近日，北京理工大学机械与车辆学院孔运副教授，联合清华大学、重庆大学等单位，在国际顶级期刊《Advanced Science》公开报道了一种对称单电极式摩擦电智能轴承（SST-DTRB），巧妙设计了摩擦纳米发电机与双列圆锥滚子轴承的智能集成样机，实现了风力发电机双列圆锥滚子轴承的原位自供能状态感知与智能故障诊断，突破了微纳发电、能量采集和智能状态感知于一体的智能结构集成设计技术。相关研究成果以“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”为题发表于Advanced Science。北京理工大学孔运副教授、清华大学韩勤锴副研究员、重庆大学高帅教授为本文共同通讯作者。

风能作为国家“双碳”战略背景下的典型可再生能源，在减少温室气体排放和推动可持续能源系统转型中发挥着关键作用。截至2025年，全球风力发电装机容量已超过1000 GW，并随着技术进步和可再生能源基础设施投资的增加而持续增长。双列圆锥滚子轴承（DTRB）作为支撑风力发电机转子系统的核心基础零部件，同时承受轴向和径向载荷，对确保系统平稳可靠的运行具有重要作用。然而，风力发电机长期运行在恶劣环境中，轴承面临复杂的工作条件和载荷变化，这显著增加了运行状态监测的难度。传统监测方法依赖外部电源和复杂传感器网络，易受环境干扰，维护复杂且成本高昂。基于摩擦电纳米发电机的状态感知与智能监测系统有望为风电装备的自供电状态监测与自传感故障诊断提供新的解决方案。

本项研究成果创新性地利用双列圆锥滚子轴承的可分离对称结构，在主轴轴承外圈上安装双面电极板并用定位销固定，同时在两侧保持架端面附着介电环，通过保持架旋转运动带动介电环摩擦电极板产生摩擦电信号。研究结果表明，所提自供能监测诊断方案具有高灵敏度、稳定性和可靠性，在材料选择和设计间隙方面具有良好的鲁棒性，能够在无外部电源下长时间稳定运行。在风力发电机测试台上验证了对称单电极式摩擦电智能轴承SST-DTRB在变转速工况条件下的有效自供能监测和健康状态自感知能力。基于时频变换和深度残差神经网络，在多工况条件下实现了高达95.6%的风力发电机主轴轴承故障诊断准确率。所提对称单电极式摩擦电智能轴承SST-DTRB为风力发电机提供了原位自供能感知能力，为智能感知系统的发展提供了新见解。

图1. 对称单电极式摩擦电智能轴承SST-DTRB的工作原理

图2. 对称单电极式摩擦电智能轴承SST-DTRB在风力发电机自供能智能状态感知中的应用

图3. 对称单电极式摩擦电智能轴承SST-DTRB在风力发电机自传感故障诊断中的应用

同期，研究团队在国际顶级期刊《NanoEnergy》公开报道了一种基于摩擦纳米发电-可变磁阻混合发电机（HTVRG）的航发智能主轴承。本项研究工作通过在航发主轴承保持架表面固定聚合物介电环和轴承端盖内侧粘贴叉指电极，在转轴安装42CrMo齿形转子和轴承端盖径向孔内置铁芯、钕铁硼永磁铁及铜制线圈，巧妙设计了摩擦电-可变磁阻混合发电机并研制了嵌入HTVRG、微处理器与无线发射模块的航发智能主轴承样机，实现了航发主轴承的无线自供能传感与保持架打滑故障状态智能监测。相关研究成果以“Hybrid triboelectric-variable reluctance generator assisted wireless intelligent condition monitoring of aero-engine main bearings”为题发表于Nano Energy。北京理工大学孔运副教授为本文共同通讯作者。

图4. 基于摩擦纳米发电-可变磁阻混合发电机的航发智能主轴承自供能状态感知与保持架打滑故障智能监测应用

研究团队的上述工作创新了微纳传感与智能感知赋能的装备健康管理技术，实现了微纳发电、能量采集和智能状态感知于一体的智能结构集成设计，且具有良好的应用潜力，有望推动自供能智能感知与监测诊断在高端装备全寿命周期健康管理与智能运维系统中的广泛应用。