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激勵頻率自適應(yīng)的采煤機狀態(tài)壓電俘能監(jiān)測裝置研究*

2018-06-12 01:48師建國高廣財
傳感技術(shù)學(xué)報 2018年5期
關(guān)鍵詞:外界壓電采煤機

師建國,高廣財,滕 睿

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000;2.煤炭工業(yè)協(xié)會高端綜采成套裝備動力學(xué)測試與大數(shù)據(jù)分析中心,遼寧 阜新 123000;3.阜新市金廣礦山機械制造有限公司,遼寧 阜新 123000)

在煤礦技術(shù)逐漸發(fā)展的過程中人們對于煤礦井下設(shè)備運行可靠與穩(wěn)定性重視度逐漸的提升,通過對計算機技術(shù)的應(yīng)用研究了一些環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以及煤礦井下設(shè)備。作為煤礦井下開采的關(guān)鍵設(shè)備,需要通過對采煤機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用來對其溫度和實時震動等狀態(tài)進行監(jiān)測。

有線監(jiān)測是目前大多數(shù)采煤機機載運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所采用的主要形式,數(shù)據(jù)通過總線形式來實現(xiàn)與遠程監(jiān)控采集中心的通信,然而由于采煤機需要往復(fù)在刮板運輸機上運行,具有復(fù)雜和惡劣的工作條件,而且采煤機在工作時前后滾筒保持持續(xù)的轉(zhuǎn)動,對于有線監(jiān)測裝置的使用、布置以及安裝帶來了一定的困難,所以需要深入的研究采煤機狀態(tài)無線監(jiān)測裝置[1-2]。

在電壓自供電技術(shù)不斷興起和發(fā)展的過程中很多專家和學(xué)者深入的研究了在煤礦井下設(shè)備中對于壓電自供電技術(shù)的應(yīng)用方法:文獻[3-4]設(shè)計了一種壓電自供電裝置能力采集電路,并將其應(yīng)用到煤礦井下無線監(jiān)測設(shè)備中;文獻[5]以壓電振動俘能為基礎(chǔ)設(shè)計了一種自供電刮板輸送機張力監(jiān)測裝置;文獻[6]以采煤機銷軸受力監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計了一種無線自供電監(jiān)測系統(tǒng);文獻[7]以壓電振動俘能技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計了一種采煤機滾筒扭矩監(jiān)測系統(tǒng),并對其進行了應(yīng)用。

文獻[8]設(shè)計了包含彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)、主懸臂梁、副懸臂梁在內(nèi)的一種電俘能裝置的拾振結(jié)構(gòu),3個子系統(tǒng)之間的耦合可以通過非線性磁力來實現(xiàn),這種結(jié)構(gòu)能夠采集3個不同方向上的振動,由于耦合程度在3個子系統(tǒng)之間存在一定的差距,因此當(dāng)頻率和振幅發(fā)生變化時就會導(dǎo)致不同電壓的產(chǎn)生。

文獻[9]對壓電振動能量采集器進行了設(shè)計,通過對不對稱質(zhì)量塊的應(yīng)用這種采集器能夠采集厚度和長度方向的振動,從實驗結(jié)果中能夠發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)能夠高效的采集二維方向的振動能量。

圖1 機載運行狀態(tài)采集裝置基本結(jié)構(gòu)

我國相關(guān)學(xué)者通過對振動能量多方向采集方法的應(yīng)用,得到了一種包含一個立方體金屬框架、一個質(zhì)量金屬塊以及8個壓電換能器在內(nèi)的拾振器。其中環(huán)境振動變化不會影響壓電換能器,對于不同的環(huán)境振動方向以及特性未知的條件能夠快速的適應(yīng)。

文獻[10]將新型蒲公英狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了壓電振動能量采集器中、主要包含多面球式支撐體、懸臂梁式換能結(jié)構(gòu)以及基座,將懸臂梁式壓電換能機構(gòu)沿不同方向固定在多面支撐體上,當(dāng)在這種機構(gòu)上施加不同方向的激勵以及振動時,對應(yīng)方向布置的懸臂梁換能元件就會出現(xiàn)振動,多方向振動敏感性是其主要的特點。

以上研究在煤礦井下設(shè)備中應(yīng)用了壓電自供電技術(shù),能夠采用無線的方式監(jiān)測采煤機的運行狀態(tài)。當(dāng)煤礦井下的設(shè)備不同,或者相同設(shè)備的不同工作部位會產(chǎn)生不同的振動梁,共振頻率會受到壓電振子幾何參數(shù)的影響,進而對壓電俘能裝置的發(fā)電量產(chǎn)生一定的影響。因此本文為了適應(yīng)不同外界激勵頻率,研究一種自適應(yīng)外界激勵頻率的壓電俘能裝置,對其進行理論、仿真和實驗研究,驗證提出裝置的可行性。

