采煤机无线监测装置压电换能元件参数匹配分析

彭继慎,何武林

(辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁 阜新 123000)



采煤机无线监测装置压电换能元件参数匹配分析

彭继慎*,何武林

(辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁 阜新 123000)

考虑到压电自供电装置中压电振子的几何参数直接影响其共振频率,从而影响压电自供电装置的发电量,因此需要根据环境激励频率设定最佳的压电振子的几何参数,对基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置进行研究,通过理论分析、仿真以及实验方法对对不同悬臂梁结构在不同外界激励作用下的发电量进行研究。研究结果表明:悬臂梁自由端的质量块质量以及悬臂梁长度越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低;随着悬臂梁厚度的增加,悬臂梁压电结构的固有频率逐渐增大。以此为依据对采煤机不同监测位置的装置选取最佳匹配的压电结构几何参数,并通过采煤机工作状态监测实验验证了本文研究的压电自供电无线监测装置的可行性。

采煤机;无线监测装置;压电自供电;悬臂梁;压电发电

随着煤矿技术的不断发展,人们越来越重视煤矿井下设备运行稳定可靠性,并着力发展了基于计算机信息技术的煤矿井下设备与环境监控网络。采煤机属于煤矿井下开采的关键设备之一,需要通过采煤机运行状态监测系统对其进行实时振动、温度等状态监测[1-2]。

目前采煤机机载运行状态监测系统大多使用有线方式,通过总线方式与远程监控采集中心进行数据通信,但是采煤机工作条件恶劣、复杂并且采煤机需要在刮板输送机上往复运行,加上采煤机前后滚筒不断转动,不利于有线监测装置的安装、布置与使用,因此有必要对采煤机状态无线监测装置的研发与应用进行深入研究。

文献[3-4]基于无线传感器网络对采煤机采煤机状态监测系统进行了设计与应用;文献[5-6]中使用无线遥控技术实现采煤机的远程遥控;文献[7-8]采用SINS/WSN组合技术实现采煤机姿态与位置的远程监控。以上文献中使用的无线远程监控装置基本采用电池供电。电池供电的缺点是续航时间短,需要定期进行电池更换。随着压电自供电技术的发展与兴起,专家学者对压电自供电技术在煤矿井下设备的应用进行深入研究:文献[9-10]对煤矿井下无线监测设备的压电自供电装置能量采集电路进行设计;文献[11]研究并设计了一种基于压电振动俘能的自供电刮板输送机张力检测装置;文献[12]设计一种应用于采煤机销轴受力检测的无线自供电检测系统;文献[13]基于压电振动俘能技术对采煤机滚筒扭矩检测系统进行了设计与应用。

以上研究均将压电自供电技术成果应用于煤矿井下设备尤其是采煤机的运行状态无线监测装置中。煤矿井下的不同设备,甚至是同一台采煤机的不同部位在工作时产生的振动量均是不同的,压电自供电装置中压电振子的几何参数直接影响其共振频率,从而影响压电自供电装置的发电量,因此需要根据环境激励频率设定最佳的压电振子的几何参数,以上文献中均未对此进行研究,因此本文以此为出发点,对基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置进行研究。

1 压电自供电无线监测装置

通过采煤机运行状态监测装置,能够对采煤机进行实时振动、温度等状态监测。本文采用具有成本低、运行稳定可靠等优势的ZigBee无线传感网络技术构建采煤机状态无线监测装置,采用状态采集与监测分离方式对采煤机进行状态无线远程监测。采煤机运行状态监测装置总体结构框图如图1所示。

图1 采煤机运行状态监测装置总体结构框图

采煤机的机载运行状态采集装置能够通过在采煤机关键部位安装的传感器模块对振动、温度等数据进行实时采集,并通过主控芯片将模拟量数据转换为数字信号。主控芯片将数据打包,通过无线传输模块传输至固定安装于工作面的数据监测装置。数据监测装置通过井下以太环网将接收的数据发送至井上数据监控中心,完成采煤机运行状态实时监测[14-16]。

本文采用单悬臂梁作为压电换能元件,将采煤机的振动能量传导到压电材料中,单悬臂压电换能元件基本结构如图2(a)所示,通常将其简化为单自由度的质量-弹簧-阻尼系统,简化耦合电路模型如图2(b)所示[17-18]。

图2 单悬臂压电换能元件工作原理

2 压电结构振动发电机理分析

本文采用双晶片悬臂梁压电振子结构,理论模型如图3所示。悬臂梁长度和宽度用l和b表示。

图3 双晶片悬臂梁压电振子理论模型

文献[19-20]中对压电结构振动发电机理进行理论分析。悬臂梁中性轴会在外界载荷作用下产生变形,可得任一层点的轴向变形为:

(1)

