近日，清华大学摩擦学国家重点实验室韩勤锴副研究员的研究团队在《纳米能源》(Nano Energy)上在线正式发表题为“具有自供能、自感知能力的摩擦电滚动轴承”（A triboelectric rolling ball bearing with self-powering and self-sensing capabilities）的学术文章。
滚动轴承是旋转机械的核心支承部件，也是旋转机械易损件之一。据统计，旋转机械的故障有30%是轴承故障引起的。有学者将温度、振动、噪声等传感器和微处理器植入轴承结构中，形成具有感知功能的智能轴承。通过分析处理这些数据，能够实时监测轴承运转状态，及时发现早期故障。对于减小经济损失、避免重大事故，具有重要的应用价值。随着物联网的普及和大数据处理技术的进步，已有多款智能轴承样机问世，例如瑞典斯凯孚的Insight系列、德国舍弗勒的VarioSense等。但这些轴承需要额外加装传感器，增加了结构复杂性，且需要外部供电，因而限制了其应用场合。
本论文提出了一种新型智能滚动轴承，称为摩擦电滚动轴承（Triboelectric Rolling Ball Bearing, TRBB）。TRBB直接采用机械滚动轴承结构，通过在TRBB外圈上粘贴柔性叉指电极，设计出一种具有滚动自由层模式的纳米摩擦发电机。在满足滚动轴承结构完整性的前提下，避免电极与滚动球的直接接触，保证了滚动轴承的使用寿命。由于滚动球和外圈之间的相对滚动，在接触界面产生摩擦电荷，当TRBB支承转子并旋转时将产生电能。在不同转速下测量了TRBB的输出特性，得到了具有最佳负载电阻的峰值功率。采用输出电流的均方根值和频率作为转速指标，分析了保持架、滚珠材料、外圈材料等设计参数对TRBB转速传感灵敏度的影响。将这两种指标得到的转速曲线与商用转速传感器的结果进行了对比，验证了TRBB的传感精度。通过对异常状态（滚动球确实和电极断裂）和负载电容的充放电试验，表明TRBB具有自感知、自供电能力。此外，经过近10小时的连续运转和重载转子（约10kg）试验，TRBB仍能保持稳定输出。研究表明TRBB具有在工业物联网环境下作为旋转机械智能传感节点的潜力。
图1 摩擦电滚动轴承：(a)实物；(b)结构分解图；(c) 发电原理图；(d) COMSOL的静电场仿真
图2 摩擦电滚动轴承性能测试：(a)变转速测试结果；(b)异常状态测试；(c) 9 h连续运转试验；(d)负载电容充电曲线；(e)重载转子试验
参与研究的人员还包括：清华大学机械系2017级硕士生丁状、秦朝烨副教授、王天杨博士、徐学平博士后、褚福磊教授。此项研究得到了国家自然科学基金以及摩擦学国家重点实验室基金的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930984X
