基于E-ACE車輛軸箱彈簧發(fā)電裝置設(shè)計(jì)研究

劉志運(yùn)，周蕓悅，楊洪宇，王益卿，楊涵強(qiáng)

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院，廣州 510430）

引言

國家“十四五”規(guī)劃對節(jié)能環(huán)保提出了更高的要求，提倡環(huán)保型新能源開發(fā)。針對當(dāng)前能源危機(jī)形勢不斷加深，主要解決方法有以下三種方式：（1）降低能源消耗速度；（2）尋找并開發(fā)新能源；（3）進(jìn)行能量回收再利用。如何更好地收集環(huán)境周圍能量，并將其轉(zhuǎn)換為可利用的電能，已成為工程研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。鐵道車輛在運(yùn)行過程中，不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)，如果可以將車輛振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并加以利用，就可以使能量得到回收，避免能量的浪費(fèi)[1]。根據(jù)E-ACE 材料發(fā)電原理，結(jié)合鐵道車輛軸箱彈簧在列車運(yùn)行過程中上下振動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)了一種利用E-ACE車輛軸箱彈簧發(fā)電裝置。

1 E-ACE材料

電場活性聚合物可分為電子型和離子型兩種，具有不同的行為模式。電子型電場活性聚合物多數(shù)是干燥材料，由電場力或庫侖力驅(qū)動(dòng)，這類材料包括壓電材料、電致伸縮材料和鐵電材料[2]。通常這些材料是極化的，應(yīng)變與電位移耦合。離子型電場活性聚合物通常含有電解質(zhì)，并涉及轉(zhuǎn)運(yùn)離子、分子對外部電場的響應(yīng)，如碳納米管、導(dǎo)電聚合物、聚合物凝膠、離子聚合物-金屬復(fù)合材料等種類。電子型電場活性聚合物廣泛應(yīng)用于制動(dòng)器、傳感器、發(fā)電機(jī)等，具有良好的應(yīng)用性能。丙烯酸彈性體（E-ACE）作為電子型電場活性聚合物代表，因其綜合性能良好、響應(yīng)速度快、成本低，主要應(yīng)用在低頻、大變形的能量源場合等特點(diǎn)，受到研究者關(guān)注[3]。

之所以選用E-ACE 材料實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量回收，因該材料與電磁及壓電陶瓷等其他材料相比，具有以下顯著特點(diǎn)：（1）具有較大的發(fā)電比能量，為0.4 J/g，而壓電材料中具有最優(yōu)性能的單晶陶瓷（PZN-PT）約為0.1 J/g，電磁材料約為0.04 J/g；（2）最大應(yīng)變變形為380%，而電磁材料為50%，單晶陶瓷（PZN-PT）約為1.7%；（3）可與能量源直接耦合，無需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；（4）柔順性高、耐沖擊，材料密度低、成本低[4]。

2 E-ACE發(fā)電原理

E-ACE 是基于麥克斯韋效應(yīng)的一種新型電活性聚合物，是在丙烯酸或硅樹脂等彈性體材料基質(zhì)的上、下表面滲入屈從電極材料（如碳或石墨等）而形成的材料。發(fā)電原理可簡化為圖1 所示，即為可變電容[5]。在伸展?fàn)顟B(tài)下（大電容）電荷注入到EACE 薄膜電極上，當(dāng)在外力作用下緊縮弛豫時(shí)（小電容），E-ACE 彈性應(yīng)力抵抗電場力，提高了電能。從微觀上看，厚度增加時(shí)，由于異性電荷被推離，同性電荷被壓縮靠近，提高了電荷電壓[6]?？梢姡?dāng)外力作用在具有預(yù)加電壓的E-ACE 上使其變形時(shí)，通過電容的改變即可發(fā)電，其變形越大，發(fā)電能力就越強(qiáng)。E-ACE 發(fā)電過程，即為E-ACE 伸展與緊縮弛豫的交替過程。圖1中，Vin為預(yù)加偏置電壓，V(t)為丙烯酸彈性體輸出電壓。

圖1 E-ACE發(fā)電機(jī)理

E-ACE 變形時(shí)，通過拉伸收縮改變E-ACE 電容值即可發(fā)電，電容值變化越大發(fā)電能力越強(qiáng)，E-ACE發(fā)電過程即為丙烯酸彈性體的伸展與緊縮弛豫的交替過程。

