近日，北京理工大學機械與車輛學院孔運副教授，聯(lián)合清華大學、重慶大學等單位，在國際頂級期刊《Advanced Science》公開報道了一種對稱單電極式摩擦電智能軸承（SST-DTRB），巧妙設(shè)計了摩擦納米發(fā)電機與雙列圓錐滾子軸承的智能集成樣機，實現(xiàn)了風力發(fā)電機雙列圓錐滾子軸承的原位自供能狀態(tài)感知與智能故障診斷，突破了微納發(fā)電、能量采集和智能狀態(tài)感知于一體的智能結(jié)構(gòu)集成設(shè)計技術(shù)。相關(guān)研究成果以“Symmetrical triboelectric in-situ self-powered sensing and fault diagnosis for double-row tapered roller bearings in wind turbines: An integrated and real-time approach”為題發(fā)表于Advanced Science。北京理工大學孔運副教授、清華大學韓勤鍇副研究員、重慶大學高帥教授為本文共同通訊作者。

風能作為國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下的典型可再生能源，在減少溫室氣體排放和推動可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。截至2025年，全球風力發(fā)電裝機容量已超過1000 GW，并隨著技術(shù)進步和可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施投資的增加而持續(xù)增長。雙列圓錐滾子軸承（DTRB）作為支撐風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)零部件，同時承受軸向和徑向載荷，對確保系統(tǒng)平穩(wěn)可靠的運行具有重要作用。然而，風力發(fā)電機長期運行在惡劣環(huán)境中，軸承面臨復雜的工作條件和載荷變化，這顯著增加了運行狀態(tài)監(jiān)測的難度。傳統(tǒng)監(jiān)測方法依賴外部電源和復雜傳感器網(wǎng)絡(luò)，易受環(huán)境干擾，維護復雜且成本高昂?；谀Σ岭娂{米發(fā)電機的狀態(tài)感知與智能監(jiān)測系統(tǒng)有望為風電裝備的自供電狀態(tài)監(jiān)測與自傳感故障診斷提供新的解決方案。

本項研究成果創(chuàng)新性地利用雙列圓錐滾子軸承的可分離對稱結(jié)構(gòu)，在主軸軸承外圈上安裝雙面電極板并用定位銷固定，同時在兩側(cè)保持架端面附著介電環(huán)，通過保持架旋轉(zhuǎn)運動帶動介電環(huán)摩擦電極板產(chǎn)生摩擦電信號。研究結(jié)果表明，所提自供能監(jiān)測診斷方案具有高靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性，在材料選擇和設(shè)計間隙方面具有良好的魯棒性，能夠在無外部電源下長時間穩(wěn)定運行。在風力發(fā)電機測試臺上驗證了對稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB在變轉(zhuǎn)速工況條件下的有效自供能監(jiān)測和健康狀態(tài)自感知能力。基于時頻變換和深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在多工況條件下實現(xiàn)了高達95.6%的風力發(fā)電機主軸軸承故障診斷準確率。所提對稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB為風力發(fā)電機提供了原位自供能感知能力，為智能感知系統(tǒng)的發(fā)展提供了新見解。

圖1. 對稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB的工作原理

圖2. 對稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB在風力發(fā)電機自供能智能狀態(tài)感知中的應(yīng)用

圖3. 對稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB在風力發(fā)電機自傳感故障診斷中的應(yīng)用

同期，研究團隊在國際頂級期刊《NanoEnergy》公開報道了一種基于摩擦納米發(fā)電-可變磁阻混合發(fā)電機（HTVRG）的航發(fā)智能主軸承。本項研究工作通過在航發(fā)主軸承保持架表面固定聚合物介電環(huán)和軸承端蓋內(nèi)側(cè)粘貼叉指電極，在轉(zhuǎn)軸安裝42CrMo齒形轉(zhuǎn)子和軸承端蓋徑向孔內(nèi)置鐵芯、釹鐵硼永磁鐵及銅制線圈，巧妙設(shè)計了摩擦電-可變磁阻混合發(fā)電機并研制了嵌入HTVRG、微處理器與無線發(fā)射模塊的航發(fā)智能主軸承樣機，實現(xiàn)了航發(fā)主軸承的無線自供能傳感與保持架打滑故障狀態(tài)智能監(jiān)測。相關(guān)研究成果以“Hybrid triboelectric-variable reluctance generator assisted wireless intelligent condition monitoring of aero-engine main bearings”為題發(fā)表于Nano Energy。北京理工大學孔運副教授為本文共同通訊作者。

圖4. 基于摩擦納米發(fā)電-可變磁阻混合發(fā)電機的航發(fā)智能主軸承自供能狀態(tài)感知與保持架打滑故障智能監(jiān)測應(yīng)用

研究團隊的上述工作創(chuàng)新了微納傳感與智能感知賦能的裝備健康管理技術(shù)，實現(xiàn)了微納發(fā)電、能量采集和智能狀態(tài)感知于一體的智能結(jié)構(gòu)集成設(shè)計，且具有良好的應(yīng)用潛力，有望推動自供能智能感知與監(jiān)測診斷在高端裝備全壽命周期健康管理與智能運維系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。