【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學機械與車輛學院孔運副教授，聯合清華大學、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)，巧妙設計了摩擦納米發電機與雙列圓錐滾子軸承的智能集成樣機，實現了風力發電機雙列圓錐滾子軸承的原位自供能狀態感知與智能故障診斷，突破了微納發電、能量采集和智能狀態感知于一體的智能結構集成設計技術。相關研究成果以“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能源系統轉型中發揮著關鍵作用。截至2025年，全球風力發電裝機容量已超過1000 GW，并隨著技術進步和可再生能源基礎設施投資的增加而持續增長。雙列圓錐滾子軸承(DTRB)作為支撐風力發電機轉子系統的核心基礎零部件，同時承受軸向和徑向載荷，對確保系統平穩可靠的運行具有重要作用。然而，風力發電機長期運行在惡劣環境中，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監測的難度。傳統監測方法依賴外部電源和復雜傳感器網絡，易受環境干擾，維護復雜且成本高昂。基于摩擦電納米發電機的狀態感知與智能監測系統有望為風電裝備的自供電狀態監測與自傳感故障診斷提供新的解決方案。
 

　　本項研究成果創新性地利用雙列圓錐滾子軸承的可分離對稱結構，在主軸軸承外圈上安裝雙面電極板并用定位銷固定，同時在兩側保持架端面附著介電環，通過保持架旋轉運動帶動介電環摩擦電極板產生摩擦電信號。研究結果表明，所提自供能監測診斷方案具有高靈敏度、穩定性和可靠性，在材料選擇和設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定運行。在風力發電機測試臺上驗證了對稱單電極式摩擦電智能軸承SST-DTRB在變轉速工況條件下的有效自供能監測和健康狀態自感知能力。基于時頻變換和深度殘差神經網絡，在多工況條件下實現了高達95.6%的風力發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為風力發電機提供了原位自供能感知能力，為智能感知系統的發展提供了新見解。
 

　　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電-可變磁阻混合發電機(HTVRG)的航發智能主軸承。本項研究工作通過在航發主軸承保持架表面固定聚合物介電環和軸承端蓋內側粘貼叉指電極，在轉軸安裝42CrMo齒形轉子和軸承端蓋徑向孔內置鐵芯、釹鐵硼永磁鐵及銅制線圈，巧妙設計了摩擦電-可變磁阻混合發電機并研制了嵌入HTVRG、微處理器與無線發射模塊的航發智能主軸承樣機，實現了航發主軸承的無線自供能傳感與保持架打滑故障狀態智能監測。相關研究成果以“Hybrid triboelectric-variable reluctance generator assisted wireless intelligent condition monitoring of aero-engine main bearings”為題發表于Nano Energy。北京理工大學孔運副教授為本文共同通訊作者。
 

　　研究團隊的上述工作創新了微納傳感與智能感知賦能的裝備健康管理技術，實現了微納發電、能量采集和智能狀態感知于一體的智能結構集成設計，且具有良好的應用潛力，有望推動自供能智能感知與監測診斷在高端裝備全壽命周期健康管理與智能運維系統中的廣泛應用。