采煤機無線監測裝置壓電換能元件參數匹配分析

彭繼慎,何武林

(遼寧工程技術大學機械工程學院,遼寧 阜新 123000)

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采煤機無線監測裝置壓電換能元件參數匹配分析

彭繼慎*,何武林

(遼寧工程技術大學機械工程學院,遼寧 阜新 123000)

考慮到壓電自供電裝置中壓電振子的幾何參數直接影響其共振頻率,從而影響壓電自供電裝置的發電量,因此需要根據環境激勵頻率設定最佳的壓電振子的幾何參數,對基于壓電自供電的采煤機狀態無線監測裝置進行研究,通過理論分析、仿真以及實驗方法對對不同懸臂梁結構在不同外界激勵作用下的發電量進行研究。研究結果表明:懸臂梁自由端的質量塊質量以及懸臂梁長度越大,懸臂梁壓電結構的固有頻率越低;隨著懸臂梁厚度的增加,懸臂梁壓電結構的固有頻率逐漸增大。以此為依據對采煤機不同監測位置的裝置選取最佳匹配的壓電結構幾何參數,并通過采煤機工作狀態監測實驗驗證了本文研究的壓電自供電無線監測裝置的可行性。

采煤機;無線監測裝置;壓電自供電;懸臂梁;壓電發電

隨著煤礦技術的不斷發展,人們越來越重視煤礦井下設備運行穩定可靠性,并著力發展了基于計算機信息技術的煤礦井下設備與環境監控網絡。采煤機屬于煤礦井下開采的關鍵設備之一,需要通過采煤機運行狀態監測系統對其進行實時振動、溫度等狀態監測[1-2]。

目前采煤機機載運行狀態監測系統大多使用有線方式,通過總線方式與遠程監控采集中心進行數據通信,但是采煤機工作條件惡劣、復雜并且采煤機需要在刮板輸送機上往復運行,加上采煤機前后滾筒不斷轉動,不利于有線監測裝置的安裝、布置與使用,因此有必要對采煤機狀態無線監測裝置的研發與應用進行深入研究。

文獻[3-4]基于無線傳感器網絡對采煤機采煤機狀態監測系統進行了設計與應用;文獻[5-6]中使用無線遙控技術實現采煤機的遠程遙控;文獻[7-8]采用SINS/WSN組合技術實現采煤機姿態與位置的遠程監控。以上文獻中使用的無線遠程監控裝置基本采用電池供電。電池供電的缺點是續航時間短,需要定期進行電池更換。隨著壓電自供電技術的發展與興起,專家學者對壓電自供電技術在煤礦井下設備的應用進行深入研究:文獻[9-10]對煤礦井下無線監測設備的壓電自供電裝置能量采集電路進行設計;文獻[11]研究并設計了一種基于壓電振動俘能的自供電刮板輸送機張力檢測裝置;文獻[12]設計一種應用于采煤機銷軸受力檢測的無線自供電檢測系統;文獻[13]基于壓電振動俘能技術對采煤機滾筒扭矩檢測系統進行了設計與應用。

以上研究均將壓電自供電技術成果應用于煤礦井下設備尤其是采煤機的運行狀態無線監測裝置中。煤礦井下的不同設備,甚至是同一臺采煤機的不同部位在工作時產生的振動量均是不同的,壓電自供電裝置中壓電振子的幾何參數直接影響其共振頻率,從而影響壓電自供電裝置的發電量,因此需要根據環境激勵頻率設定最佳的壓電振子的幾何參數,以上文獻中均未對此進行研究,因此本文以此為出發點,對基于壓電自供電的采煤機狀態無線監測裝置進行研究。

1 壓電自供電無線監測裝置

通過采煤機運行狀態監測裝置,能夠對采煤機進行實時振動、溫度等狀態監測。本文采用具有成本低、運行穩定可靠等優勢的ZigBee無線傳感網絡技術構建采煤機狀態無線監測裝置,采用狀態采集與監測分離方式對采煤機進行狀態無線遠程監測。采煤機運行狀態監測裝置總體結構框圖如圖1所示。

圖1 采煤機運行狀態監測裝置總體結構框圖

采煤機的機載運行狀態采集裝置能夠通過在采煤機關鍵部位安裝的傳感器模塊對振動、溫度等數據進行實時采集,并通過主控芯片將模擬量數據轉換為數字信號。主控芯片將數據打包,通過無線傳輸模塊傳輸至固定安裝于工作面的數據監測裝置。數據監測裝置通過井下以太環網將接收的數據發送至井上數據監控中心,完成采煤機運行狀態實時監測[14-16]。

本文采用單懸臂梁作為壓電換能元件,將采煤機的振動能量傳導到壓電材料中,單懸臂壓電換能元件基本結構如圖2(a)所示,通常將其簡化為單自由度的質量-彈簧-阻尼系統,簡化耦合電路模型如圖2(b)所示[17-18]。

