戚天博，王 楠，楊利濤

(1.陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001; 2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723001)

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)問題。

傳統(tǒng)水潤(rùn)滑軸承水膜壓力測(cè)試采用有線傳輸方式[2-5]，但存在模擬信號(hào)衰減、集流環(huán)干擾等問題，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)線測(cè)試。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)線測(cè)試方法，采用無(wú)線點(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)供電問題是亟需解決的問題。

為無(wú)線節(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)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)的問題，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)線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，主要有：1）捕獲周圍環(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)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供電問題，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

水膜壓力無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)方法如圖1所示，將無(wú)線監(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)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)連接，對(duì)其在線持續(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在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)纏繞于軸上，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。

圖 1 節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)方法示意圖

永磁發(fā)電機(jī)為三相交流輸出，安裝在整個(gè)軸系尾端，由于其額定轉(zhuǎn)速限制，因此需要設(shè)置行星減速機(jī)，方形法蘭盤輸出軸方式，精度高、承載能力大、效率高。導(dǎo)電滑環(huán)采用套筒滑環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝簡(jiǎn)易、無(wú)需潤(rùn)滑油、免維護(hù)。上述方法可解決頻繁停機(jī)更換電池的問題，實(shí)現(xiàn)在線不停機(jī)供電。

1.2 能量收集裝置

能量收集裝置構(gòu)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(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)過(guò)整流與降壓之后，再通過(guò)充電管理電路將電能存儲(chǔ)在鋰電池中，給無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供電。能量收集裝置包含兩個(gè)鋰電池，當(dāng)其中一個(gè)電池不足以驅(qū)動(dòng)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，可自動(dòng)切換至另一個(gè)已充滿電的電池繼續(xù)給無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電，與此同時(shí)，能量收集裝置則開始給電量不足的電池充電，兩個(gè)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(diào)度。

我的第三個(gè)男朋友，叫羅思平。其實(shí)，我和他之間，也沒有發(fā)生什么，但我依然堅(jiān)稱他是我男朋友。我喜歡將那些與我有過(guò)千絲萬(wàn)屢聯(lián)系的男孩或者男人，統(tǒng)稱為男朋友，無(wú)論我們之間的關(guān)系是微妙抑或明朗。羅思平是我所在打工小食店的常客，三十歲左右，喜歡刁著煙，隔一陣子用食指輕輕地將燃過(guò)的煙灰彈去。他總是一臉的憂郁。

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(yáng)極電路串聯(lián)組成，如圖3(a)所示，圖中D1、D3、D5 3個(gè)晶閘管共陰極連接，D2、D4、D6則共陽(yáng)極連接。其作用是將永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，交流輸入電壓可達(dá)50 V，直流最大輸出電流50 A，仿真結(jié)果如圖3(b)所示。在負(fù)載R1的兩端增加一個(gè)濾波電容C1（470 μF），由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，當(dāng)電源電壓逐漸升高時(shí)，電容C1充電，當(dāng)電壓降低時(shí)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(diào)的LM7805，電壓連續(xù)可調(diào)，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(fā)電機(jī)輸出交流12 V，通過(guò)整流電路后進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)電壓4.2 V。同時(shí)具備放電功能，放電電流0～3.5 A，可迅速、無(wú)害對(duì)電池放電。

圖 5 充電管理電路原理圖

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)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括：恒流源、DSP模塊、無(wú)線收發(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3 313.825 mW。

圖 6 水膜壓力無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

表 1 節(jié)點(diǎn)功耗

2.2 能量模型與數(shù)據(jù)傳輸能耗

無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能耗除了與自身有關(guān)之外，還與傳輸數(shù)據(jù)量有很大關(guān)系，因此建立了如圖7所示的節(jié)點(diǎn)能量模型[12]。其中，atx、arx分別為節(jié)點(diǎn)傳輸一位數(shù)據(jù)的能耗；ξ為傳輸放大器能耗；γ為路徑消耗指數(shù)，如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)未收到障礙或存在較少障礙，γ=2；如果節(jié)點(diǎn)位于城區(qū)，γ=6；d為數(shù)據(jù)傳輸之間相鄰節(jié)點(diǎn)間隔；Etx和Erx分別為節(jié)點(diǎn)發(fā)射和接收k位數(shù)據(jù)所需能量。

圖 7 節(jié)點(diǎn)能量模型

這里根據(jù)無(wú)線模塊參數(shù)，取

則節(jié)點(diǎn)發(fā)送消耗為

本節(jié)點(diǎn)6個(gè)通道，采樣頻率1 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)256，通信波特率115 200 bit/s，則節(jié)點(diǎn)1 s內(nèi)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)消耗功率為：

節(jié)點(diǎn)內(nèi)部和傳輸數(shù)據(jù)總損耗約為3 417.525 mW。

3 永磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)能量收集試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

圖8為永磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)能量收集試驗(yàn)方案，圖9為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。試驗(yàn)儀器設(shè)備參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 000 r/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。

圖 8 試驗(yàn)方案

圖 9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)過(guò)程如下：每隔200 r進(jìn)行充電試驗(yàn)，能量收集電路將發(fā)電機(jī)輸出三相交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)至鋰電池，為無(wú)線節(jié)點(diǎn)在線供電；用霍爾電流、電壓傳感器獲得鋰電池充電過(guò)程中的電流電壓，通過(guò)NI采集卡采集后送至上位機(jī)顯示、處理與分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖10為不同轉(zhuǎn)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(guò)程進(jìn)行了比較。由圖10可以看出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，鋰電池在0～0.8 h范圍內(nèi)為恒流充電階段，在0.8～2.0 h范圍內(nèi)為恒壓充電階段，0.8 h功率達(dá)到峰值；當(dāng)轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)，鋰電池在0～0.6 h范圍內(nèi)為恒流充電階段，在0.6～2.0 h范圍內(nèi)為恒壓充電階段，0.6 h功率達(dá)到峰值。因此為了提高鋰電池充電功率，應(yīng)將鋰電池充電保持在恒流階段。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，優(yōu)先選取0.6～0.8 h階段，此時(shí)電池充電電流為1.26 A，根據(jù)鋰電池充電時(shí)長(zhǎng)公式：H=1.5×2 000 mAh/充電電流?？傻秒姵爻錆M需要2.38 h，即143 min；轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)，優(yōu)先選取0.4～0.6 h階段，電池充電電流為1.48 A，根據(jù)公式可得電池充滿需要2.03 h，即122 min。

圖 10 不同轉(zhuǎn)速下充電參數(shù)

用直流電源充電分別模擬轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)交流充電曲線相比較，恒流充電階段時(shí)間分別為0.58 h與0.6 h，直流電源充電時(shí)間稍短，這是由于直流電源穩(wěn)定性較好，不受交流發(fā)電機(jī)輸出的影響，因此充電過(guò)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?yàn)橹绷麟娫闯潆娝俾噬钥?，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(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

如圖11所示，鋰電池容量百分比與電壓是非線性關(guān)系，試驗(yàn)中電池初始電壓為3.52 V，即5%容量；電池恒流階段結(jié)束時(shí)電壓為4.06 V，即86%容量，因此電池81%為可用容量。根據(jù)估算結(jié)果，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)總功率約3 417.525 mW，試驗(yàn)中容量2 000 mAh的5 V鋰電池所含電能為29 160 J，可讓無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)不間斷連續(xù)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(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速1 000 r/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1 200 r/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1 200 r/min比1 000 r/min條件下充電效果更加顯著。

2)轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)，鋰電池充滿時(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(wú)線監(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。