陳美杉+李瑩+許濤

摘 要：通過檢測滾筒應(yīng)力場反應(yīng)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，但檢測節(jié)點(diǎn)電池壽命短，維護(hù)成本高。利用提升機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與周圍空氣發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的空氣流動(dòng)從而轉(zhuǎn)化成電能，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)持續(xù)供電。分析比較微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)研究：微型渦輪機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微型風(fēng)箱發(fā)電機(jī)、微型電磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)致振動(dòng)壓電能量收集裝置，提出實(shí)時(shí)收集風(fēng)致振動(dòng)壓電能量對提升機(jī)滾筒的無線檢測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)供電方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能轉(zhuǎn)換；能量收集裝置；壓電

引言

礦用提升礦石、煤炭物料、升降人員和設(shè)備的主要機(jī)械設(shè)備就是礦井提升機(jī)。但是隨著礦山資源發(fā)展方向的不斷深部化和大型化，復(fù)雜的地形和多變的現(xiàn)場環(huán)境極大增加了斷繩墜落等重大惡性事故的可能性。隨著科技的不斷發(fā)展和檢測技術(shù)的完善，各種不同類型的煤礦檢測系統(tǒng)相繼被安裝在大中型礦井中，檢測參數(shù)主要為井下瓦斯、CO的濃度、風(fēng)速、粉塵，電壓、電流、風(fēng)門開閉和重要設(shè)備開停工等工況。

相比于有線監(jiān)測，無線監(jiān)測即使在復(fù)雜的地理位置也可以遠(yuǎn)距離監(jiān)測與測量井下各種環(huán)境與設(shè)備參數(shù)；隨著無線通信技術(shù)的進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、不間斷并穩(wěn)定的監(jiān)測；安裝簡單，節(jié)省鋪設(shè)線纜的費(fèi)用，成本低，可靠性高[1]。

中國礦業(yè)大學(xué)朱真才等人發(fā)明了提升機(jī)滾筒應(yīng)力場檢測方法與裝置，能夠適用于深井下工作環(huán)境，傳感器靈敏度高以達(dá)到對滾筒狀態(tài)的監(jiān)測[2]。無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

通過無線傳感器應(yīng)力場檢測，實(shí)時(shí)檢測滾筒應(yīng)力。在旋轉(zhuǎn)體上布置的節(jié)點(diǎn)需采用電池供電，但是由于采樣頻率高，電池頻繁使用更換，維修成本高，雖然采用了低能耗的設(shè)備，但系統(tǒng)運(yùn)行仍然不穩(wěn)定且續(xù)航能力低。因提升機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與空氣有一定的相對速度，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)方向的空氣流動(dòng)。所以考慮將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電。

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)研究[3]有以下四種：微型渦輪機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微型風(fēng)箱發(fā)電機(jī)、微型電磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)致振動(dòng)壓電能量收集裝置。

渦輪風(fēng)力電機(jī)，依靠上升力（與風(fēng)向垂直）和阻力（與風(fēng)向平行）兩大空氣動(dòng)力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。渦輪葉片直徑越大，捕獲的風(fēng)能也就越多。但隨著葉片的減小，由于軸承摩擦等因素，其發(fā)電效率逐漸降低；風(fēng)箱發(fā)電機(jī)，在風(fēng)速較高時(shí)有較大輸出效率，然而當(dāng)風(fēng)速小于3.5m/s，輸出功率較小，且有極大的噪聲；電磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，放置電機(jī)線圈在指定空間中，風(fēng)力作用下讓電機(jī)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，切割磁感線從而產(chǎn)生交流電，其運(yùn)行平穩(wěn)，使用安全[4]，但是在風(fēng)速較低的情況下，會因?yàn)榇盆F的重量而無法發(fā)電；風(fēng)致振動(dòng)壓電能量收集裝置，利用壓電材料，結(jié)構(gòu)簡單緊湊且安裝方便，無電磁干擾，價(jià)格低，對低風(fēng)速敏感，機(jī)電轉(zhuǎn)化效率高[5]。

對周圍環(huán)境中的振動(dòng)能量和流體能用微型壓電裝置收集是目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，且壓電技術(shù)研究集中，發(fā)展較快，因此提升機(jī)滾筒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量收集裝置選風(fēng)致振動(dòng)壓電能量收集技術(shù)。

2 壓電

2.1 壓電材料

壓電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的核心材料就是壓電材料。目前廣泛應(yīng)用的壓電材料大致有復(fù)合壓電材料、壓電單晶體、壓電陶瓷、壓電高分子聚合物等。