式中:R为弯曲半径;ZN为中性轴高度。

可得上述过程压电陶瓷各点的应力为:

(2)

式中:Ei为第i层压电陶瓷的弹性模量;d31i为压电耦合技术;

中性轴高度和曲率分布表示为:

ZN=∑ziEiAi/∑EiAi

(3)

(4)

式中:Ai和zi为第i层截面的截面积和形心高度;

令中性轴为z轴零点,则上式可化简为:

(5)

由第1类压电方程可得压电陶瓷的电场电位移表示为:

(6)

式中:ε为介电常数。

综上可得:

D=d31σ=d31Ep(zN-z)CMM

(7)

式中:Ep为压电陶瓷的弹性模量。

式中:zp为压电层中心坐标。

压电陶瓷上的电荷量表示为:

Q=Dbl=d31EpCMM(zN-zp)bl

(9)

由压电振子中性轴截面积和惯性矩,结合上式可得到压电晶片的电荷量为:

(10)

式中:tp为压电晶片的厚度;tCu为基板厚度;ECu为基板弹性模量。

由压电晶片的电荷量计算公式可以看出,在保证压电转换系统以及压电耦合系数不变的情况下,压电晶片的发电量会与其长度、宽度以及厚度等物理参数有关[19-20]。

3 压电结构振动发电仿真研究

由压电结构振动发电机理分析可知,压电单元结构的长度、宽度以及厚度和质量会影响压电结构发电量。由于实验室条件对压电元件宽度的限制,以及对工程应用中压电元件宽度的调查,本文仅压电单元结构的长度、厚度以及悬臂梁质量块对压电结构发电量的影响进行理论分析和实验研究。

另外根据文献[21]研究可知,采煤机在正常工作时,前后滚筒处振动频率约为51.6 Hz,前后摇臂振动频率约为32.2 Hz,机身振动频率约为18.6 Hz。压电单元结构的几何参数没有绝对的最优值,而是需要与环境振动频率相匹配,从而实现共振,实现最大发电量。

下面通过ANSYS仿真软件对选取不同压电单元结构的几何参数时,压电结构的固有频率及发电量进行仿真,PZT-5压电陶瓷采用SOLID5单元模拟,弹性模量设置为106 GPa,泊松比为0.32,密度为7 500 kg/m3;铍青铜金属基板采用SOLID45单元模拟,弹性模量设置为130 GPa,泊松比为0.42,密度为8 230 kg/m3。

通过改变悬臂梁质量块质量,研究不同质量对悬臂梁压电结构的固有频率以及发电量的影响。将悬臂梁长度、宽度和厚度设定为40 mm、20 mm和0.5 mm,分别将质量块设置为5 g、10 g、15 g、20 g、30 g以及40 g得到悬臂梁压电结构的固有频率以及在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激励作用下的发电量仿真结果如图4所示。

图4 不同悬臂梁质量时,压电发电量对比

图5 不同悬臂梁长度时,压电发电量对比

由图4可知,悬臂梁自由端质量块质量越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低,在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激励作用下的发电量最大时对应的质量块质量分别为50 g、40 g和20 g,以此为依据,可为采煤机不同位置的无线检测装置选取合适的悬臂梁压电结构的自由端质量块质量。

通过改变悬7臂梁长度,研究不同悬臂梁长度对悬臂梁压电结构的固有频率以及发电量的影响。将悬臂梁宽度和厚度设定为20 mm和0.5 mm,质量块设置为20 g,分别将悬臂梁长度设置为25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm及60 mm得到悬臂梁压电结构的固有频率以及在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激励作用下的发电量仿真结果如图5所示。

由图5可知,悬臂梁长度越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低,在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激励作用下的发电量最大时对应的质量块质量分别为60 mm、60 mm和40 mm,以此为依据,可为采煤机不同位置的无线检测装置选取合适的悬臂梁压电结构的悬臂梁长度。

通过改变悬臂梁厚度,研究不同悬臂梁厚度对悬臂梁压电结构的固有频率以及发电量的影响。将悬臂梁长度和宽度设定为40 mm和20 mm,质量块设置为20 g,分别将悬臂梁厚度设置为0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm得到悬臂梁压电结构的固有频率以及在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激励作用下的发电量仿真结果如图6所示。

图6 不同悬臂梁厚度时,压电发电量对比

由图6可知,随着悬臂梁厚度的增加,悬臂梁压电结构的固有频率逐渐增大。对应18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激励作用下的发电量最大时对应的悬臂梁厚度分别为0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm,以此为依据,可为采煤机不同位置的无线检测装置选取合适的悬臂梁压电结构的悬臂梁厚度。

