本文摘要：摘 要:針對(duì)水潤(rùn)滑軸承水膜壓力無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題，提出一種旋轉(zhuǎn)能量收集方法并設(shè)計(jì)能量收集裝置。旋轉(zhuǎn)能量收集方法應(yīng)用永磁發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并由能量收集裝置(整流、降壓、充電管理電路與鋰電池)將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)后為節(jié)點(diǎn)
摘 要:針對(duì)水潤(rùn)滑軸承水膜壓力無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題，提出一種旋轉(zhuǎn)能量收集方法并設(shè)計(jì)能量收集裝置。旋轉(zhuǎn)能量收集方法應(yīng)用永磁發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并由能量收集裝置(整流、降壓、充電管理電路與鋰電池)將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)后為節(jié)點(diǎn)在線(xiàn)供電。首先對(duì)能量收集裝置中的各電路進(jìn)行仿真，然后建立節(jié)點(diǎn)能量模型并對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行分析，最后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)能量收集試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：軸轉(zhuǎn)速是影響能量收集效果的主要因素，轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)，鋰電池充電時(shí)間低于節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，充電過(guò)程中電池電能逐漸變大，電壓逐漸上升，但進(jìn)入恒壓階段后充電功率逐漸降低，轉(zhuǎn)速1200r/min比1000r/min條件下充電效果更加顯著。
關(guān)鍵詞:水潤(rùn)滑軸承; 水膜壓力; 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè); 能量收集方法
0引 言
與油潤(rùn)滑軸承不同，水潤(rùn)滑軸承用水作潤(rùn)滑劑，不會(huì)對(duì)江河湖海造成污染，加之其具有良好的性能，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于水輪機(jī)、水泵等水力機(jī)械中，成為研究熱點(diǎn)[1]。水膜壓力是水潤(rùn)滑軸承的重要特性參數(shù)，通過(guò)水膜壓力的分布可以研究軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)、潤(rùn)滑機(jī)理等，具有重要意義;然而由于水的黏度低、水膜壓力不易形成，而且軸承使用環(huán)境具有密閉性，因此，真實(shí)水膜壓力測(cè)試一直是難點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)水潤(rùn)滑軸承水膜壓力測(cè)試采用有線(xiàn)傳輸方式[2-5]，但存在模擬信號(hào)衰減、集流環(huán)干擾等問(wèn)題，為了提高水膜壓力測(cè)試精度，近年來(lái)有學(xué)者提出解決方案——無(wú)線(xiàn)測(cè)試。
供電論文范例：班組建設(shè)引領(lǐng)新時(shí)代供電所走向更優(yōu)
例如，袁佳等[6]介紹了一種水潤(rùn)滑艉軸承綜合試驗(yàn)平臺(tái)，數(shù)據(jù)傳輸采用Wi-Fi，但Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸功耗高、組網(wǎng)能力低、無(wú)線(xiàn)穩(wěn)定性差，限制了其應(yīng)用;王楠等[7]提出了一種水潤(rùn)滑軸承水膜壓力的無(wú)線(xiàn)測(cè)試方法，采用無(wú)線(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式進(jìn)行水膜壓力數(shù)據(jù)傳輸。上述水膜壓力無(wú)線(xiàn)測(cè)試方法中，節(jié)點(diǎn)大都隨軸高速旋轉(zhuǎn)且仍采用電池供電，而電池能量有限，如果其能量耗盡，會(huì)極大影響測(cè)試過(guò)程;另外，更換電池需要頻繁停機(jī)，非常不便。因此，節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題是亟需解決的問(wèn)題。
為無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)供電的能量收集技術(shù)包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、振動(dòng)能、電磁能等，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，研究成果頗豐。例如，馮凱等[8]基于溫差發(fā)電片及升壓管理模塊設(shè)計(jì)了一種井下設(shè)備表面溫差的熱電能量收集裝置, 并利用該裝置為鋰離子電池充電,試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該裝置收集溫差熱能，可使鋰電池的放電工作時(shí)間顯著提高, 在溫差為50 ℃時(shí), 采用水冷散熱方式，可將CC2530無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間提高50%。
郭穎等[9]針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款從環(huán)境中提取能量的傳感器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能和射頻能量混合供能方式, 以鋰離子電池和超級(jí)電容為儲(chǔ)能裝置為節(jié)點(diǎn)供能，缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)化率較低。而在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，主要有：
1)捕獲周?chē)h(huán)境能量供電，包括熱能、機(jī)械能、輻射能、化學(xué)能等形式;2)無(wú)線(xiàn)供電，包括電磁耦合、光電耦合、電磁共振等;但能量傳輸效率等難題未得到完全解決。王方等哲[10]建立了諧振無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)，對(duì)其在智能軸承中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，通過(guò)分析供電過(guò)程中供電頻率等因素對(duì)供電性能的影響，確定相關(guān)參數(shù)并對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，為軸承旋轉(zhuǎn)套圈溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供可靠的電能供給。
