随着无线技术和微机电系统的快速发展,智能可穿戴设备、便携式电子设备、无线传感器等低功耗电子产品正在极大地改变着人们的生活方式。为了保证系统能够持续运行,将环境能量转换成电能来代替电池为微电子产品提供能源成了最好的方法。其中压电能量收集方法是一种将环境振动能量转换为电能的可行方法,因此越来越受到人们的关注。然而,该方法严重依赖于环境振动特性。只有当外部环境的振动频率与能量采集装置的谐振频率相匹配时,才能使能量转换效率最大化。因此研究人员对不依赖于外界振动源的另一种振动能量进行采集,如摩擦自激振动。虽然目前的研究已经验证了通过摩擦自激振动实现能量采集的可行性,但是通过摩擦自激振动进行能量采集的知识还十分有限,尤其是目前还没有关于工作参数(负荷、速度和外接电阻)和能量采集之间关系的研究。因此,值得进一步研究工作参数对基于摩擦自激振动采集能量的影响,这将有利于基于摩擦自激振动能量采集器的设计并找到有效的方式以实现其高效的能量转化。而且关于摩擦自激振动能量采集对摩擦磨损行为的影响尚不明确,摩擦自激振动能量采集与动力学和摩擦学性能之间的关系尚未建立。因此,有必要进一步研究基于摩擦自激振动能量采集对摩擦系统动力学和摩擦学行为的影响,从而揭示它们之间的关系。此外,如果将部分振动能量转化为电能,可以减少摩擦系统产生的噪声,可以作为一种有效的抑制摩擦自激振动噪声的新方法,在汽车和高铁制动领域中具有广阔的应用前景。因此从动力学和摩擦学的角度出发,对基于摩擦自激振动的压电能量采集及其对界面摩擦学行为的影响进行研究具有一定的创新性和实用意义。本文主要研究了利用摩擦自激振动获取压电能量及其对界面摩擦学行为的影响,首先通过对振动信号和输出电压信号的相干性分析,验证了利用摩擦自激振动采集压电能量的可行性。其次通过有限元软件预测摩擦系统的不稳定振动行为,证实了摩擦过程中两个方向产生的振动能量是可以通过压电材料采集的。同时研究了不同工作参数(法向载荷、驱动速度和外加电阻)对摩擦自激振动能量采集性能的影响,并利用有限元模型和二自由度模型对所有实验过程进行了数值分析,对实验现象进行了合理的解释。然后通过摩擦磨损和摩擦振动噪声试验研究了基于摩擦自激振动能量采集对摩擦系统动力学和摩擦学行为的影响,并建立了数值模型对实验现象进行分析。论文最后研究了在高铁制动的缩比工况下加入压电元件所产生的影响,为抑制或消除高铁制动所产生的高频尖叫提供一个新的思路。本论文的主要研究结论如下:1.通过对振动信号和输出电压信号的相干性分析,验证了利用摩擦自激振动采集压电能量的可行性。实验结果表明摩擦系统存在产生最大振幅振动和最大输出电压的临界驱动速度,而较大的法向载荷会引起较大能级的振动和较高的输出电压,而外加电阻对摩擦系统的动力学影响不大,但能在一定范围内提高输出电压的幅值。然后通过有限元软件证实了摩擦过程中两个方向产生的振动能量是可以通过压电材料采集的,同时结合包含压电元件的二自由度数学模型对实验结果进行了验证。2.研究了添加压电元件对摩擦引起的振动、噪声和表面磨损的影响。实验结果表明部分自激振动能量被转化为了电能,这改善了摩擦界面的性能,有效地抑制了摩擦振动噪声的产生,减少了表面磨损。3.进一步探究了在高铁制动的缩比工况下加入压电元件对制动系统振动、噪声以及摩擦磨损特性的影响。实验结果表明在原始制动系统中的不同位置添加压电元件均会影响系统激起的噪声主频,同时可以吸收部分高频尖叫噪声能量,进而有效降低噪声的强度。能量采集的效率会影响制动所产生的振动,能量采集效率越高对振动的抑制也就越明显。4.由于悬臂梁结构在制动过程中反复振动,调节了制动系统的摩擦接触界面,改变了制动系统的接触压力分布和热分布,改善了压力集中和热集中的现象,减少了制动块的表面磨损,从而也对摩擦振动噪声产生了抑制效果,并且双侧同时添加压电元件的效果要优于单侧添加的效果。