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        摩擦-電學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

        2021-06-01 03:41:44武子帥王道愛張執(zhí)南
        關(guān)鍵詞:試驗(yàn)機(jī)電學(xué)彈簧

        何 可, 武子帥, 王道愛, 張執(zhí)南

        (1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 上海 200240;2. 中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所, 蘭州 730000)

        摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectric Nanogenerator, TENG)是一種能量收集和轉(zhuǎn)化裝置,其利用接觸起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合,將環(huán)境中的摩擦能轉(zhuǎn)化為電能,實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出能量[1],可用于微機(jī)電系統(tǒng)的持久續(xù)航[2-4].摩擦起電效應(yīng)是研制新型摩擦納米發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ),分析摩擦副材料的摩擦-電學(xué)性能有助于進(jìn)一步理解摩擦起電機(jī)理,為優(yōu)化摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能提供理論基礎(chǔ).

        目前,市場(chǎng)上尚無成熟的摩擦電試驗(yàn)系統(tǒng),研究者多通過搭建簡易摩擦起電測(cè)試臺(tái)或改造標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗(yàn)機(jī)的方式開展相關(guān)的摩擦起電試驗(yàn)[5-8].然而,多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)具有較寬的載荷范圍和復(fù)雜的金屬機(jī)械結(jié)構(gòu),并不適用于較小載荷和絕緣條件下的摩擦起電試驗(yàn),導(dǎo)致試驗(yàn)研究不規(guī)范.因此,開發(fā)具備摩擦-電學(xué)性能的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于摩擦起電的試驗(yàn)研究有重要意義.

        針對(duì)上述問題,設(shè)計(jì)并自主研發(fā)一套摩擦-電學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng),用于研究球/銷-盤在旋轉(zhuǎn)或往復(fù)條件下的摩擦-電學(xué)特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)微電流、載荷和摩擦系數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量.為系統(tǒng)配備摩擦微電流測(cè)量裝置,并開發(fā)配套的LabVIEW測(cè)控軟件.該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小載荷條件下的平穩(wěn)加載和微電流的精確測(cè)量,為規(guī)范化開展摩擦-電學(xué)性能的試驗(yàn)提供參考.

        1 系統(tǒng)組成

        摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)主要由試驗(yàn)機(jī)骨架、加載模塊、旋轉(zhuǎn)模塊和測(cè)控模塊組成,包括概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段:在概念設(shè)計(jì)階段,通過功能-結(jié)構(gòu)分析、形態(tài)學(xué)矩陣和Pugh法等系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法初步確定測(cè)試系統(tǒng)的工作原理;在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,通過SolidWorks進(jìn)行完整的三維建模,分析布局設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件選型和強(qiáng)度校核等.圖1為測(cè)試系統(tǒng)模型及其主要元件.表1為系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù).其中, 試驗(yàn)形式為球/銷-盤旋轉(zhuǎn),為測(cè)試系統(tǒng)配備測(cè)量微電流信號(hào)的專用數(shù)字萬用表DMM 6500,并利用 USB+LabVIEW程序進(jìn)行通信交互.

        圖1 摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的主要組成Fig.1 Main components of triboelectric test system

        表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

        試驗(yàn)機(jī)骨架主要包括底板、支承板、隔離板和外殼等一系列金屬板殼,設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部空間的合理規(guī)劃,將試驗(yàn)操作區(qū)域和電路控制區(qū)域隔離,并遮擋和隱藏部分區(qū)域,便于模塊更換,增強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)的綜合性.

        圖2為測(cè)試系統(tǒng)的加載模塊,其主要原理為以伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)加載元件下壓彈簧實(shí)現(xiàn)精確加載.當(dāng)上、下試樣相互接觸后,隨著伺服電動(dòng)機(jī)在控制程序下的驅(qū)動(dòng),下壓件壓緊彈簧實(shí)現(xiàn)設(shè)定載荷的加載.該設(shè)計(jì)參考UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),利用彈簧加載具有較高的穩(wěn)定性和抗振動(dòng)性能.在該模塊中,滾珠絲杠的導(dǎo)程和彈簧的勁度系數(shù)可以保證載荷分辨率較小,交叉導(dǎo)軌可以保證下壓的豎直性,從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)在特定載荷條件下的平穩(wěn)加載.

