水潤滑軸承水膜壓力無線監測節點供電方法研究

戚天博，王 楠，楊利濤

(1.陜西理工大學機械工程學院，陜西 漢中 723001; 2.陜西省工業自動化重點實驗室，陜西 漢中 723001)

0 引 言

與油潤滑軸承不同，水潤滑軸承用水作潤滑劑，不會對江河湖海造成污染，加之其具有良好的性能，近年來廣泛應用于水輪機、水泵等水力機械中，成為研究熱點[1]。水膜壓力是水潤滑軸承的重要特性參數，通過水膜壓力的分布可以研究軸承的潤滑狀態、潤滑機理等，具有重要意義；然而由于水的黏度低、水膜壓力不易形成，而且軸承使用環境具有密閉性，因此，真實水膜壓力測試一直是難點問題。

傳統水潤滑軸承水膜壓力測試采用有線傳輸方式[2-5]，但存在模擬信號衰減、集流環干擾等問題，為了提高水膜壓力測試精度，近年來有學者提出解決方案——無線測試。例如，袁佳等[6]介紹了一種水潤滑艉軸承綜合試驗平臺，數據傳輸采用Wi-Fi，但Wi-Fi進行數據傳輸功耗高、組網能力低、無線穩定性差，限制了其應用；王楠等[7]提出了一種水潤滑軸承水膜壓力的無線測試方法，采用無線點對點方式進行水膜壓力數據傳輸。

上述水膜壓力無線測試方法中，節點大都隨軸高速旋轉且仍采用電池供電，而電池能量有限，如果其能量耗盡，會極大影響測試過程；另外，更換電池需要頻繁停機，非常不便。因此，節點供電問題是亟需解決的問題。

為無線節點供電的能量收集技術包括太陽能、風能、潮汐能、振動能、電磁能等，經過多年發展，研究成果頗豐。例如，馮凱等[8]基于溫差發電片及升壓管理模塊設計了一種井下設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,試驗結果表明，采用該裝置收集溫差熱能，可使鋰電池的放電工作時間顯著提高, 在溫差為50 ℃時, 采用水冷散熱方式，可將CC2530無線傳感器節點的工作時間提高50%。郭穎等[9]針對無線傳感器節點能量供應的問題，設計了一款從環境中提取能量的傳感器節點。該節點采用太陽能和射頻能量混合供能方式, 以鋰離子電池和超級電容為儲能裝置為節點供能，缺點是能量轉化率較低。而在旋轉機械設備無線監測領域，主要有：1）捕獲周圍環境能量供電，包括熱能、機械能、輻射能、化學能等形式；2）無線供電，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]建立了諧振無線供電系統，對其在智能軸承中的應用進行了初步研究，通過分析供電過程中供電頻率等因素對供電性能的影響，確定相關參數并對供電系統進行小型化設計，為軸承旋轉套圈溫度監測系統提供可靠的電能供給；歐陽武等[11]將傳感器安裝在特制壓蓋中并將壓蓋安裝到轉軸中測量水膜壓力，信號傳輸采用KMT無線遙測系統、電磁感應原理進行供電和信號采集；然而，電磁感應供電易受干擾，能量有限且需在軸系外部安裝電磁發射裝置。

綜上所述，為了解決水膜壓力無線監測節點供電問題，本文提出旋轉能量收集方法，采用永磁發電機與鋰電池組合的方案設計了節點能量收集裝置，并進行試驗驗證。

1 無線監測節點供電方法與裝置

1.1 旋轉能量收集方法

水膜壓力無線監測節點能量供應方法如圖1所示，將無線監測節點、導電滑環與減速機固連，減速機輸出軸通過聯軸器與永磁發電機輸入軸聯接，能量收集裝置吸附在減速機上，一端與發電機定子輸出端連接，將發電機輸出電能進行整流、降壓與存儲，另一端與套在軸上的導電滑環定子端連接，導電滑環轉子端與無線監測節點連接，對其在線持續供電。安裝導電滑環是為了避免能量回收設備的輸出供電連接線在軸旋轉時纏繞于軸上，從而導致設備損壞。