2.2 器件結(jié)構(gòu)

受到機(jī)械作用力的情況下壓電結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生電荷，影響壓電振子發(fā)電能力的最重要因素就是其支撐方式和器件結(jié)構(gòu)。通常壓電振子有四種不同的邊界條件：懸梁壁支撐、剛性夾持支撐、自由支撐和簡支支撐。

因?yàn)閼冶哿菏綁弘娬褡涌僧a(chǎn)生最大撓度和柔順系數(shù)，有較低的諧振頻率，最為常用，所以選擇雙晶片懸臂梁振動(dòng)模型[6]。

描述風(fēng)致振動(dòng)氣動(dòng)彈性力學(xué)問題[7]，則可表示為：

其中Fa是外載荷作用力；？籽是空氣密度，U是特征風(fēng)速；S是結(jié)構(gòu)的有效面積；Ca是結(jié)構(gòu)無量綱氣動(dòng)力系統(tǒng)；Q是流場變量；X是結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位移；■是速度；t是時(shí)間；Re是雷諾數(shù)，且Ca與Q，X，■，t和Re有關(guān)。

2.3 振動(dòng)特性

慣性自由振動(dòng)式、沖擊自由振動(dòng)式、強(qiáng)制振動(dòng)式是壓電振子發(fā)電的三種激勵(lì)方式。慣性自由振動(dòng)式發(fā)電能力弱，但持續(xù)振動(dòng)時(shí)間長，且不需要人為參與便可實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化；沖擊自由振動(dòng)式能瞬間產(chǎn)生高壓、大電流；強(qiáng)制振動(dòng)式可以單獨(dú)使用，也可以與其他電器集成一體。施加振幅強(qiáng)度增強(qiáng)，電流強(qiáng)度就強(qiáng)；反之強(qiáng)度減小。

2.4 電路轉(zhuǎn)化與電能儲存

因?yàn)檎駝?dòng)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能為交流電，并且需要儲能電路儲存足夠的電能驅(qū)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)中的各個(gè)電路。圖2所示的整流和儲能電路，采用反饋和前饋聯(lián)合控制的電路，可有效提高能量轉(zhuǎn)換效率[8]。

通過振動(dòng)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能要通過整流電路和電能儲存電路才能為傳感器，MCU，射頻電路等供電。振動(dòng)的數(shù)據(jù)會通過信號處理電路來濾除噪聲干擾并送給MCU進(jìn)行處理。

3 懸梁臂振動(dòng)分析

3.1 壓電模型的建立

根據(jù)伯努利-歐拉梁假設(shè)，建立壓電雙晶懸臂振動(dòng)理論模型[9]。直梁在平面內(nèi)做橫向振動(dòng)，且各截面中心主慣性軸在平面XOY內(nèi)，外載荷也作用在該平面。

橫向振動(dòng)微分方程：

其中？籽是單位體積梁的密度；A是懸臂梁的截面積；y（x，t）是梁上距原點(diǎn)x處截面在t時(shí)刻橫向位移；E是材料的彈性模量；q（x，t）是單位長度梁上分布的外力。

3.2 固有頻率和主振型

固有頻率：

位移方程：

本文討論的壓電能量收集裝置是懸臂梁支持，所以其邊界條件為撓度和界面轉(zhuǎn)角為零；轉(zhuǎn)矩為零，剪力和質(zhì)量慣性力平衡。

則懸臂梁主振型[10]

求得各階相應(yīng)的主振型后，梁的固有振型等于各階主振型的疊加。

3.3 振動(dòng)產(chǎn)生的電能

壓電片的應(yīng)力就是懸梁臂表面的應(yīng)力，則懸臂梁壓電振子的應(yīng)力可表示為：

正壓電效應(yīng)：

其中D是電位移；d是壓電常數(shù)；？著是介電常數(shù)；T是應(yīng)力；E是電場。

采用正壓電效應(yīng)，介質(zhì)內(nèi)部不存在空間電荷和邊緣電場，則E=0，D3=d31T1

壓電振子產(chǎn)生的電荷為：

其中：

4 結(jié)束語

本文針對礦用提升機(jī)滾筒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量供給問題，查閱相關(guān)風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，確定壓電振動(dòng)能量收集裝置，捕獲提升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)周圍環(huán)境產(chǎn)生的風(fēng)能，將其轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)伯努利-歐拉梁假設(shè)，建立壓電雙晶懸臂梁的振動(dòng)理論模型，討論了固有頻率、輸出電壓等理論表達(dá)式，推導(dǎo)出振動(dòng)方程。

參考文獻(xiàn)

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