        圖2 測(cè)試系統(tǒng)的加載模塊Fig.2 Loading module of test system

        圖3為測(cè)試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)模塊,其主要通過伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同步輪來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)元件的轉(zhuǎn)動(dòng).同步帶、輪能夠有效保障轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性,同時(shí)具備較高精度的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩.加載模塊實(shí)現(xiàn)上試樣對(duì)下試樣的加載,轉(zhuǎn)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)下試樣的運(yùn)動(dòng),從而形成上、下試樣對(duì)磨的基本形式.在該模塊中,在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上、下端分別安置一個(gè)滾珠軸承,以保證轉(zhuǎn)動(dòng)軸的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng),并實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的定位.此外,操作者面向旋轉(zhuǎn)模塊正面,便于各部件的直接更換,以滿足不同形式的摩擦起電試驗(yàn)要求[9-10].

        圖4為測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)控模塊,其主要包括以NI板卡為核心的運(yùn)動(dòng)、加載、控制等電控元件,主要負(fù)責(zé)控制測(cè)試系統(tǒng)的加載、運(yùn)動(dòng)和啟停,同時(shí)采集并處理力信號(hào)和電信號(hào).圖4(a)為電控元件的走線設(shè)計(jì),其中運(yùn)動(dòng)和加載電動(dòng)機(jī)分別采用速度控制和位置控制,以實(shí)現(xiàn)特定的轉(zhuǎn)速和精準(zhǔn)的位移加載;圖

        4(b)為自主開發(fā)的LabVIEW控制程序,其采用移動(dòng)中值濾波法處理摩擦數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸零、圖像實(shí)時(shí)展示、數(shù)據(jù)一鍵處理、緊急停止等功能.

        圖3 測(cè)試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)模塊Fig.3 Rotating module of test system

        圖4 測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)控模塊Fig.4 Measurement control module of test system

        2 關(guān)鍵技術(shù)

        摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)小載荷條件下的微電流測(cè)量,具體主要涉及測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)過程中的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).

        2.1 小載荷平穩(wěn)加載設(shè)計(jì)

        摩擦試驗(yàn)機(jī)的基本特征為上、下試樣在特定的載荷作用下進(jìn)行某種形式的運(yùn)動(dòng)[11-12],其較易提供特定的運(yùn)動(dòng)形式,但不易施加穩(wěn)定載荷.且載荷越小,平穩(wěn)加載的難度越高.因此,載荷的平穩(wěn)加載是實(shí)現(xiàn)摩擦-電學(xué)試驗(yàn)測(cè)試的關(guān)鍵之一[13-14].

        在機(jī)械式加載中,彈簧加載因其具有較好的穩(wěn)定性和抗沖擊性而被廣泛應(yīng)用于新型試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)[15-16].加載精度取決于滾珠絲杠的導(dǎo)程和彈簧的勁度系數(shù).其中,滾珠絲杠的導(dǎo)程為5 mm,加載電動(dòng)機(jī)每 1 000 個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈,即每個(gè)脈沖下壓 5 μm.所選彈簧為不銹鋼壓簧,最軟彈簧的外徑為11 mm,直徑為1 mm,長度為50 mm,勁度系數(shù)約為0.8 N/mm,可滿足0.01 N的加載精度.

        圖5為加載模塊的優(yōu)化過程.其中,F(xiàn)為載荷,t為加載時(shí)間.在實(shí)際加載測(cè)試中,優(yōu)化前的載荷曲線存在一個(gè)突變階段(見圖5(a)),載荷迅速增大至約15 N,試驗(yàn)測(cè)試時(shí)難以滿足小于10 N的小載荷.這是由于當(dāng)上、下試樣未接觸時(shí),受重力影響,圖5(b)中的限位塊與固定塊之間存在壓力;而上、下試樣接觸瞬間,加載結(jié)構(gòu)繼續(xù)下壓,限位塊與固定塊發(fā)生分離,壓力瞬間消失,表現(xiàn)為載荷曲線的突變.

