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,實現(xiàn)對外輸出能量[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,市場上尚無成熟的摩擦電試驗系統(tǒng),研究者多通過搭建簡易摩擦起電測試臺或改造標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗機(jī)的方式開展相關(guān)的摩擦起電試驗[5-8].然而,多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)試驗機(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,導(dǎo)致試驗研究不規(guī)范.因此,開發(fā)具備摩擦-電學(xué)性能的測試系統(tǒng)對于摩擦起電的試驗研究有重要意義.
針對上述問題,設(shè)計并自主研發(fā)一套摩擦-電學(xué)性能測試系統(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,實現(xiàn)對微電流、載荷和摩擦系數(shù)的實時測量.為系統(tǒng)配備摩擦微電流測量裝置,并開發(fā)配套的LabVIEW測控軟件.該系統(tǒng)可實現(xiàn)小載荷條件下的平穩(wěn)加載和微電流的精確測量,為規(guī)范化開展摩擦-電學(xué)性能的試驗提供參考.
摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)主要由試驗機(jī)骨架、加載模塊、旋轉(zhuǎn)模塊和測控模塊組成,包括概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計兩個階段:在概念設(shè)計階段,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)計方法初步確定測試系統(tǒng)的工作原理;在詳細(xì)設(shè)計階段,通過SolidWorks進(jìn)行完整的三維建模,分析布局設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)件選型和強度校核等.圖1為測試系統(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, 試驗形式為球/銷-盤旋轉(zhuǎn),為測試系統(tǒng)配備測量微電流信號的專用數(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)計時主要考慮試驗機(jī)內(nèi)部空間的合理規(guī)劃,將試驗操作區(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,增強測試系統(tǒng)的綜合性.
圖2為測試系統(tǒng)的加載模塊,其主要原理為以伺服電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠帶動加載元件下壓彈簧實現(xiàn)精確加載.當(dāng)上、下試樣相互接觸后,隨著伺服電動機(jī)在控制程序下的驅(qū)動,下壓件壓緊彈簧實現(xiàn)設(shè)定載荷的加載.該設(shè)計參考UMT摩擦磨損試驗機(jī),利用彈簧加載具有較高的穩(wěn)定性和抗振動性能.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,從而實現(xiàn)測試系統(tǒng)在特定載荷條件下的平穩(wěn)加載.
圖2 測試系統(tǒng)的加載模塊Fig.2 Loading module of test system
圖3為測試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)模塊,其主要通過伺服電動機(jī)驅(qū)動同步輪來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)元件的轉(zhuǎn)動.同步帶、輪能夠有效保障轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性,同時具備較高精度的傳動轉(zhuǎn)矩.加載模塊實現(xiàn)上試樣對下試樣的加載,轉(zhuǎn)動模塊實現(xiàn)下試樣的運動,從而形成上、下試樣對磨的基本形式.在該模塊中,在轉(zhuǎn)動軸的上、下端分別安置一個滾珠軸承,以保證轉(zhuǎn)動軸的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動,并實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動軸的定位.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要求[9-10].
圖4為測試系統(tǒng)的測控模塊,其主要包括以NI板卡為核心的運動、加載、控制等電控元件,主要負(fù)責(zé)控制測試系統(tǒng)的加載、運動和啟停,同時采集并處理力信號和電信號.圖4(a)為電控元件的走線設(shè)計,其中運動和加載電動機(jī)分別采用速度控制和位置控制,以實現(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,其采用移動中值濾波法處理摩擦數(shù)據(jù),可實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸零、圖像實時展示、數(shù)據(jù)一鍵處理、緊急停止等功能.
圖3 測試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)模塊Fig.3 Rotating module of test system
圖4 測試系統(tǒng)的測控模塊Fig.4 Measurement control module of test system
摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)的關(guān)鍵點為實現(xiàn)小載荷條件下的微電流測量,具體主要涉及測試系統(tǒng)開發(fā)過程中的兩項關(guān)鍵技術(shù).
摩擦試驗機(jī)的基本特征為上、下試樣在特定的載荷作用下進(jìn)行某種形式的運動[11-12],其較易提供特定的運動形式,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)加載是實現(xiàn)摩擦-電學(xué)試驗測試的關(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)用于新型試驗機(jī)的設(shè)計[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,加載電動機(jī)每 1 000 個脈沖轉(zhuǎn)一圈,即每個脈沖下壓 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為加載時間.在實際加載測試中,優(yōu)化前的載荷曲線存在一個突變階段(見圖5(a)),載荷迅速增大至約15 N,試驗測試時難以滿足小于10 N的小載荷.這是由于當(dāng)上、下試樣未接觸時,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)計對UMT等試驗機(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,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,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
摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)在測量載荷、摩擦力信號的同時,還能夠測量上、下試樣摩擦過程中的微電流信號.目前,研究者多采用常規(guī)的摩擦試驗方法,利用附加測量微電流設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗機(jī),考察材料特性和界面參數(shù)對摩擦起電量的影響[17-19].其中,標(biāo)準(zhǔn)試驗機(jī)在摩擦信號測量方面表現(xiàn)較好,但由于其內(nèi)部的絕緣性較差,所以摩擦微電流測量不準(zhǔn)確[5,17].對此,針對上、下試樣的部分元件做絕緣處理,如圖6所示.
