水润滑轴承水膜压力无线监测节点供电方法研究

戚天博，王 楠，杨利涛

(1.陕西理工大学机械工程学院，陕西 汉中 723001; 2.陕西省工业自动化重点实验室，陕西 汉中 723001)

0 引 言

与油润滑轴承不同，水润滑轴承用水作润滑剂，不会对江河湖海造成污染，加之其具有良好的性能，近年来广泛应用于水轮机、水泵等水力机械中，成为研究热点[1]。水膜压力是水润滑轴承的重要特性参数，通过水膜压力的分布可以研究轴承的润滑状态、润滑机理等，具有重要意义；然而由于水的黏度低、水膜压力不易形成，而且轴承使用环境具有密闭性，因此，真实水膜压力测试一直是难点问题。

传统水润滑轴承水膜压力测试采用有线传输方式[2-5]，但存在模拟信号衰减、集流环干扰等问题，为了提高水膜压力测试精度，近年来有学者提出解决方案——无线测试。例如，袁佳等[6]介绍了一种水润滑艉轴承综合试验平台，数据传输采用Wi-Fi，但Wi-Fi进行数据传输功耗高、组网能力低、无线稳定性差，限制了其应用；王楠等[7]提出了一种水润滑轴承水膜压力的无线测试方法，采用无线点对点方式进行水膜压力数据传输。

上述水膜压力无线测试方法中，节点大都随轴高速旋转且仍采用电池供电，而电池能量有限，如果其能量耗尽，会极大影响测试过程；另外，更换电池需要频繁停机，非常不便。因此，节点供电问题是亟需解决的问题。

为无线节点供电的能量收集技术包括太阳能、风能、潮汐能、振动能、电磁能等，经过多年发展，研究成果颇丰。例如，冯凯等[8]基于温差发电片及升压管理模块设计了一种井下设备表面温差的热电能量收集装置, 并利用该装置为锂离子电池充电,试验结果表明，采用该装置收集温差热能，可使锂电池的放电工作时间显著提高, 在温差为50 ℃时, 采用水冷散热方式，可将CC2530无线传感器节点的工作时间提高50%。郭颖等[9]针对无线传感器节点能量供应的问题，设计了一款从环境中提取能量的传感器节点。该节点采用太阳能和射频能量混合供能方式, 以锂离子电池和超级电容为储能装置为节点供能，缺点是能量转化率较低。而在旋转机械设备无线监测领域，主要有：1）捕获周围环境能量供电，包括热能、机械能、辐射能、化学能等形式；2）无线供电，包括电磁耦合、光电耦合、电磁共振等；但能量传输效率等难题未得到完全解决。王方等哲[10]建立了谐振无线供电系统，对其在智能轴承中的应用进行了初步研究，通过分析供电过程中供电频率等因素对供电性能的影响，确定相关参数并对供电系统进行小型化设计，为轴承旋转套圈温度监测系统提供可靠的电能供给；欧阳武等[11]将传感器安装在特制压盖中并将压盖安装到转轴中测量水膜压力，信号传输采用KMT无线遥测系统、电磁感应原理进行供电和信号采集；然而，电磁感应供电易受干扰，能量有限且需在轴系外部安装电磁发射装置。

综上所述，为了解决水膜压力无线监测节点供电问题，本文提出旋转能量收集方法，采用永磁发电机与锂电池组合的方案设计了节点能量收集装置，并进行试验验证。

1 无线监测节点供电方法与装置

1.1 旋转能量收集方法

水膜压力无线监测节点能量供应方法如图1所示，将无线监测节点、导电滑环与减速机固连，减速机输出轴通过联轴器与永磁发电机输入轴联接，能量收集装置吸附在减速机上，一端与发电机定子输出端连接，将发电机输出电能进行整流、降压与存储，另一端与套在轴上的导电滑环定子端连接，导电滑环转子端与无线监测节点连接，对其在线持续供电。安装导电滑环是为了避免能量回收设备的输出供电连接线在轴旋转时缠绕于轴上，从而导致设备损坏。

图 1 节点能量供应方法示意图

永磁发电机为三相交流输出，安装在整个轴系尾端，由于其额定转速限制，因此需要设置行星减速机，方形法兰盘输出轴方式，精度高、承载能力大、效率高。导电滑环采用套筒滑环结构，安装简易、无需润滑油、免维护。上述方法可解决频繁停机更换电池的问题，实现在线不停机供电。