        在限位塊與固定塊之間設(shè)置緩沖彈簧(見圖5(c)).該設(shè)計(jì)對(duì)UMT等試驗(yàn)機(jī)的加載結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,令緩沖彈簧逐步釋放加載結(jié)構(gòu)的重力,保證小載荷條件下的平穩(wěn)加載.當(dāng)上、下試樣未接觸時(shí),緩沖彈簧受壓,保持加載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定.隨著上、下試樣逐漸接觸,緩沖彈簧的壓力逐漸釋放,可以滿足小載荷條件下的平穩(wěn)加載.當(dāng)載荷較大時(shí),隨著加載結(jié)構(gòu)進(jìn)一步下壓,緩沖彈簧恢復(fù)原長,固定塊開始擠壓加載彈簧,從而保證大載荷條件下的平穩(wěn)加載.

        圖5 加載模塊的優(yōu)化Fig.5 Optimization of loading module

        2.2 微電流測(cè)量絕緣處理

        摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)量載荷、摩擦力信號(hào)的同時(shí),還能夠測(cè)量上、下試樣摩擦過程中的微電流信號(hào).目前,研究者多采用常規(guī)的摩擦試驗(yàn)方法,利用附加測(cè)量微電流設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗(yàn)機(jī),考察材料特性和界面參數(shù)對(duì)摩擦起電量的影響[17-19].其中,標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)在摩擦信號(hào)測(cè)量方面表現(xiàn)較好,但由于其內(nèi)部的絕緣性較差,所以摩擦微電流測(cè)量不準(zhǔn)確[5,17].對(duì)此,針對(duì)上、下試樣的部分元件做絕緣處理,如圖6所示.

        圖6 微電流測(cè)量的絕緣設(shè)計(jì)Fig.6 Insulation design of micro current measurement

        圖中,直線滑臺(tái)的上部絕緣,可以有效隔離上試樣和試驗(yàn)機(jī)主體部分,因此無需再進(jìn)行絕緣處理.下試樣與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連,其絕緣處理較為復(fù)雜:首先使用橡膠墊片和橡膠螺栓固定下試樣,減少因固定螺栓而產(chǎn)生的電荷損失;然后采用絕緣漆或絕緣膠帶對(duì)4根支撐柱的上部進(jìn)行絕緣處理,保證電荷不向下流出;最后,向下方滾珠軸承的外圈噴絕緣漆,保證電荷不向外圈流出.絕緣設(shè)計(jì)主要為保證摩擦產(chǎn)生的電荷不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移,最終實(shí)現(xiàn)上、下試樣之間通路,上、下試樣與試驗(yàn)機(jī)主體均斷路.

        絕緣處理的難點(diǎn)在于完全隔離上、下試樣與試驗(yàn)機(jī)主體.選取橡膠等非金屬材料,將其應(yīng)用于上、下試樣附近的某一元件(如直線滑臺(tái))中,即可滿足隔離要求.完成絕緣處理后,在試驗(yàn)進(jìn)行中,摩擦產(chǎn)生的微電流即可通過圖6中的藍(lán)色路徑流出,再由數(shù)字萬用表實(shí)現(xiàn)采集和測(cè)量.

        3 試驗(yàn)測(cè)試與分析

        3.1 樣機(jī)對(duì)標(biāo)測(cè)試

        為驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)在基本摩擦測(cè)試方面的準(zhǔn)確性,以本實(shí)驗(yàn)室的多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)測(cè)試,對(duì)比載荷穩(wěn)定性.分別在2臺(tái)機(jī)器上進(jìn)行2組重復(fù)試驗(yàn),試驗(yàn)信息如表2所示.其中,Ra為粗糙度,v為轉(zhuǎn)動(dòng)速度.

        利用移動(dòng)平均法對(duì)摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和對(duì)標(biāo)的摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終載荷曲線的波動(dòng)情況如圖7所示.可知,相比于對(duì)標(biāo)的摩擦試驗(yàn)機(jī),摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的載荷穩(wěn)定性更好,其載荷波動(dòng)為±0.3 N,波動(dòng)幅度為±1%,緩沖彈簧有效降低了載荷的波動(dòng)幅度.該測(cè)試系統(tǒng)在F<50 N時(shí)表現(xiàn)出更平穩(wěn)的加載性能,能夠保證摩擦力信號(hào)的穩(wěn)定性,且具備較好的重復(fù)性,可以實(shí)現(xiàn)摩擦起電測(cè)試的平穩(wěn)進(jìn)行.

