基于E-ACE车辆轴箱弹簧发电装置设计研究

刘志运，周芸悦，杨洪宇，王益卿，杨涵强

（广州铁路职业技术学院 机车车辆学院，广州 510430）

引言

国家“十四五”规划对节能环保提出了更高的要求，提倡环保型新能源开发。针对当前能源危机形势不断加深，主要解决方法有以下三种方式：（1）降低能源消耗速度；（2）寻找并开发新能源；（3）进行能量回收再利用。如何更好地收集环境周围能量，并将其转换为可利用的电能，已成为工程研究领域的一个热点问题。铁道车辆在运行过程中，不可避免地产生振动，如果可以将车辆振动能转换为电能并加以利用，就可以使能量得到回收，避免能量的浪费[1]。根据E-ACE 材料发电原理，结合铁道车辆轴箱弹簧在列车运行过程中上下振动的原理，设计了一种利用E-ACE车辆轴箱弹簧发电装置。

1 E-ACE材料

电场活性聚合物可分为电子型和离子型两种，具有不同的行为模式。电子型电场活性聚合物多数是干燥材料，由电场力或库仑力驱动，这类材料包括压电材料、电致伸缩材料和铁电材料[2]。通常这些材料是极化的，应变与电位移耦合。离子型电场活性聚合物通常含有电解质，并涉及转运离子、分子对外部电场的响应，如碳纳米管、导电聚合物、聚合物凝胶、离子聚合物-金属复合材料等种类。电子型电场活性聚合物广泛应用于制动器、传感器、发电机等，具有良好的应用性能。丙烯酸弹性体（E-ACE）作为电子型电场活性聚合物代表，因其综合性能良好、响应速度快、成本低，主要应用在低频、大变形的能量源场合等特点，受到研究者关注[3]。

之所以选用E-ACE 材料实现振动能量回收，因该材料与电磁及压电陶瓷等其他材料相比，具有以下显著特点：（1）具有较大的发电比能量，为0.4 J/g，而压电材料中具有最优性能的单晶陶瓷（PZN-PT）约为0.1 J/g，电磁材料约为0.04 J/g；（2）最大应变变形为380%，而电磁材料为50%，单晶陶瓷（PZN-PT）约为1.7%；（3）可与能量源直接耦合，无需中间转换环节；（4）柔顺性高、耐冲击，材料密度低、成本低[4]。

2 E-ACE发电原理

E-ACE 是基于麦克斯韦效应的一种新型电活性聚合物，是在丙烯酸或硅树脂等弹性体材料基质的上、下表面渗入屈从电极材料（如碳或石墨等）而形成的材料。发电原理可简化为图1 所示，即为可变电容[5]。在伸展状态下（大电容）电荷注入到EACE 薄膜电极上，当在外力作用下紧缩弛豫时（小电容），E-ACE 弹性应力抵抗电场力，提高了电能。从微观上看，厚度增加时，由于异性电荷被推离，同性电荷被压缩靠近，提高了电荷电压[6]。可见，当外力作用在具有预加电压的E-ACE 上使其变形时，通过电容的改变即可发电，其变形越大，发电能力就越强。E-ACE 发电过程，即为E-ACE 伸展与紧缩弛豫的交替过程。图1中，Vin为预加偏置电压，V(t)为丙烯酸弹性体输出电压。

图1 E-ACE发电机理

E-ACE 变形时，通过拉伸收缩改变E-ACE 电容值即可发电，电容值变化越大发电能力越强，E-ACE发电过程即为丙烯酸弹性体的伸展与紧缩弛豫的交替过程。

3 E-ACE车辆轴箱弹簧发电可行性分析

目前，静电式、电磁式以及压电式是从环境中收集振动能量的3 种主要方式。3 种振动能量回收方式在各自特定的场合下应用，都有其相应的优势。静电式能量回收结构与微系统工艺具有兼容性，容易集成于微型系统中，但是由于需要在微小间隙间和电容极板产生电场，造成了静电式工艺相对复杂，并且每次工作前都需要对电容充电，同时能量密度也不高；电磁式能量回收结构产生的能量比较低，系统体积受到弹簧和系统应用场合限制，通常情况下体积较大，不易小型化，更适用于大型系统中；E-ACE 能量回收方式作为压电能量回收形式的一种，适用于各种尺度，结构相对简单，可以直接将施加的应变能转化成电能，而且易于集成，有研究表明单位体积压电回收系统所回收能量高于单位体积的静电回收系统。目前，铁道车辆振动能量回收还未被提及，特别是铁道车辆轴箱弹簧振动能量回收目前更是空白，铁道车辆在轨道上行驶过程中会受到轨道的冲击而产生振动。如果轴箱弹簧振动不被利用就会以冲击能量形式完全耗尽，造成了振动能量浪费。根据E-ACE 材料特性，把该材料与轴箱弹簧结合在一起，使轴箱弹簧在车辆振动过程中带动E-ACE 薄膜材料拉伸与收缩，在该材料拉伸与收缩过程中就可实现机械能到电能的转化。

4 E-ACE车辆轴箱弹簧发电装置设计

设计了车辆轴箱弹簧发电装置，利用E-ACE 材料发电机理与车辆轴箱弹簧结合实现机械能转化为电能。E-ACE 车辆轴箱弹簧发电装置，包括弹簧托盘、弹簧夹板以及用于承受车辆垂直方向力的轴箱弹簧，轴箱弹簧上端与弹簧夹板下端壁固定连接，轴箱弹簧下端与弹簧托盘上侧壁固定连接，轴箱弹簧外侧套装E-ACE。该薄膜材料为圆柱形，是为了更好地适应轴箱弹簧的拉伸与压缩，其内侧壁和外侧壁表面上均涂覆有屈从电极，厚度为3.0 mm～4.0 mm，屈从电极在内侧壁、外侧壁表面的涂抹面积分别为E-ACE 内侧壁、外侧壁面积的4/5，能够有效地收集E-ACE 变形产生的电能。屈从电极为石墨或导电胶，采用石墨或导电胶可使该装置机械能到电能的转化效率提高。E-ACE 的上端与轴箱弹簧夹板密封固定连接，下端与弹簧托盘密封固定连接，图2 为E-ACE 车辆轴箱弹簧发电装置结构剖视图。

图2 E-ACE车辆轴箱弹簧发电装置结构

5 展望

E-ACE 车辆轴箱弹簧发电装置设计只是实现车辆振动能量回收的第一步，后续还需进一步研究以下问题：（1）丙烯酸薄膜制备中存在的问题，如介电击穿强度、断裂伸长率等；（2）设计E-ACE 车辆轴箱弹簧振动能量回收电路以及储存电能的储能装置；（3）偏置高压电源限制问题；（4）柔性电极材料的覆盖绝缘问题；（5）E-ACE 车辆轴箱弹簧发电装置能量回收过程中能量损耗和机电转换效率问题。