圖2 單懸臂壓電換能元件工作原理

2 壓電結構振動發電機理分析

本文采用雙晶片懸臂梁壓電振子結構,理論模型如圖3所示。懸臂梁長度和寬度用l和b表示。

圖3 雙晶片懸臂梁壓電振子理論模型

文獻[19-20]中對壓電結構振動發電機理進行理論分析。懸臂梁中性軸會在外界載荷作用下產生變形,可得任一層點的軸向變形為:

(1)

式中:R為彎曲半徑;ZN為中性軸高度。

可得上述過程壓電陶瓷各點的應力為:

(2)

式中:Ei為第i層壓電陶瓷的彈性模量;d31i為壓電耦合技術;

中性軸高度和曲率分布表示為:

ZN=∑ziEiAi/∑EiAi

(3)

(4)

式中:Ai和zi為第i層截面的截面積和形心高度;

令中性軸為z軸零點,則上式可化簡為:

(5)

由第1類壓電方程可得壓電陶瓷的電場電位移表示為:

(6)

式中:ε為介電常數。

綜上可得:

D=d31σ=d31Ep(zN-z)CMM

(7)

式中:Ep為壓電陶瓷的彈性模量。

式中:zp為壓電層中心坐標。

壓電陶瓷上的電荷量表示為:

Q=Dbl=d31EpCMM(zN-zp)bl

(9)

由壓電振子中性軸截面積和慣性矩,結合上式可得到壓電晶片的電荷量為:

(10)

式中:tp為壓電晶片的厚度;tCu為基板厚度;ECu為基板彈性模量。

由壓電晶片的電荷量計算公式可以看出,在保證壓電轉換系統以及壓電耦合系數不變的情況下,壓電晶片的發電量會與其長度、寬度以及厚度等物理參數有關[19-20]。

3 壓電結構振動發電仿真研究

由壓電結構振動發電機理分析可知,壓電單元結構的長度、寬度以及厚度和質量會影響壓電結構發電量。由于實驗室條件對壓電元件寬度的限制,以及對工程應用中壓電元件寬度的調查,本文僅壓電單元結構的長度、厚度以及懸臂梁質量塊對壓電結構發電量的影響進行理論分析和實驗研究。

另外根據文獻[21]研究可知,采煤機在正常工作時,前后滾筒處振動頻率約為51.6 Hz,前后搖臂振動頻率約為32.2 Hz,機身振動頻率約為18.6 Hz。壓電單元結構的幾何參數沒有絕對的最優值,而是需要與環境振動頻率相匹配,從而實現共振,實現最大發電量。

下面通過ANSYS仿真軟件對選取不同壓電單元結構的幾何參數時,壓電結構的固有頻率及發電量進行仿真,PZT-5壓電陶瓷采用SOLID5單元模擬,彈性模量設置為106 GPa,泊松比為0.32,密度為7 500 kg/m3;鈹青銅金屬基板采用SOLID45單元模擬,彈性模量設置為130 GPa,泊松比為0.42,密度為8 230 kg/m3。

通過改變懸臂梁質量塊質量,研究不同質量對懸臂梁壓電結構的固有頻率以及發電量的影響。將懸臂梁長度、寬度和厚度設定為40 mm、20 mm和0.5 mm,分別將質量塊設置為5 g、10 g、15 g、20 g、30 g以及40 g得到懸臂梁壓電結構的固有頻率以及在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激勵作用下的發電量仿真結果如圖4所示。

圖4 不同懸臂梁質量時,壓電發電量對比

圖5 不同懸臂梁長度時,壓電發電量對比

由圖4可知,懸臂梁自由端質量塊質量越大,懸臂梁壓電結構的固有頻率越低,在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激勵作用下的發電量最大時對應的質量塊質量分別為50 g、40 g和20 g,以此為依據,可為采煤機不同位置的無線檢測裝置選取合適的懸臂梁壓電結構的自由端質量塊質量。

通過改變懸7臂梁長度,研究不同懸臂梁長度對懸臂梁壓電結構的固有頻率以及發電量的影響。將懸臂梁寬度和厚度設定為20 mm和0.5 mm,質量塊設置為20 g,分別將懸臂梁長度設置為25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm及60 mm得到懸臂梁壓電結構的固有頻率以及在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激勵作用下的發電量仿真結果如圖5所示。

由圖5可知,懸臂梁長度越大,懸臂梁壓電結構的固有頻率越低,在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激勵作用下的發電量最大時對應的質量塊質量分別為60 mm、60 mm和40 mm,以此為依據,可為采煤機不同位置的無線檢測裝置選取合適的懸臂梁壓電結構的懸臂梁長度。

