基于E-ACE車輛軸箱彈簧發電裝置設計研究

劉志運，周蕓悅，楊洪宇，王益卿，楊涵強

（廣州鐵路職業技術學院 機車車輛學院，廣州 510430）

引言

國家“十四五”規劃對節能環保提出了更高的要求，提倡環保型新能源開發。針對當前能源危機形勢不斷加深，主要解決方法有以下三種方式：（1）降低能源消耗速度；（2）尋找并開發新能源；（3）進行能量回收再利用。如何更好地收集環境周圍能量，并將其轉換為可利用的電能，已成為工程研究領域的一個熱點問題。鐵道車輛在運行過程中，不可避免地產生振動，如果可以將車輛振動能轉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[1]。根據E-ACE 材料發電原理，結合鐵道車輛軸箱彈簧在列車運行過程中上下振動的原理，設計了一種利用E-ACE車輛軸箱彈簧發電裝置。

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是干燥材料，由電場力或庫侖力驅動，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，應變與電位移耦合。離子型電場活性聚合物通常含有電解質，并涉及轉運離子、分子對外部電場的響應，如碳納米管、導電聚合物、聚合物凝膠、離子聚合物-金屬復合材料等種類。電子型電場活性聚合物廣泛應用于制動器、傳感器、發電機等，具有良好的應用性能。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、響應速度快、成本低，主要應用在低頻、大變形的能量源場合等特點，受到研究者關注[3]。

之所以選用E-ACE 材料實現振動能量回收，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：（1）具有較大的發電比能量，為0.4 J/g，而壓電材料中具有最優性能的單晶陶瓷（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，無需中間轉換環節；（4）柔順性高、耐沖擊，材料密度低、成本低[4]。

2 E-ACE發電原理

E-ACE 是基于麥克斯韋效應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。發電原理可簡化為圖1 所示，即為可變電容[5]。在伸展狀態下（大電容）電荷注入到EACE 薄膜電極上，當在外力作用下緊縮弛豫時（小電容），E-ACE 彈性應力抵抗電場力，提高了電能。從微觀上看，厚度增加時，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]。可見，當外力作用在具有預加電壓的E-ACE 上使其變形時，通過電容的改變即可發電，其變形越大，發電能力就越強。E-ACE 發電過程，即為E-ACE 伸展與緊縮弛豫的交替過程。圖1中，Vin為預加偏置電壓，V(t)為丙烯酸彈性體輸出電壓。

圖1 E-ACE發電機理

E-ACE 變形時，通過拉伸收縮改變E-ACE 電容值即可發電，電容值變化越大發電能力越強，E-ACE發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車輛軸箱彈簧發電可行性分析

目前，靜電式、電磁式以及壓電式是從環境中收集振動能量的3 種主要方式。3 種振動能量回收方式在各自特定的場合下應用，都有其相應的優勢。靜電式能量回收結構與微系統工藝具有兼容性，容易集成于微型系統中，但是由于需要在微小間隙間和電容極板產生電場，造成了靜電式工藝相對復雜，并且每次工作前都需要對電容充電，同時能量密度也不高；電磁式能量回收結構產生的能量比較低，系統體積受到彈簧和系統應用場合限制，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，結構相對簡單，可以直接將施加的應變能轉化成電能，而且易于集成，有研究表明單位體積壓電回收系統所回收能量高于單位體積的靜電回收系統。目前，鐵道車輛振動能量回收還未被提及，特別是鐵道車輛軸箱彈簧振動能量回收目前更是空白，鐵道車輛在軌道上行駛過程中會受到軌道的沖擊而產生振動。如果軸箱彈簧振動不被利用就會以沖擊能量形式完全耗盡，造成了振動能量浪費。根據E-ACE 材料特性，把該材料與軸箱彈簧結合在一起，使軸箱彈簧在車輛振動過程中帶動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現機械能到電能的轉化。

4 E-ACE車輛軸箱彈簧發電裝置設計

設計了車輛軸箱彈簧發電裝置，利用E-ACE 材料發電機理與車輛軸箱彈簧結合實現機械能轉化為電能。E-ACE 車輛軸箱彈簧發電裝置，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壁固定連接，軸箱彈簧外側套裝E-ACE。該薄膜材料為圓柱形，是為了更好地適應軸箱彈簧的拉伸與壓縮，其內側壁和外側壁表面上均涂覆有屈從電極，厚度為3.0 mm～4.0 mm，屈從電極在內側壁、外側壁表面的涂抹面積分別為E-ACE 內側壁、外側壁面積的4/5，能夠有效地收集E-ACE 變形產生的電能。屈從電極為石墨或導電膠，采用石墨或導電膠可使該裝置機械能到電能的轉化效率提高。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 車輛軸箱彈簧發電裝置結構剖視圖。

圖2 E-ACE車輛軸箱彈簧發電裝置結構

5 展望

E-ACE 車輛軸箱彈簧發電裝置設計只是實現車輛振動能量回收的第一步，后續還需進一步研究以下問題：（1）丙烯酸薄膜制備中存在的問題，如介電擊穿強度、斷裂伸長率等；（2）設計E-ACE 車輛軸箱彈簧振動能量回收電路以及儲存電能的儲能裝置；（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 車輛軸箱彈簧發電裝置能量回收過程中能量損耗和機電轉換效率問題。