图7 实验室测试系统简图

4 实验研究

本文通过实验对所研究的压电自供电采煤机状态无线监测装置的性能进行分析,主要分为仿真结果验证实验和采煤机实体状态监测实验。

4.1 仿真结果验证实验

在实验环境条件下针对不同悬臂梁结构在不同外界激励作用下的发电量进行实验测试,并与仿真结果进行对比分析。实验室测试系统简图如图7所示。采用HEV-50激振器对压电结构进行激励,采用HEAS-5功率放大器调节激振器的激励频率,采用UTD2102cex示波器对压电自供电装置的输出电压进行监测。压电悬臂梁如图8所示,使用固定装置来限制悬臂梁自由端长度,即悬臂梁长度可调,通过更换黏贴于悬臂梁前端的橡胶块,调节悬臂梁自由端质量。

图8 压电悬臂梁实物

图9 压电自供电装置发电量测试结果

选取和仿真研究时相同的参数组合,分别对不同自由端质量块质量、不同悬臂梁长度和不同悬臂梁厚度情况的发电量进行测试得到结果如图9所示。

不同自由端质量块质量、不同悬臂梁长度和不同悬臂梁厚度情况发电量的测试结果与仿真结果趋势完全一致,并且误差极值低于15%,验证了理论研究结果的正确性。

4.2 采煤机状态监测实验

针对专家学者对采煤机振动特性的相关理论研究,结合本文对压电结构参数对发电量影响的研究,制作应用于采煤机摇臂、机身和滚筒处振动量测量的压电自供电无线监测装置。自由端质量块最容易调节,而且压电晶片长度过长不仅使得装置整体尺寸增大,而且不利于压电晶片的整体强度,因此尽量保证较小的压电晶片长度,调节自由端质量块质量。具体参数见表1所示。

表1 采煤机压电自供电无线监测装置

图10 采煤机振动量测试与压电自供电装置输出功率

将压电自供电无线监测装置安装于采煤机试验台中,测试采煤机正常工作时的摇臂、机身和滚筒处振动量以及压电自供电装置输出功率如图10所示。

使用有线供电的监测装置安装于采煤机相同位置,与压电自供电无线监测装置同时进行采煤机振动量测量,测试结果与图11完全一致。通过采煤机振动频率与压电自供电结构振动频率相匹配的设计,使得安装于采煤机各处的压电自供电装置输出功率在298.5 mW～312.6 mW之间。说明本文研究的压电自供电无线监测装置能够实现将采煤机振动量转化为电能并同时对采煤机振动量等工作状态进行无线监测。

5 结论

本文对基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置进行研究,通过理论分析、仿真以及实验方法对对不同悬臂梁结构在不同外界激励作用下的发电量进行研究。研究结果表明:①悬臂梁自由端的质量块质量以及悬臂梁长度越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低;随着悬臂梁厚度的增加,悬臂梁压电结构的固有频率逐渐增大;②对采煤机不同监测位置的装置选取最佳匹配的压电结构几何参数,并通过采煤机工作状态监测实验验证了本文研究的压电自供电无线监测装置的可行性;③项目组下一步将针对频率可调的压电自供电无线检测检测装置进行研究,使得压电自供电装置能够根据采煤机振动的频率自动调节其共振频率,使得激励与共振频率相匹配,提高供电装置的发电能力。

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Analysis of Parameter Matching of Piezoelectric Transducer in Shearer Wireless Monitoring Device

PENG Jisheng*,HE Wulin

(School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Liaoning,Fuxin Liaoning 123000,China)

The geometric parameters of the piezoelectric vibrator in the piezoelectric self powered device directly affect the resonance frequency,which affects the power generation of the piezoelectric self powered device. Therefore,it is necessary to set the optimal parameters of the piezoelectric vibrator according to the ambient excitation frequency. The wireless monitoring device of shearer based on piezoelectric self power supply is studied. Based on theoretical analysis,simulation and experimental methods,the generation of different cantilever beams under different external excitations is studied. The results show that the larger the mass and the length of cantilever beam,the lower the natural frequency of cantilever beam;With the increase of the thickness of the cantilever beam,the natural frequency of the cantilever piezoelectric structure increases gradually. The best matching piezoelectric structure geometry parameters are selected for different monitoring positions of shearer,and the feasibility of the piezoelectric self powered wireless monitoring device is verified by the monitoring of the working condition of the shearer.

coal mining machine;wireless monitoring device;self powered piezoelectric;cantilever beam;piezoelectric power generation

彭继慎(1969-),男,教授,博士生导师,主要从事电力传动系统的计算机控制技术与仿真、矿山节能理论与技术方面的研究工作;

何武林(1985-),男,在读博士生,主要从事机械设计与智能系统研究工作,416198816@163.com。

项目来源:辽宁省教育厅创新团队项目(LTJ2011101,LT20100047)

2016-11-24 修改日期:2017-01-05

TP122

A

1004-1699(2017)06-0855-06

C:7230S

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.009