        表2 試驗(yàn)條件與參數(shù)Tab.2 Conditions and parameters of experiment

        圖7 載荷平穩(wěn)性對(duì)比測(cè)試Fig.7 Comparative test of load stability

        3.2 摩擦起電試驗(yàn)

        以載荷為例研究其對(duì)摩擦起電量的影響.銷-盤摩擦起電試驗(yàn)參數(shù)(見表2)用以說明鋁盤和純銅-銷試樣在F=10~30 N條件下的試驗(yàn)信息.

        圖8為試驗(yàn)用摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng).其中,圖8(a)為自主研發(fā)的試驗(yàn)樣機(jī),可實(shí)現(xiàn)F<50 N的穩(wěn)態(tài)加載和小于600 r/min的恒速轉(zhuǎn)動(dòng).其附帶緩沖彈簧,上、下試樣經(jīng)過絕緣處理.圖8(b)為摩擦起電試驗(yàn)測(cè)試圖,摩擦微電流由數(shù)字萬用表采集并測(cè)量,載荷和摩擦力等摩擦參數(shù)由NI板卡采集并導(dǎo)出.

        圖9為摩擦起電的電荷(Q)轉(zhuǎn)移曲線.其中,圖9(a)為不同載荷條件下,電荷隨時(shí)間的變化.可知,當(dāng)載荷較小時(shí),微電流存在一定的正負(fù)波動(dòng),表現(xiàn)為電荷曲線的波動(dòng)上升;當(dāng)載荷較大時(shí),微電流相對(duì)穩(wěn)定,表現(xiàn)為電荷曲線的平穩(wěn)上升.圖9(b)為電荷隨載荷的變化趨勢(shì).可知,在一定范圍內(nèi),摩擦起電量隨載荷的增加而增大,與文獻(xiàn)[17-18]中的結(jié)果一致,即轉(zhuǎn)移電荷量與載荷存在明顯的線性關(guān)系.

        圖8 摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)Fig.8 A triboelectric test system

        圖9 摩擦起電的電荷轉(zhuǎn)移曲線Fig.9 Transferred charge of triboelectrification

        4 結(jié)論

        針對(duì)目前摩擦起電試驗(yàn)中存在的主要問題,為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微電流、載荷和摩擦力,自主研發(fā)滿足小載荷平穩(wěn)加載、微電流精確測(cè)量的摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng).在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)摩擦學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上,通過配備高精度數(shù)字萬用表DMM 6500和對(duì)上、下試樣的絕緣處理,實(shí)現(xiàn)摩擦微電流的精準(zhǔn)測(cè)量.主要結(jié)論如下:

        (1) 摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)通過滾珠絲杠帶動(dòng)加載結(jié)構(gòu)下壓彈簧實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)加載,并通過同步輪實(shí)現(xiàn)下試樣轉(zhuǎn)動(dòng),最后基于LabVIEW程序和NI板卡等實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集.

        (2) 設(shè)置緩沖彈簧能夠優(yōu)化加載結(jié)構(gòu)的施壓過程,保證測(cè)試系統(tǒng)在小載荷條件下得到較平穩(wěn)的加載曲線;對(duì)上、下試樣進(jìn)行絕緣處理,能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦電荷只流向數(shù)字萬用表,保證微電流測(cè)量的準(zhǔn)確性.

        (3) 對(duì)標(biāo)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該測(cè)試系統(tǒng)具有平穩(wěn)加載的特點(diǎn);純銅-銷和鋁盤的摩擦起電基礎(chǔ)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銅-鋁界面間的轉(zhuǎn)移電荷量隨時(shí)間穩(wěn)步上升,且與載荷存在明顯的線性關(guān)系,為深入研究摩擦起電機(jī)理奠定基礎(chǔ).

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