机械工程学报

作者：张显涛, 王松, 姚志宏, 宫礼坤, 郭飞, 张弛, 韩勤锴, 王玉明

单位：1. 清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室 北京 100084;2. 中国科学院北京纳米能源与系统研究所 北京 100083

关键词：往复智能密封,摩擦发电,自供电,自传感,运动状态感知；

基金：国家自然科学基金(12402057, 12272199, 52450006)、国家博士后研究人员计划(GZC20240822)资助项目。

及时获取并诊断出机械密封的异常运行状态，对确保以往复机械为核心的高端设备运行的可靠性至关重要。为克服密封性能监测中面临的结构紧凑、环境高压等挑战，摩擦纳米发电机凭借自供电感知功能为原位、长时间地监控提供了一种解决方案。基于此，一种耐磨涂层辅助的摩擦电智能往复密封系统(AC-TRS)被提出并用于原位感知，该系统以聚合物密封环与转轴上沉积的耐磨涂层组成摩擦副，构建滑动自由层式摩擦发电机。随轴往复运动的耐磨涂层与密封环产生周期性的接触-分离状态，并在密封环内金属骨架上产生感应交流电。AC-TRS实现与机械密封结构的超紧凑融合，仅需在运动部件表面沉积耐磨涂层。研究了不同材料参数对系统输出信号的影响，发现类金刚石涂层与碳纤维改性聚四氟乙烯密封环的组合可显著提升AC-TRS的自供电与自感知能力。通过实验验证了AC-TRS在约470 000次往复循环情况下的输出稳定性以及结构的可靠性。此外，探明了摩擦电输出信号的幅值、频率与往复速度之间的线性关系，并将其作为指标实现了定速与变速等复杂工况下对往复运动进行高精度感知。研究成果将为往复机械的密封智能化设计提供技术参考。

来源：2025年第19期

《机械工程学报》期刊编辑部

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