摩擦系數(shù)、潤滑模型參數(shù)、保持架與滾動體相互作用力模型等提供了“黃金標準”參考。通過數(shù)據(jù)同化技術(shù)，可以不斷修正虛擬模型，使其輸出與物理實體的測量值無限接近，從而建立一個可信賴的軸承數(shù)字副本。

從“智能單體”到“系統(tǒng)智能”的橋梁：一個TBCS可以被視作一個“智能零部件孿生單體”。它不僅向上一級系統(tǒng)（發(fā)動機整機孿生體）上傳數(shù)據(jù)，其自身的工作狀態(tài)（如輸出信號質(zhì)量、等效阻抗）也能反映傳感器的健康度。在數(shù)字孿生框架下，可以構(gòu)建“軸承-傳感器”耦合模型。當(dāng)傳感器信號異常時，孿生體可以首先在虛擬空間診斷是軸承真實狀態(tài)變化所致，還是傳感器自身故障，從而做出更精準的決策。

支持預(yù)測性健康管理與壽命預(yù)測：結(jié)合AI算法，TBCS監(jiān)測的打滑率趨勢和穩(wěn)定性指標可以作為軸承性能退化的重要特征。將這些特征與數(shù)字孿生體中模擬的磨損、疲勞損傷演化模型相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)更為精準的剩余有用壽命預(yù)測。例如，當(dāng)監(jiān)測到打滑率持續(xù)異常升高且伴隨特定模式的轉(zhuǎn)速波動時，孿生體可以預(yù)警滾道即將發(fā)生擦傷，并預(yù)測其發(fā)展至失效的時間，從而指導(dǎo)基于狀態(tài)的維修。

為控制策略優(yōu)化提供反饋：在更先進的航空發(fā)動機控制理念中，數(shù)字孿生可用于仿真測試和優(yōu)化控制策略。例如，為抑制軸承打滑，可能需要調(diào)整供油參數(shù)或某些工況。TBCS提供的實時打滑反饋，可以作為虛擬仿真中評估控制策略有效性的關(guān)鍵指標，也可以在未來作為真實發(fā)動機自適應(yīng)控制系統(tǒng)的輸入，實現(xiàn)“感知-決策-控制”的閉環(huán)。

因此，TBCS遠不止是一個傳感器。它是將物理軸承實體深度融入數(shù)字世界的數(shù)據(jù)門戶和交互樞紐。它使軸承從一個沉默的、被動的機械零件，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€能夠“表達”自身狀態(tài)、參與系統(tǒng)級智能決策的主動智能體，這正是數(shù)字孿生技術(shù)追求的終極目標之一。

七、 總結(jié)、差距分析與未來展望

綜上所述，基于摩擦電的高精度軸承保持架傳感器，代表了航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的一個突破性方向。它以其非侵入式結(jié)構(gòu)、高精度直接測量、自供能潛力以及與數(shù)字孿生范式的高度契合性，為攻克軸承打滑與保持架失穩(wěn)監(jiān)測的瓶頸問題提供了切實可行的方案。從實驗室原理驗證到雙轉(zhuǎn)子試驗臺的成功應(yīng)用，已充分證明了其技術(shù)可行性、精度優(yōu)勢和工程適用潛力。

然而，也必須清醒地認識到，從當(dāng)前的研究樣機走向成熟的、可用于真實航空發(fā)動機型號的商用產(chǎn)品，仍存在顯著的差距與挑戰(zhàn)：

極端環(huán)境適應(yīng)性：當(dāng)前試驗多在常溫下進行。真實航空發(fā)動機主軸承環(huán)境溫度極高，且充滿高溫油汽。PTFE等聚合物材料在長期高溫下的電荷保持能力、機械性能以及電極絕緣材料的可靠性亟待驗證。需要開發(fā)耐高溫、抗油污的新型介電與封裝材料體系。

集成度與智能化水平：目前的TBCS主要實現(xiàn)傳感功能，信號需外接高端采集設(shè)備。未來的發(fā)展方向是“感-算-存-傳-能”一體化集成。需要在微型化基礎(chǔ)上，集成低功耗MCU進行片上信號處理與特征提取，集成微型儲能單元（超級電容）或能量管理電路，并最終實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，形成完整的無線傳感節(jié)點。

多參數(shù)融合感知與診斷深度：當(dāng)前主要利用頻率信息。未來應(yīng)深入挖掘TENG輸出信號的幅值、波形、諧波等豐富特征，結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)從“監(jiān)測打滑”到“診斷打滑根源”（如缺油、載荷不足、裝配不當(dāng)）乃至預(yù)測其他早期故障（如滾道微剝落、保持架裂紋萌生）的跨越。

標準化與可靠性驗證：需要建立針對此類智能軸承傳感器的行業(yè)測試與驗收標準，包括壽命考核、環(huán)境試驗、電磁兼容性測試等，并通過在更多類型發(fā)動機試驗平臺上的長期跑合試驗，積累可靠性數(shù)據(jù)。

展望未來，航發(fā)數(shù)字孿生驅(qū)動的摩擦電軸承傳感器技術(shù)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

從單體智能到群體智能：在發(fā)動機多個關(guān)鍵軸承點部署此類傳感器，形成智能軸承傳感網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)字孿生體中實現(xiàn)多軸承協(xié)同狀態(tài)評估與故障關(guān)聯(lián)分析。

從物理傳感到“物理-虛擬”混合傳感：在數(shù)字孿生體中，部分傳感器數(shù)據(jù)在缺失或不可靠時，可由高保真虛擬模型生成的“仿真數(shù)據(jù)”進行補充或替代，形成魯棒性更強的混合感知系統(tǒng)。

與新材料、新工藝深度結(jié)合：利用柔性電子、微納制造、3D打印等技術(shù)，實現(xiàn)傳感器與軸承結(jié)構(gòu)的更深層次、更個性化的融合設(shè)計。

賦能新一代自適應(yīng)發(fā)動機：最終，這類深植于發(fā)動機“肌體”的智能感知神經(jīng)，將為下一代適應(yīng)變循環(huán)、高推重比航空發(fā)動機的智能健康管理與主動控制提供不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，推動航空發(fā)動機從“功能機械”向“認知機器”的演進。

通過持續(xù)的研究與技術(shù)攻關(guān)，基于摩擦電的智能軸承傳感器必將在航空發(fā)動機數(shù)字孿生體系的構(gòu)建中扮演愈發(fā)核心的角色，為提升我國自主航空發(fā)動機的可靠性、安全性與智能化水平奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

&注：此文章內(nèi)使用的某個圖片來源于《清華大學(xué) 高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室、公開網(wǎng)絡(luò)》，僅供參考使用，如侵權(quán)可聯(lián)系我們刪除，如需進一步了解公司產(chǎn)品及商務(wù)合作，請與我們聯(lián)系??！

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競爭力提供堅實支撐。

公司總部位于長沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號，株洲市天元區(qū)動力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、測試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標測試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動機、無人機、靶機、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認證，以嚴苛標準保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識產(chǎn)權(quán)的保護和利用，積極申請發(fā)明專利、實用新型專利和軟著，目前累計獲得的知識產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國內(nèi)頂尖科研單位達成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢資源，攻克多項技術(shù)難題，為進一步的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅持質(zhì)量管理的目標，不斷提高自身核心競爭優(yōu)勢，為客戶提供更經(jīng)濟、更高效的飛行器動力、潤滑、冷卻系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等解決方案。