圖6 微電流測量的絕緣設(shè)計Fig.6 Insulation design of micro current measurement
圖中,直線滑臺的上部絕緣,可以有效隔離上試樣和試驗機(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)計主要為保證摩擦產(chǎn)生的電荷不會發(fā)生轉(zhuǎn)移,最終實現(xiàn)上、下試樣之間通路,上、下試樣與試驗機(jī)主體均斷路.
絕緣處理的難點在于完全隔離上、下試樣與試驗機(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)中,即可滿足隔離要求.完成絕緣處理后,在試驗進(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)字萬用表實現(xiàn)采集和測量.
為驗證測試系統(tǒng)在基本摩擦測試方面的準(zhǔn)確性,以本實驗室的多功能摩擦磨損試驗機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對標(biāo)測試,對比載荷穩(wěn)定性.分別在2臺機(jī)器上進(jìn)行2組重復(fù)試驗,試驗信息如表2所示.其中,Ra為粗糙度,v為轉(zhuǎn)動速度.
利用移動平均法對摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)和對標(biāo)的摩擦試驗機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終載荷曲線的波動情況如圖7所示.可知,相比于對標(biāo)的摩擦試驗機(jī),摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)的載荷穩(wěn)定性更好,其載荷波動為±0.3 N,波動幅度為±1%,緩沖彈簧有效降低了載荷的波動幅度.該測試系統(tǒng)在F<50 N時表現(xiàn)出更平穩(wěn)的加載性能,能夠保證摩擦力信號的穩(wěn)定性,且具備較好的重復(fù)性,可以實現(xiàn)摩擦起電測試的平穩(wěn)進(jìn)行.
表2 試驗條件與參數(shù)Tab.2 Conditions and parameters of experiment
圖7 載荷平穩(wěn)性對比測試Fig.7 Comparative test of load stability
以載荷為例研究其對摩擦起電量的影響.銷-盤摩擦起電試驗參數(shù)(見表2)用以說明鋁盤和純銅-銷試樣在F=10~30 N條件下的試驗信息.
圖8為試驗用摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng).其中,圖8(a)為自主研發(fā)的試驗樣機(jī),可實現(xiàn)F<50 N的穩(wěn)態(tài)加載和小于600 r/min的恒速轉(zhuǎn)動.其附帶緩沖彈簧,上、下試樣經(jīng)過絕緣處理.圖8(b)為摩擦起電試驗測試圖,摩擦微電流由數(shù)字萬用表采集并測量,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,電荷隨時間的變化.可知,當(dāng)載荷較小時,微電流存在一定的正負(fù)波動,表現(xiàn)為電荷曲線的波動上升;當(dāng)載荷較大時,微電流相對穩(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.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
針對目前摩擦起電試驗中存在的主要問題,為了實時監(jiān)測微電流、載荷和摩擦力,自主研發(fā)滿足小載荷平穩(wěn)加載、微電流精確測量的摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng).在實現(xiàn)傳統(tǒng)摩擦學(xué)測試的基礎(chǔ)上,通過配備高精度數(shù)字萬用表DMM 6500和對上、下試樣的絕緣處理,實現(xiàn)摩擦微電流的精準(zhǔn)測量.主要結(jié)論如下:
(1) 摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)通過滾珠絲杠帶動加載結(jié)構(gòu)下壓彈簧實現(xiàn)平穩(wěn)加載,并通過同步輪實現(xiàn)下試樣轉(zhuǎn)動,最后基于LabVIEW程序和NI板卡等實現(xiàn)試驗系統(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,保證測試系統(tǒng)在小載荷條件下得到較平穩(wěn)的加載曲線;對上、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,保證微電流測量的準(zhǔn)確性.
(3) 對標(biāo)試驗發(fā)現(xiàn)該測試系統(tǒng)具有平穩(wěn)加載的特點;純銅-銷和鋁盤的摩擦起電基礎(chǔ)試驗發(fā)現(xiàn)銅-鋁界面間的轉(zhuǎn)移電荷量隨時間穩(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).