本文摘要：摘 要:針對水潤滑軸承水膜壓力無線監測節點的供電問題，提出一種旋轉能量收集方法并設計能量收集裝置。旋轉能量收集方法應用永磁發電機將轉軸旋轉產生的機械能轉化為電能，并由能量收集裝置(整流、降壓、充電管理電路與鋰電池)將電能進行轉換與存儲后為節點
摘 要:針對水潤滑軸承水膜壓力無線監測節點的供電問題，提出一種旋轉能量收集方法并設計能量收集裝置。旋轉能量收集方法應用永磁發電機將轉軸旋轉產生的機械能轉化為電能，并由能量收集裝置(整流、降壓、充電管理電路與鋰電池)將電能進行轉換與存儲后為節點在線供電。首先對能量收集裝置中的各電路進行仿真，然后建立節點能量模型并對節點能耗進行分析，最后進行旋轉能量收集試驗。研究結果表明：軸轉速是影響能量收集效果的主要因素，轉速為1200r/min時，鋰電池充電時間低于節點工作時間，充電過程中電池電能逐漸變大，電壓逐漸上升，但進入恒壓階段后充電功率逐漸降低，轉速1200r/min比1000r/min條件下充電效果更加顯著。
關鍵詞:水潤滑軸承; 水膜壓力; 無線監測; 能量收集方法
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。
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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
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。
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，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3313.825mW。
3永磁電機旋轉能量收集試驗
3.1試驗方案
試驗儀器設備參數如下：電動機額定轉速2000r/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。若將鋰電池充電控制在恒流階段，比較發現轉速1000r/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1200r/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1200r/min比1000r/min條件下充電效果更加顯著。
2)轉速1200r/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。
參考文獻
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[2]LITWIN W. Experimental research on water lubricated threelayer sliding bearing with lubrication grooves in the upper partof the bush and its comparison with a rubber bearing[J].Tribology International, 2015, 82(2): 153-161.
【3】鄭建波, 葉曉琰, 胡敬寧, 等. 不同進水壓力下水潤滑軸承潤滑特性試驗研究[J].排灌機械工程學報, 2018, 36(7): 599-606.
作者：戚天博1,2，王 楠1,2，楊利濤1,2
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