圖 1 節點能量供應方法示意圖

永磁發電機為三相交流輸出，安裝在整個軸系尾端，由于其額定轉速限制，因此需要設置行星減速機，方形法蘭盤輸出軸方式，精度高、承載能力大、效率高。導電滑環采用套筒滑環結構，安裝簡易、無需潤滑油、免維護。上述方法可解決頻繁停機更換電池的問題，實現在線不停機供電。

1.2 能量收集裝置

能量收集裝置構成如圖2所示，包括整流電路、降壓電路、充電管理電路與鋰電池等。

圖 2 能量收集裝置原理圖

發電機發出的三相交流電經過整流與降壓之后，再通過充電管理電路將電能存儲在鋰電池中，給無線監測節點供電。能量收集裝置包含兩個鋰電池，當其中一個電池不足以驅動無線監測節點時，可自動切換至另一個已充滿電的電池繼續給無線節點供電，與此同時，能量收集裝置則開始給電量不足的電池充電，兩個電池交替工作；電池的充放電模式以及切換均由充電管理電路管理與調度。

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整流電路為小功率三相全波整流橋SQL5010，由一組共陰極和共陽極電路串聯組成，如圖3(a)所示，圖中D1、D3、D5 3個晶閘管共陰極連接，D2、D4、D6則共陽極連接。其作用是將永磁發電機發出的交流電轉換為直流電，交流輸入電壓可達50 V，直流最大輸出電流50 A，仿真結果如圖3(b)所示。在負載R1的兩端增加一個濾波電容C1（470 μF），由于電抗元件在電路中有儲能作用，當電源電壓逐漸升高時，電容C1充電，當電壓降低時C1放電，如圖3(c)所示，具有較好的平波作用。

圖 3 整流電路及仿真

如圖4所示，降壓電路芯片選用輸出電壓可調的LM7805，電壓連續可調，輸入電壓不高于36 V，輸出電壓5 V，最大輸出電流1.5 A。三相永磁發電機輸出交流12 V，通過整流電路后進行降壓為充電管理電路供電。

圖 4 降壓電路及仿真

充電管理電路芯片選擇VH-CD42，原理圖如圖5所示。該芯片為充放電一體，充電電壓DC4.5～5.5 V，充電電流0～2.1 A，輸出標準電壓4.2 V。同時具備放電功能，放電電流0～3.5 A，可迅速、無害對電池放電。

圖 5 充電管理電路原理圖

2 節點與能耗估算

2.1 節點結構與能耗

水膜壓力無線監測節點結構如圖6所示，包括：恒流源、DSP模塊、無線收發模塊與電源模塊。恒流源包括三端穩壓器78M05、電壓轉換芯片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；無線收發模塊包括微控制器LPC1776與ZM516射頻電路，分別負責執行通信協議與數據收發。節點能耗影響因素較多，例如：節點采用的調制模式、數據率、發射功率和操作周期等，因此僅對其能耗進行估算，如表1所示，節點功耗為3 313.825 mW。

圖 6 水膜壓力無線監測節點結構圖

表 1 節點功耗

2.2 能量模型與數據傳輸能耗

無線監測節點能耗除了與自身有關之外，還與傳輸數據量有很大關系，因此建立了如圖7所示的節點能量模型[12]。其中，atx、arx分別為節點傳輸一位數據的能耗；ξ為傳輸放大器能耗；γ為路徑消耗指數，如果網絡節點未收到障礙或存在較少障礙，γ=2；如果節點位于城區，γ=6；d為數據傳輸之間相鄰節點間隔；Etx和Erx分別為節點發射和接收k位數據所需能量。

圖 7 節點能量模型

這里根據無線模塊參數，取

則節點發送消耗為

本節點6個通道，采樣頻率1 kHz，采樣點數256，通信波特率115 200 bit/s，則節點1 s內發送/接收數據消耗功率為：

節點內部和傳輸數據總損耗約為3 417.525 mW。

3 永磁電機旋轉能量收集試驗

3.1 試驗方案

圖8為永磁電機旋轉能量收集試驗方案，圖9為試驗現場。試驗儀器設備參數如下：電動機額定轉速2 000 r/min，減速機傳動比4∶1，永磁發電機額定電壓12 V，額定功率100 W，額定轉速750 r/min；霍爾電流傳感器WCS1800供電電壓為DC5 V，電流檢測范圍為最高DC35 A或AC25 A；霍爾電壓傳感器CH300供電電壓12 V，電壓測量范圍為0～200 V。

