高速列车制动系统摩擦振动能量收集的创新混合压电-摩擦电发电机研究

《Sustainable Materials and Technologies》：An innovative hybrid piezoelectric-triboelectric generator for friction-induced vibration energy harvesting in high-speed train braking systems

本研究针对高速列车制动系统监测依赖外部供电的瓶颈问题，开发了一种混合压电-摩擦电发电机（HPTG）。该设备通过压电纳米发电机（PENG）和摩擦电纳米发电机（TENG）的协同作用，在1-60 Hz宽频范围内实现239 W/m3的超高功率密度，成功捕获制动过程中的粘滑现象并生成与转速变化对应的特征电信号，为制动系统自供能智能监测提供了创新解决方案。

　　

当时速300公里的高速列车紧急制动时，制动盘与闸片之间的剧烈摩擦不仅会产生刺耳的噪音，更会导致摩擦块异常磨损甚至脱落，严重威胁运行安全。目前制动系统的状态监测主要依赖外部供电，难以实现自供能和自感知功能。更棘手的是，制动过程中产生的高强度摩擦振动能量通常以热能形式耗散，未能有效利用。面对这一挑战，广西大学机械工程学院的研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》上发表了一项创新研究，提出了一种混合压电-摩擦电发电机（HPTG），巧妙地将压电技术与摩擦电技术相结合，为高速列车制动系统同时实现能量收集和状态监测提供了全新解决方案。

研究采用的关键技术方法包括：基于铍铜合金基底的压电-摩擦电混合结构设计，通过COMSOL多物理场仿真优化器件性能；建立包含振动台、功率放大器和多通道信号分析仪的完整测试系统，在1-1000 Hz频率范围内评估输出特性；利用多功能摩擦磨损试验机模拟制动工况，验证设备在75-125 rpm转速范围内的状态监测能力。实验样本采用与实际制动系统相同的铜基粉末冶金摩擦块和锻钢制动盘材料。

结构设计和工作机制方面，研究人员受拍手器结构启发，创新性地将压电悬臂梁与接触-分离式摩擦电模块耦合。压电模块采用两层0.1 mm铍铜片夹持0.028 mm聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜的夹心结构，摩擦电模块则采用铝/聚四氟乙烯（PTFE）摩擦副。通过微铰链连接的混合结构使器件总质量仅5.739 g，厚度0.228 mm，兼具轻量化和高温适应性。COMSOL仿真显示，压电模块最大电势出现在悬臂梁中部而非末端，揭示了独特的应变分布特性。

不同条件下的输出性能测试表明，HPTG在1-60 Hz宽频范围内表现优异。压电模块在8 cm长度、6 Hz频率、17 mm振幅时获得最佳输出（7.77 V，33.94 μA），功率密度达239 W/m³（100 kΩ负载）。摩擦电模块在相同条件下输出4.88 V电压和1.57 μA电流，最大功率密度为1.39 W/m³（1 MΩ负载）。与同类器件相比，HPTG在364.8 mm³的紧凑体积内实现了更高的功率密度。

适应性和耐久性实验显示，HPTG在0°-60°倾斜角度下均保持稳定输出，水平位置时压电模块输出4.5 V电压和16.23 μA电流。在10-60 Hz高频环境中，压电模块在10 Hz时输出2.03 V和23.43 μA，并在50 Hz出现性能恢复现象。连续2小时测试中，器件输出波形保持高度一致，证明其能满足制动系统高频次、长时间运行需求。不同波形激励测试进一步验证了设备动态响应灵敏度，方波输入时压电模块输出最优（5.8 V，15.68 μA），而正弦波激励下摩擦电模块电压输出最高（5.37 V）。

在制动系统应用中，HPTG成功捕获了低速制动时的粘滑现象：当摩擦块发生0.2 mm微位移时，压电和摩擦电模块均产生同步电压响应。在75/100/125 rpm转速下，输出波形呈现从密集簇状到规则椭圆再到锯齿形的特征演变，且峰值电压与转速呈负相关（51.03 mV@75 rpm，46.19 mV@100 rpm，34.45 mV@125 rpm）。这种转速-电压的定量关系为制动状态智能识别提供了可靠特征参数。

该研究通过创新性的压电-摩擦电混合设计，实现了制动振动能量收集与状态监测的有机融合。HPTG不仅解决了传统传感器供电限制，其轻量化结构（5.739 g）和宽频响应特性（1-60 Hz）更适应实际制动系统的严苛环境。特别值得注意的是，器件输出的特征电信号与制动工况存在直接映射关系，为建立振动能量转换参数与系统状态的相关模型奠定了基础。这项研究为推动轨道交通智能化发展提供了重要的技术支撑，展示了能量收集技术在重大装备状态监测领域的广阔应用前景。