1.2 能量收集装置

能量收集装置构成如图2所示，包括整流电路、降压电路、充电管理电路与锂电池等。

图 2 能量收集装置原理图

发电机发出的三相交流电经过整流与降压之后，再通过充电管理电路将电能存储在锂电池中，给无线监测节点供电。能量收集装置包含两个锂电池，当其中一个电池不足以驱动无线监测节点时，可自动切换至另一个已充满电的电池继续给无线节点供电，与此同时，能量收集装置则开始给电量不足的电池充电，两个电池交替工作；电池的充放电模式以及切换均由充电管理电路管理与调度。

我的第三个男朋友，叫罗思平。其实，我和他之间，也没有发生什么，但我依然坚称他是我男朋友。我喜欢将那些与我有过千丝万屡联系的男孩或者男人，统称为男朋友，无论我们之间的关系是微妙抑或明朗。罗思平是我所在打工小食店的常客，三十岁左右，喜欢刁着烟，隔一阵子用食指轻轻地将燃过的烟灰弹去。他总是一脸的忧郁。

整流电路为小功率三相全波整流桥SQL5010，由一组共阴极和共阳极电路串联组成，如图3(a)所示，图中D1、D3、D5 3个晶闸管共阴极连接，D2、D4、D6则共阳极连接。其作用是将永磁发电机发出的交流电转换为直流电，交流输入电压可达50 V，直流最大输出电流50 A，仿真结果如图3(b)所示。在负载R1的两端增加一个滤波电容C1（470 μF），由于电抗元件在电路中有储能作用，当电源电压逐渐升高时，电容C1充电，当电压降低时C1放电，如图3(c)所示，具有较好的平波作用。

图 3 整流电路及仿真

如图4所示，降压电路芯片选用输出电压可调的LM7805，电压连续可调，输入电压不高于36 V，输出电压5 V，最大输出电流1.5 A。三相永磁发电机输出交流12 V，通过整流电路后进行降压为充电管理电路供电。

图 4 降压电路及仿真

充电管理电路芯片选择VH-CD42，原理图如图5所示。该芯片为充放电一体，充电电压DC4.5～5.5 V，充电电流0～2.1 A，输出标准电压4.2 V。同时具备放电功能，放电电流0～3.5 A，可迅速、无害对电池放电。

图 5 充电管理电路原理图

2 节点与能耗估算

2.1 节点结构与能耗

水膜压力无线监测节点结构如图6所示，包括：恒流源、DSP模块、无线收发模块与电源模块。恒流源包括三端稳压器78M05、电压转换芯片SP232ACN与SP485CN，其作用是为水膜压力传感器供电，其本身也需供电；DSP模块选择DSPF2812；无线收发模块包括微控制器LPC1776与ZM516射频电路，分别负责执行通信协议与数据收发。节点能耗影响因素较多，例如：节点采用的调制模式、数据率、发射功率和操作周期等，因此仅对其能耗进行估算，如表1所示，节点功耗为3 313.825 mW。

图 6 水膜压力无线监测节点结构图

表 1 节点功耗

2.2 能量模型与数据传输能耗

无线监测节点能耗除了与自身有关之外，还与传输数据量有很大关系，因此建立了如图7所示的节点能量模型[12]。其中，atx、arx分别为节点传输一位数据的能耗；ξ为传输放大器能耗；γ为路径消耗指数，如果网络节点未收到障碍或存在较少障碍，γ=2；如果节点位于城区，γ=6；d为数据传输之间相邻节点间隔；Etx和Erx分别为节点发射和接收k位数据所需能量。

图 7 节点能量模型

这里根据无线模块参数，取

则节点发送消耗为

本节点6个通道，采样频率1 kHz，采样点数256，通信波特率115 200 bit/s，则节点1 s内发送/接收数据消耗功率为：

节点内部和传输数据总损耗约为3 417.525 mW。

3 永磁电机旋转能量收集试验

3.1 试验方案

图8为永磁电机旋转能量收集试验方案，图9为试验现场。试验仪器设备参数如下：电动机额定转速2 000 r/min，减速机传动比4∶1，永磁发电机额定电压12 V，额定功率100 W，额定转速750 r/min；霍尔电流传感器WCS1800供电电压为DC5 V，电流检测范围为最高DC35 A或AC25 A；霍尔电压传感器CH300供电电压12 V，电压测量范围为0～200 V。