通過改變懸臂梁厚度,研究不同懸臂梁厚度對懸臂梁壓電結構的固有頻率以及發電量的影響。將懸臂梁長度和寬度設定為40 mm和20 mm,質量塊設置為20 g,分別將懸臂梁厚度設置為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm得到懸臂梁壓電結構的固有頻率以及在18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激勵作用下的發電量仿真結果如圖6所示。

圖6 不同懸臂梁厚度時,壓電發電量對比

由圖6可知,隨著懸臂梁厚度的增加,懸臂梁壓電結構的固有頻率逐漸增大。對應18 Hz、32 Hz和52 Hz外界激勵作用下的發電量最大時對應的懸臂梁厚度分別為0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm,以此為依據,可為采煤機不同位置的無線檢測裝置選取合適的懸臂梁壓電結構的懸臂梁厚度。

圖7 實驗室測試系統簡圖

4 實驗研究

本文通過實驗對所研究的壓電自供電采煤機狀態無線監測裝置的性能進行分析,主要分為仿真結果驗證實驗和采煤機實體狀態監測實驗。

4.1 仿真結果驗證實驗

在實驗環境條件下針對不同懸臂梁結構在不同外界激勵作用下的發電量進行實驗測試,并與仿真結果進行對比分析。實驗室測試系統簡圖如圖7所示。采用HEV-50激振器對壓電結構進行激勵,采用HEAS-5功率放大器調節激振器的激勵頻率,采用UTD2102cex示波器對壓電自供電裝置的輸出電壓進行監測。壓電懸臂梁如圖8所示,使用固定裝置來限制懸臂梁自由端長度,即懸臂梁長度可調,通過更換黏貼于懸臂梁前端的橡膠塊,調節懸臂梁自由端質量。

圖8 壓電懸臂梁實物

圖9 壓電自供電裝置發電量測試結果

選取和仿真研究時相同的參數組合,分別對不同自由端質量塊質量、不同懸臂梁長度和不同懸臂梁厚度情況的發電量進行測試得到結果如圖9所示。

不同自由端質量塊質量、不同懸臂梁長度和不同懸臂梁厚度情況發電量的測試結果與仿真結果趨勢完全一致,并且誤差極值低于15%,驗證了理論研究結果的正確性。

4.2 采煤機狀態監測實驗

針對專家學者對采煤機振動特性的相關理論研究,結合本文對壓電結構參數對發電量影響的研究,制作應用于采煤機搖臂、機身和滾筒處振動量測量的壓電自供電無線監測裝置。自由端質量塊最容易調節,而且壓電晶片長度過長不僅使得裝置整體尺寸增大,而且不利于壓電晶片的整體強度,因此盡量保證較小的壓電晶片長度,調節自由端質量塊質量。具體參數見表1所示。

表1 采煤機壓電自供電無線監測裝置

圖10 采煤機振動量測試與壓電自供電裝置輸出功率

將壓電自供電無線監測裝置安裝于采煤機試驗臺中,測試采煤機正常工作時的搖臂、機身和滾筒處振動量以及壓電自供電裝置輸出功率如圖10所示。

使用有線供電的監測裝置安裝于采煤機相同位置,與壓電自供電無線監測裝置同時進行采煤機振動量測量,測試結果與圖11完全一致。通過采煤機振動頻率與壓電自供電結構振動頻率相匹配的設計,使得安裝于采煤機各處的壓電自供電裝置輸出功率在298.5 mW～312.6 mW之間。說明本文研究的壓電自供電無線監測裝置能夠實現將采煤機振動量轉化為電能并同時對采煤機振動量等工作狀態進行無線監測。

5 結論

本文對基于壓電自供電的采煤機狀態無線監測裝置進行研究,通過理論分析、仿真以及實驗方法對對不同懸臂梁結構在不同外界激勵作用下的發電量進行研究。研究結果表明:①懸臂梁自由端的質量塊質量以及懸臂梁長度越大,懸臂梁壓電結構的固有頻率越低;隨著懸臂梁厚度的增加,懸臂梁壓電結構的固有頻率逐漸增大;②對采煤機不同監測位置的裝置選取最佳匹配的壓電結構幾何參數,并通過采煤機工作狀態監測實驗驗證了本文研究的壓電自供電無線監測裝置的可行性;③項目組下一步將針對頻率可調的壓電自供電無線檢測檢測裝置進行研究,使得壓電自供電裝置能夠根據采煤機振動的頻率自動調節其共振頻率,使得激勵與共振頻率相匹配,提高供電裝置的發電能力。

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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

彭繼慎(1969-),男,教授,博士生導師,主要從事電力傳動系統的計算機控制技術與仿真、礦山節能理論與技術方面的研究工作;

何武林(1985-),男,在讀博士生,主要從事機械設計與智能系統研究工作,416198816@163.com。

項目來源:遼寧省教育廳創新團隊項目(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