歐陽(yáng)武等[11]將傳感器安裝在特制壓蓋中并將壓蓋安裝到轉(zhuǎn)軸中測(cè)量水膜壓力，信號(hào)傳輸采用KMT無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)、電磁感應(yīng)原理進(jìn)行供電和信號(hào)采集;然而，電磁感應(yīng)供電易受干擾，能量有限且需在軸系外部安裝電磁發(fā)射裝置。綜上所述，為了解決水膜壓力無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題，本文提出旋轉(zhuǎn)能量收集方法，采用永磁發(fā)電機(jī)與鋰電池組合的方案設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)能量收集裝置，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
1無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供電方法與裝置
1.1旋轉(zhuǎn)能量收集方法
將無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)電滑環(huán)與減速機(jī)固連，減速機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與永磁發(fā)電機(jī)輸入軸聯(lián)接，能量收集裝置吸附在減速機(jī)上，一端與發(fā)電機(jī)定子輸出端連接，將發(fā)電機(jī)輸出電能進(jìn)行整流、降壓與存儲(chǔ)，另一端與套在軸上的導(dǎo)電滑環(huán)定子端連接，導(dǎo)電滑環(huán)轉(zhuǎn)子端與無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)連接，對(duì)其在線(xiàn)持續(xù)供電。安裝導(dǎo)電滑環(huán)是為了避免能量回收設(shè)備的輸出供電連接線(xiàn)在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)纏繞于軸上，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。
2節(jié)點(diǎn)與能耗估算
2.1節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與能耗
水膜壓力無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，包括：恒流源、DSP模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊與電源模塊。恒流源包括三端穩(wěn)壓器78M05、電壓轉(zhuǎn)換芯片SP232ACN與SP485CN，其作用是為水膜壓力傳感器供電，其本身也需供電;DSP模塊選擇DSPF2812;無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊包括微控制器LPC1776與ZM516射頻電路，分別負(fù)責(zé)執(zhí)行通信協(xié)議與數(shù)據(jù)收發(fā)。節(jié)點(diǎn)能耗影響因素較多，例如：節(jié)點(diǎn)采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等，因此僅對(duì)其能耗進(jìn)行估算，如表1所示，節(jié)點(diǎn)功耗為3313.825mW。
3永磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)能量收集試驗(yàn)
3.1試驗(yàn)方案
試驗(yàn)儀器設(shè)備參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2000r/min，減速機(jī)傳動(dòng)比4∶1，永磁發(fā)電機(jī)額定電壓12 V，額定功率100 W，額定轉(zhuǎn)速750 r/min;霍爾電流傳感器WCS1800供電電壓為DC5 V，電流檢測(cè)范圍為最高DC35 A或AC25 A;霍爾電壓傳感器CH300供電電壓12 V，電壓測(cè)量范圍為0~200 V。若將鋰電池充電控制在恒流階段，比較發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，鋰電池充電時(shí)間高于節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間為節(jié)點(diǎn)供電;轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，充電時(shí)間低于節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)持續(xù)供電，當(dāng)電能耗盡或出現(xiàn)故障時(shí)，為保證工作效率，此時(shí)需要兩個(gè)電池交替工作，當(dāng)其中一個(gè)電池的電量不足以為節(jié)點(diǎn)供電，可切換至另一個(gè)處于恒流階段的電池繼續(xù)給無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)供電，不影響節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。
4結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種水膜壓力無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)方法并設(shè)計(jì)了能量收集裝置，通過(guò)系統(tǒng)建模、能耗估算、電路仿真與試驗(yàn)，得到了充電過(guò)程中的電壓和電流變化規(guī)律，
結(jié)論為：
1)根據(jù)鋰電池充電過(guò)程中電流、電壓和功率的變化情況可知，轉(zhuǎn)速1200r/min比1000r/min條件下充電效果更加顯著。
2)轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，鋰電池充滿(mǎn)時(shí)長(zhǎng)略低于節(jié)點(diǎn)工作所需時(shí)長(zhǎng)，即鋰電池充電速率高于節(jié)點(diǎn)消耗能量速率，鋰電池可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)持續(xù)供電，驗(yàn)證了能量收集方法與裝置設(shè)計(jì)的合理性。
3)用直流電源模擬1200r/min下的充電階段，比較得出文中所述能量收集方法與直流電源充電效果基本等同，而且能更好地用于水膜壓力無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
4)后續(xù)的研究中，將著重對(duì)充電電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高充電效率。
參考文獻(xiàn)
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作者：戚天博1,2，王 楠1,2，楊利濤1,2
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