圖 8 試驗方案

圖 9 試驗現場

試驗過程如下：每隔200 r進行充電試驗，能量收集電路將發電機輸出三相交流電進行轉換并存儲至鋰電池，為無線節點在線供電；用霍爾電流、電壓傳感器獲得鋰電池充電過程中的電流電壓，通過NI采集卡采集后送至上位機顯示、處理與分析。

3.2 試驗結果與分析

圖10為不同轉速下的充電電壓、電流與功率變化曲線，為了研究能量收集效果，還與直流電源充電過程進行了比較。由圖10可以看出電動機轉速1 000 r/min時，鋰電池在0～0.8 h范圍內為恒流充電階段，在0.8～2.0 h范圍內為恒壓充電階段，0.8 h功率達到峰值；當轉速1 200 r/min時，鋰電池在0～0.6 h范圍內為恒流充電階段，在0.6～2.0 h范圍內為恒壓充電階段，0.6 h功率達到峰值。因此為了提高鋰電池充電功率，應將鋰電池充電保持在恒流階段。根據試驗結果，轉速1 000 r/min時，優先選取0.6～0.8 h階段，此時電池充電電流為1.26 A，根據鋰電池充電時長公式：H=1.5×2 000 mAh/充電電流。可得電池充滿需要2.38 h，即143 min；轉速1 200 r/min時，優先選取0.4～0.6 h階段，電池充電電流為1.48 A，根據公式可得電池充滿需要2.03 h，即122 min。

圖 10 不同轉速下充電參數

用直流電源充電分別模擬轉速1 200 r/min下的恒流、恒壓階段，恒流充電電流是1.49 A，恒壓充電充電電壓是6.50 V。如圖10(a)、(b)所示，將直流電源充電與發電機交流充電曲線相比較，恒流充電階段時間分別為0.58 h與0.6 h，直流電源充電時間稍短，這是由于直流電源穩定性較好，不受交流發電機輸出的影響，因此充電過程電壓值上升略快，電流值基本保持相同；在恒壓充電階段（0.58～2.0 h），電壓值基本保持恒定，直流電源電流值下降較快，因為直流電源充電速率稍快，電流值下降更為顯著。綜上所述，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線監測系統。

如圖11所示，鋰電池容量百分比與電壓是非線性關系，試驗中電池初始電壓為3.52 V，即5%容量；電池恒流階段結束時電壓為4.06 V，即86%容量，因此電池81%為可用容量。根據估算結果，節點發送數據和內部結構總功率約3 417.525 mW，試驗中容量2 000 mAh的5 V鋰電池所含電能為29 160 J，可讓無線監測節點不間斷連續工作8 532 s，即142 min。

圖 11 電壓隨容量百分比變化曲線

若將鋰電池充電控制在恒流階段，比較發現轉速1 000 r/min時，鋰電池充電時間高于節點工作時間，無法長時間為節點供電；轉速1 200 r/min時，充電時間低于節點工作時間，實現在線持續供電，當電能耗盡或出現故障時，為保證工作效率，此時需要兩個電池交替工作，當其中一個電池的電量不足以為節點供電，可切換至另一個處于恒流階段的電池繼續給無線節點供電，不影響節點正常運行。

4 結束語

本文提出了一種水膜壓力無線監測節點的能量供應方法并設計了能量收集裝置，通過系統建模、能耗估算、電路仿真與試驗，得到了充電過程中的電壓和電流變化規律，結論為：

1)根據鋰電池充電過程中電流、電壓和功率的變化情況可知，轉速1 200 r/min比1 000 r/min條件下充電效果更加顯著。

2)轉速1 200 r/min時，鋰電池充滿時長略低于節點工作所需時長，即鋰電池充電速率高于節點消耗能量速率，鋰電池可實現在線持續供電，驗證了能量收集方法與裝置設計的合理性。

3)用直流電源模擬1 200 r/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線監測系統。

4)后續的研究中，將著重對充電電路進行優化設計，提高充電效率。