《Journal of Ocean Engineering and Science》：In-situ and direct wear measurement of full-size water-lubricated journal bearings by embedded chirped fibre Bragg gratings
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水润滑轴承（WLBs）作为船舶艉轴的关键支撑部件，因服役环境恶劣易发生严重磨损。由于轴承衬层实时磨损量难以获取，磨损发生机制及通用抗磨性能提升方法仍具挑战性。研究人员提出一种基于啁啾光纤布拉格光栅（CFBGs）的可嵌入传感器，用于WLBs的原位直接磨损测量。该
水润滑轴承（WLBs）作为船舶艉轴的关键支撑部件，因服役环境恶劣易发生严重磨损。由于轴承衬层实时磨损量难以获取，磨损发生机制及通用抗磨性能提升方法仍具挑战性。研究人员提出一种基于啁啾光纤布拉格光栅（CFBGs）的可嵌入传感器，用于WLBs的原位直接磨损测量。该传感器具备优异的传感分辨率（优于0.1 mm）与精度（±0.1 mm@8 mm），且在100次以上重复测试中表现出良好的重复性，在常规轴承工况的温度与力变化下具备稳定的传感性能。当CFBG封装于轴承衬层材料时，温度或静/动载荷会引起测量误差（多在±0.15 mm以内），与传感精度相当。最终，研究人员将该传感器应用于实尺度WLB的长期磨损监测试验。轴系旋转会对CFBG产生微小测量误差（在±0.04 mm以内），且与转速相关。连续4 h动态监测试验验证了CFBG在动态条件下的稳健传感能力。将112 h磨损试验中CFBG测得的磨损量与轴承内径变化对比，平均误差小于0.10 mm，进一步验证了该磨损传感器用于WLBs磨损表征的可行性与优越性。本研究为WLBs的原位直接磨损监测提供了新途径，对故障诊断与剩余寿命预测具有重要意义。
该研究由海军工程大学Weibin Wu、Linzhou Huang、Xue Yang、Changgeng Shuai团队完成，发表于《Journal of Ocean Engineering and Science》。水润滑轴承（WLBs）是船舶推进系统的核心支撑部件，其衬层多为聚合物材料，在含沙、沉积物或海洋生物杂质的润滑环境中易发生粘着磨损与犁沟磨损，导致轴承-轴间隙增大、轴线不对中，威胁船舶航行安全并影响声隐身性能。现有磨损表征方法存在明显局限：传统内径千分尺或塞尺测量属于离位检测，需停机拆卸；电涡流或激光位移传感器仅能通过轴位移间接反映磨损，无法获取衬层真实体积损失与位置信息；油液磨粒监测只能定性判断磨损程度；超声法受橡胶材料高衰减与低信噪比限制，且易受温度与噪声干扰。尽管光纤传感具备体积小、无电信号、适合水下安装的优势，但传统光纤布拉格光栅（FBGs）反射光功率法精度低，光频域反射法成本高、解调复杂，均难以满足实尺度WLBs的动态工况监测需求。为此，研究人员提出采用啁啾光纤布拉格光栅（CFBGs）作为嵌入式磨损传感器，利用其光栅周期线性变化导致的光谱带宽与长度正相关特性，通过带宽变化直接计算磨损量。
关键技术方法包括：选用啁啾率为10 nm/cm、20 nm/cm、30 nm/cm的CFBGs，将其封装于聚氨酯（PU，与实尺度WLB衬层同材质）试块中，通过微计算机断层扫描（Micro-CT）验证光纤垂直度与端面贴合状态；采用数控铣床进行高精度磨损校准，拟合带宽变化与实际磨损的线性关系以获取传感灵敏度系数；在-10 ℃至100 ℃温域内开展温度响应试验，在拉伸与压缩加载条件下分别测试裸CFBG与封装CFBG的力响应特性；在定制全尺寸WLB试验台上开展112 h长期磨损监测试验，设置6 T、4 T、2 T三级悬重载荷，覆盖清水、5%盐度海水、5 g/L含沙水三种润滑工况，同步采集CFBG光谱信号与轴承内径变化数据，对比验证传感精度。
研究结果如下：
3.1 CFBG传感器在PU试块内的封装状态：Micro-CT图像显示，CFBG垂直于磨损表面且端面与表面齐平，光纤与胶层结合良好，无倾斜或断裂，满足同步牺牲光纤长度与衬层厚度的测量要求，安装角度偏差可通过校准补偿。
3.2 CFBG传感器的传感能力：磨损校准表明，三种啁啾率CFBG的带宽与磨损量均呈线性正相关，啁啾率越高传感灵敏度越高；10 nm/cm CFBG的实际传感分辨率优于0.1 mm，在0~8 mm磨损范围内的测量精度达±0.1 mm，115次重复测试的误差多在±0.1 mm以内，满足工业WLBs最大3~5 mm磨损的监测需求。
3.3 温度对磨损传感的影响：裸CFBG的光谱带宽随温度变化几乎无波动，测量误差最大仅0.07 mm；封装于PU中的CFBG因材料与光纤热膨胀系数差异，左右带宽边缘波长漂移速率不同，导致带宽随温度升高线性减小，温度灵敏度为-0.01 mm/℃，该误差可通过温度监测定量补偿，且-10 ℃~100 ℃的温域覆盖WLBs实际工作环境。
3.4 外力对磨损传感的影响：裸CFBG在0~3 N拉伸应力下的测量误差均在0.1 mm以内，且不受光栅方向影响；封装CFBG在沿光栅方向的静态压力低于4 kN（对应接触应力6.3 MPa，覆盖实尺度WLB常规2~4 MPa局部应力范围）时，误差随压力增大而升高，超过4 kN后误差稳定在0.15 mm以内；动态压力下，CFBG光谱左右边缘波长出现同相位畸变，导致测量误差在±0.13 mm的固定范围内波动，与压力幅值无关，优于传统位移传感器的振动敏感性。
3.5 全尺寸WLB的原位磨损测量：轴旋转会导致CFBG测量误差，低速（5 rpm）时误差为±0.04 mm，高速（80 rpm）时降至±0.02 mm，含沙润滑工况下误差仍控制在±0.04 mm以内；112 h长期试验中，经温度补偿后，两台CFBG的平均测量误差分别为0.09 mm和0.07 mm，与内径千分尺测量结果变化趋势一致，验证了动态工况下的长期监测可靠性。
讨论与结论：CFBG传感器通过光谱带宽变化实现WLBs衬层的原位直接磨损测量，具备优于0.1 mm的分辨率与±0.1 mm@8 mm的精度，重复性与长期稳定性良好。封装后的温度与力致误差均在0.15 mm以内，可通过补偿算法降低影响。该技术突破了传统方法的离位局限与间接测量缺陷，首次实现了全尺寸WLBs动态工况下的衬层磨损直接量化监测，为磨损机制研究、抗磨设计优化、故障诊断与剩余寿命预测提供了全新的技术手段，具有重要的工程应用价值。
