北理工團(tuán)隊(duì)在自供能狀態(tài)感知與智能監(jiān)測(cè)診斷方面取得重要成果
發(fā)布日期：2025-04-17 供稿：機(jī)械與車輛學(xué)院 孔運(yùn) 攝影：機(jī)械與車輛學(xué)院
編輯：蘇舒 審核：劉檢華 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院孔運(yùn)副教授，聯(lián)合清華大學(xué),、重慶大學(xué)等單位,，在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Science》公開報(bào)道了一種對(duì)稱單電極式摩擦電智能軸承（SST-DTRB），巧妙設(shè)計(jì)了摩擦納米發(fā)電機(jī)與雙列圓錐滾子軸承的智能集成樣機(jī),，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)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(xué)孔運(yùn)副教授,、清華大學(xué)韓勤鍇副研究員,、重慶大學(xué)高帥教授為本文共同通訊作者。
風(fēng)能作為國(guó)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(dòng)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(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已超過1000 GW,，并隨著技術(shù)進(jìn)步和可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施投資的增加而持續(xù)增長(zhǎng),。雙列圓錐滾子軸承（DTRB）作為支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)零部件，同時(shí)承受軸向和徑向載荷,，對(duì)確保系統(tǒng)平穩(wěn)可靠的運(yùn)行具有重要作用,。然而,，風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在惡劣環(huán)境中，軸承面臨復(fù)雜的工作條件和載荷變化,，這顯著增加了運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的難度,。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法依賴外部電源和復(fù)雜傳感器網(wǎng)絡(luò)，易受環(huán)境干擾,，維護(hù)復(fù)雜且成本高昂,。基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)的狀態(tài)感知與智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有望為風(fēng)電裝備的自供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與自傳感故障診斷提供新的解決方案,。
本項(xiàng)研究成果創(chuàng)新性地利用雙列圓錐滾子軸承的可分離對(duì)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(shí)在兩側(cè)保持架端面附著介電環(huán),，通過保持架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)介電環(huán)摩擦電極板產(chǎn)生摩擦電信號(hào),。研究結(jié)果表明，所提自供能監(jiān)測(cè)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(jì)間隙方面具有良好的魯棒性，能夠在無外部電源下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)試臺(tái)上驗(yàn)證了對(duì)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(cè)和健康狀態(tài)自感知能力,。基于時(shí)頻變換和深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，在多工況條件下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)95.6%的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承故障診斷準(zhǔn)確率,。所提對(duì)稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB為風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB的工作原理
圖2. 對(duì)稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB在風(fēng)力發(fā)電機(jī)自供能智能狀態(tài)感知中的應(yīng)用
圖3. 對(duì)稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB在風(fēng)力發(fā)電機(jī)自傳感故障診斷中的應(yīng)用
同期,，研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《NanoEnergy》公開報(bào)道了一種基于摩擦納米發(fā)電-可變磁阻混合發(fā)電機(jī)（HTVRG）的航發(fā)智能主軸承。本項(xiàng)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(jì)了摩擦電-可變磁阻混合發(fā)電機(jī)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(jī),，實(shí)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(cè)。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(xué)孔運(yùn)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(jī)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(cè)應(yīng)用
研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(jì),，且具有良好的應(yīng)用潛力，有望推動(dòng)自供能智能感知與監(jiān)測(cè)診斷在高端裝備全壽命周期健康管理與智能運(yùn)維系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。
論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202500981
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285525000801
分享到：