1 壓電俘能無線監(jiān)測裝置

采煤機的實時溫度以及振動狀態(tài)信息可以利用采煤機運行狀態(tài)監(jiān)測裝置進行監(jiān)測。本文通過對ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用來對采煤機狀態(tài)無線監(jiān)測裝置進行研究,這種監(jiān)測裝置具有運行穩(wěn)定可靠和成本低的優(yōu)勢,通過對監(jiān)測分離方式以及狀態(tài)采集模塊的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)無線遠程監(jiān)測。

利用本文所研究的采集裝置能夠?qū)崟r的采集采煤機的溫度和振動等數(shù)據(jù),布置在采煤機上的傳感器能夠保證數(shù)據(jù)的精確性,通過對主控芯片的使用能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號和所采集數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。利用無線傳輸模塊可以將打包的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測裝置上。通過井下以太網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置能夠向井上數(shù)據(jù)監(jiān)控中心上傳數(shù)據(jù),進而達到實時監(jiān)測采煤機運行狀態(tài)的作用[11]。

圖1所示為采煤機的機載運行狀態(tài)采集裝置基本結(jié)構(gòu)。

通過文獻[12]的研究能夠看出在進行正常工作時采煤機機身振動頻率約為18.6 Hz、前后搖臂振動頻率約為32.2 Hz、滾筒處振動頻率約為51.6 Hz,因此并沒有最優(yōu)的壓電單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù),為了實現(xiàn)最大發(fā)電量和共振需要與環(huán)境振動頻率相互匹配。

本文通過對單懸臂梁的應(yīng)用,可以向壓電材料中傳導(dǎo)采煤機的振動能量。同時為了適應(yīng)不同外界激勵頻率,研究一種自適應(yīng)外界激勵頻率的壓電俘能裝置,基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 激勵頻率自適應(yīng)的壓電俘能裝置工作原理

2 壓電結(jié)構(gòu)振動發(fā)電機理分析

2.1 壓電結(jié)構(gòu)振動發(fā)電機理

采用單晶片懸臂梁壓電振子結(jié)構(gòu)設(shè)計一種壓電俘能裝置,圖3所示為其簡化模型。

圖3 單晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)

由機械系統(tǒng)動力學(xué)理論可以利用彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)來對整個結(jié)構(gòu)進行簡化,式(1)所示為系統(tǒng)動力學(xué)微分方程為:

(1)

式中:質(zhì)量塊振動相對位移用uou表示;懸臂梁在環(huán)境激勵下振動位移用uin表示:

uin=usinαsin(ωt)

(2)

由此,可得在外界環(huán)境激勵作用下質(zhì)量塊的慣性力為:

F=msuin+muou

(3)

在外界環(huán)境激勵作用下質(zhì)量塊的慣性力會彎曲懸臂梁,懸臂梁上壓電片應(yīng)力會發(fā)生變化,進而實現(xiàn)機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換。

借助材料力學(xué)理論和壓電學(xué)理論能夠?qū)υ谖灰谱饔孟聣弘娬褡赢a(chǎn)生的開路電壓進行計算:

(4)

通過理論研究能夠看出,壓電俘能裝置產(chǎn)生的開路電壓以及固有頻率會受到附加質(zhì)量塊、壓電片厚度、寬度、長度的影響[13]。由于壓電片長度、寬度、厚度不易實時調(diào)節(jié),因此本文主要通過改變附加質(zhì)量塊重心位置的方法調(diào)節(jié)壓電俘能裝置的固有頻率和產(chǎn)生的開路電壓,研究一種自適應(yīng)外界激勵頻率的壓電俘能裝置,以適應(yīng)不同外界激勵頻率。

2.2 質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)裝置理論分析

本文研究的質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)裝置力學(xué)簡化模型如圖4所示。如果質(zhì)量重心發(fā)生變化,與原系統(tǒng)相比,懸臂上的扭矩增加一倍。從而改變整個系統(tǒng)的有效彈性常數(shù),實現(xiàn)調(diào)節(jié)壓電俘能裝置的固有頻率和產(chǎn)生的開路電壓。

圖4 可變質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)裝置力學(xué)簡化模型

壓電俘能裝置的附加質(zhì)量塊由固定質(zhì)量塊m0和可動質(zhì)量塊m1組成。可動質(zhì)量塊的位置由微型電機驅(qū)動,能夠沿壓電俘能器的晶片縱向移動,從而改變附加質(zhì)量塊的重心位置。則改變位置后的附加質(zhì)量塊的重心位置為:

l=(m0l0+m1l1)/MM=m0+m1>

(5)

在附加質(zhì)量塊重心位置改變后,壓電俘能裝置懸臂晶片的撓度為[14]:

(6)

3 壓電結(jié)構(gòu)振動發(fā)電仿真研究

使用ABAQUS有限元分析軟件建立壓電俘能裝置的有限元分析模型,彈性層的彈性模量設(shè)置為110×109N/m2,泊松比為0.45,密度為8 230 kg/m3。壓電層的彈性模量設(shè)置為76.9×109N/m2,密度為7 500 kg/m3,泊松比為0.32。有限元節(jié)點類型設(shè)置為C3D10。分析質(zhì)量塊在不同位置時,壓電俘能裝置的固有頻率變化,如圖5所示。