图 8 试验方案

图 9 试验现场

试验过程如下：每隔200 r进行充电试验，能量收集电路将发电机输出三相交流电进行转换并存储至锂电池，为无线节点在线供电；用霍尔电流、电压传感器获得锂电池充电过程中的电流电压，通过NI采集卡采集后送至上位机显示、处理与分析。

3.2 试验结果与分析

图10为不同转速下的充电电压、电流与功率变化曲线，为了研究能量收集效果，还与直流电源充电过程进行了比较。由图10可以看出电动机转速1 000 r/min时，锂电池在0～0.8 h范围内为恒流充电阶段，在0.8～2.0 h范围内为恒压充电阶段，0.8 h功率达到峰值；当转速1 200 r/min时，锂电池在0～0.6 h范围内为恒流充电阶段，在0.6～2.0 h范围内为恒压充电阶段，0.6 h功率达到峰值。因此为了提高锂电池充电功率，应将锂电池充电保持在恒流阶段。根据试验结果，转速1 000 r/min时，优先选取0.6～0.8 h阶段，此时电池充电电流为1.26 A，根据锂电池充电时长公式：H=1.5×2 000 mAh/充电电流。可得电池充满需要2.38 h，即143 min；转速1 200 r/min时，优先选取0.4～0.6 h阶段，电池充电电流为1.48 A，根据公式可得电池充满需要2.03 h，即122 min。

图 10 不同转速下充电参数

用直流电源充电分别模拟转速1 200 r/min下的恒流、恒压阶段，恒流充电电流是1.49 A，恒压充电充电电压是6.50 V。如图10(a)、(b)所示，将直流电源充电与发电机交流充电曲线相比较，恒流充电阶段时间分别为0.58 h与0.6 h，直流电源充电时间稍短，这是由于直流电源稳定性较好，不受交流发电机输出的影响，因此充电过程电压值上升略快，电流值基本保持相同；在恒压充电阶段（0.58～2.0 h），电压值基本保持恒定，直流电源电流值下降较快，因为直流电源充电速率稍快，电流值下降更为显著。综上所述，文中所述能量收集方法与直流电源充电效果基本等同，而且能更好地用于水膜压力无线监测系统。

如图11所示，锂电池容量百分比与电压是非线性关系，试验中电池初始电压为3.52 V，即5%容量；电池恒流阶段结束时电压为4.06 V，即86%容量，因此电池81%为可用容量。根据估算结果，节点发送数据和内部结构总功率约3 417.525 mW，试验中容量2 000 mAh的5 V锂电池所含电能为29 160 J，可让无线监测节点不间断连续工作8 532 s，即142 min。

图 11 电压随容量百分比变化曲线

若将锂电池充电控制在恒流阶段，比较发现转速1 000 r/min时，锂电池充电时间高于节点工作时间，无法长时间为节点供电；转速1 200 r/min时，充电时间低于节点工作时间，实现在线持续供电，当电能耗尽或出现故障时，为保证工作效率，此时需要两个电池交替工作，当其中一个电池的电量不足以为节点供电，可切换至另一个处于恒流阶段的电池继续给无线节点供电，不影响节点正常运行。

4 结束语

本文提出了一种水膜压力无线监测节点的能量供应方法并设计了能量收集装置，通过系统建模、能耗估算、电路仿真与试验，得到了充电过程中的电压和电流变化规律，结论为：

1)根据锂电池充电过程中电流、电压和功率的变化情况可知，转速1 200 r/min比1 000 r/min条件下充电效果更加显著。

2)转速1 200 r/min时，锂电池充满时长略低于节点工作所需时长，即锂电池充电速率高于节点消耗能量速率，锂电池可实现在线持续供电，验证了能量收集方法与装置设计的合理性。

3)用直流电源模拟1 200 r/min下的充电阶段，比较得出文中所述能量收集方法与直流电源充电效果基本等同，而且能更好地用于水膜压力无线监测系统。

4)后续的研究中，将着重对充电电路进行优化设计，提高充电效率。