3 E-ACE車輛軸箱彈簧發(fā)電可行性分析

目前，靜電式、電磁式以及壓電式是從環(huán)境中收集振動(dòng)能量的3 種主要方式。3 種振動(dòng)能量回收方式在各自特定的場合下應(yīng)用，都有其相應(yīng)的優(yōu)勢。靜電式能量回收結(jié)構(gòu)與微系統(tǒng)工藝具有兼容性，容易集成于微型系統(tǒng)中，但是由于需要在微小間隙間和電容極板產(chǎn)生電場，造成了靜電式工藝相對復(fù)雜，并且每次工作前都需要對電容充電，同時(shí)能量密度也不高；電磁式能量回收結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的能量比較低，系統(tǒng)體積受到彈簧和系統(tǒng)應(yīng)用場合限制，通常情況下體積較大，不易小型化，更適用于大型系統(tǒng)中；E-ACE 能量回收方式作為壓電能量回收形式的一種，適用于各種尺度，結(jié)構(gòu)相對簡單，可以直接將施加的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化成電能，而且易于集成，有研究表明單位體積壓電回收系統(tǒng)所回收能量高于單位體積的靜電回收系統(tǒng)。目前，鐵道車輛振動(dòng)能量回收還未被提及，特別是鐵道車輛軸箱彈簧振動(dòng)能量回收目前更是空白，鐵道車輛在軌道上行駛過程中會(huì)受到軌道的沖擊而產(chǎn)生振動(dòng)。如果軸箱彈簧振動(dòng)不被利用就會(huì)以沖擊能量形式完全耗盡，造成了振動(dòng)能量浪費(fèi)。根據(jù)E-ACE 材料特性，把該材料與軸箱彈簧結(jié)合在一起，使軸箱彈簧在車輛振動(dòng)過程中帶動(dòng)E-ACE 薄膜材料拉伸與收縮，在該材料拉伸與收縮過程中就可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化。

4 E-ACE車輛軸箱彈簧發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了車輛軸箱彈簧發(fā)電裝置，利用E-ACE 材料發(fā)電機(jī)理與車輛軸箱彈簧結(jié)合實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。E-ACE 車輛軸箱彈簧發(fā)電裝置，包括彈簧托盤、彈簧夾板以及用于承受車輛垂直方向力的軸箱彈簧，軸箱彈簧上端與彈簧夾板下端壁固定連接，軸箱彈簧下端與彈簧托盤上側(cè)壁固定連接，軸箱彈簧外側(cè)套裝E-ACE。該薄膜材料為圓柱形，是為了更好地適應(yīng)軸箱彈簧的拉伸與壓縮，其內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁表面上均涂覆有屈從電極，厚度為3.0 mm～4.0 mm，屈從電極在內(nèi)側(cè)壁、外側(cè)壁表面的涂抹面積分別為E-ACE 內(nèi)側(cè)壁、外側(cè)壁面積的4/5，能夠有效地收集E-ACE 變形產(chǎn)生的電能。屈從電極為石墨或?qū)щ娔z，采用石墨或?qū)щ娔z可使該裝置機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化效率提高。E-ACE 的上端與軸箱彈簧夾板密封固定連接，下端與彈簧托盤密封固定連接，圖2 為E-ACE 車輛軸箱彈簧發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖2 E-ACE車輛軸箱彈簧發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)

5 展望

E-ACE 車輛軸箱彈簧發(fā)電裝置設(shè)計(jì)只是實(shí)現(xiàn)車輛振動(dòng)能量回收的第一步，后續(xù)還需進(jìn)一步研究以下問題：（1）丙烯酸薄膜制備中存在的問題，如介電擊穿強(qiáng)度、斷裂伸長率等；（2）設(shè)計(jì)E-ACE 車輛軸箱彈簧振動(dòng)能量回收電路以及儲(chǔ)存電能的儲(chǔ)能裝置；（3）偏置高壓電源限制問題；（4）柔性電極材料的覆蓋絕緣問題；（5）E-ACE 車輛軸箱彈簧發(fā)電裝置能量回收過程中能量損耗和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率問題。