圖5 壓電俘能裝置固有頻率仿真分析

4 實驗研究

通過實驗對所研究的自適應(yīng)外界激勵頻率的壓電俘能裝置的性能進行分析,一方面驗證理論分析和仿真結(jié)果的正確性,另一方面通過實際測試驗證其在采煤機上進行自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)的可行性。

圖6 實驗室測試系統(tǒng)

實驗室條件下的測量系統(tǒng)如圖6所示。使用北京科尚儀器公司的KSI-758PA100功率放大器和MS20模態(tài)激振器作為壓電俘能裝置的外界激勵源,通過調(diào)節(jié)功率放大器的輸出電流改變壓電俘能裝置的外界激勵的頻率。采用澄科 CT1005LC ICP振動傳感器測量壓電俘能裝置的振動量,通過CT5204恒流適配器和美國NI6009 動態(tài)信號測試儀讀取壓電俘能裝置的振動量信號。采用UTD2102cex示波器對壓電自供電裝置的輸出電壓進行監(jiān)測。

將彈性模量為110×109N/m2的銅作為彈性層。壓電層材料采用彈性模量為76.9×109N/m2的PZT,相對介電常數(shù)為3 400,壓電系數(shù)為6.5 C/m2[9]。

使用調(diào)節(jié)電機調(diào)整質(zhì)量塊從而移動壓電俘能器懸臂梁的重心位置,再通過模態(tài)激振器對壓電俘能器施加激勵,記錄發(fā)電量最大時的激勵頻率,則認為此時的激勵頻率為共振頻率,如圖7所示。本文研究的自適應(yīng)外界激勵頻率的壓電俘能裝置的頻率變化范圍為7赫茲到55 Hz。通過文獻的研究能夠看出在進行正常工作時采煤機機身振動頻率約為18.6 Hz、前后搖臂振動頻率約為32.2 Hz、滾筒處振動頻率約為51.6 Hz??梢?本文研究的壓電俘能器能夠滿足采煤機工作監(jiān)測裝置的需求。

圖7 共振頻率隨可動質(zhì)量塊移動位置變化

使用調(diào)節(jié)電機調(diào)整質(zhì)量塊從而移動壓電俘能器懸臂梁的重心位置,再通過模態(tài)激振器對壓電俘能器施加激勵,記錄不同激勵頻率下壓電俘能器的振幅,如圖8所示。

圖8 不同激勵頻率、不同質(zhì)量塊位移的發(fā)電量

可以看出,隨著壓電俘能器懸臂梁重心的變化,壓電俘能裝置發(fā)電量最大值對應(yīng)的激勵頻率逐漸增加。

通過分析在采煤機振動特性方面相關(guān)專家的研究,并根據(jù)發(fā)電量所受壓電結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,可以制作相應(yīng)的壓電自供電無線監(jiān)測裝置測量采煤機振動量。將本文研究的自適應(yīng)外界激勵頻率的壓電俘能安裝于采煤機試驗臺中,通過測試得到采煤機運行作時壓電俘能器輸出功率及可動質(zhì)量塊的位移如圖9所示。

圖9 壓電俘能器輸出功率及可動質(zhì)量塊的位移

使用常規(guī)監(jiān)測裝置安裝于采煤機相同位置,與壓電俘能器供電的無線監(jiān)測裝置同時進行采煤機的狀態(tài)監(jiān)測,能夠得到相同的結(jié)果。通過本文研究的自適應(yīng)外界激勵頻率的可變質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)裝置,使得安裝于采煤機各處的壓電俘能裝置輸出功率在300 mW左右。說明本文研究的自適應(yīng)外界激勵頻率的可變質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)裝置能夠適應(yīng)采煤機工作時不同位置的適應(yīng)不同外界激勵頻率,保持對監(jiān)測裝置穩(wěn)定供電。

5 結(jié)論

為了使壓電俘能裝置能夠根據(jù)不同外界激勵頻率進行自適應(yīng)調(diào)節(jié),研究一種具有質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)裝置的壓電俘能裝置。對其進行理論、仿真和實驗研究。

①隨著壓電俘能裝置懸臂梁重心的變化,壓電俘能裝置的固有頻率不斷變化,利用這一特征可實現(xiàn)壓電俘能裝置在不同外界激勵下仍保持最大發(fā)電量。

②研究的壓電俘能裝置能夠適應(yīng)7 Hz~55 Hz的激勵頻率。

③自適應(yīng)外界激勵頻率的壓電俘能裝置能夠?qū)Σ擅簷C工作時不同位置的激勵頻率進行自適應(yīng)調(diào)節(jié),保持對監(jiān)測裝置穩(wěn)定供電。

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