水润滑轴承水膜压力无线监测节点供电方法研究

　　摘　要:针对水润滑轴承水膜压力无线监测节点的供电问题，提出一种旋转能量收集方法并设计能量收集装置。旋转能量收集方法应用永磁发电机将转轴旋转产生的机械能转化为电能，并由能量收集装置(整流、降压、充电管理电路与锂电池)将电能进行转换与存储后为节点在线供电。首先对能量收集装置中的各电路进行仿真，然后建立节点能量模型并对节点能耗进行分析，最后进行旋转能量收集试验。研究结果表明：轴转速是影响能量收集效果的主要因素，转速为1200r/min时，锂电池充电时间低于节点工作时间，充电过程中电池电能逐渐变大，电压逐渐上升，但进入恒压阶段后充电功率逐渐降低，转速1200r/min比1000r/min条件下充电效果更加显著。

　　关键词:水润滑轴承; 水膜压力; 无线监测; 能量收集方法

　　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。

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　　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

　　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。

　　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，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3313.825mW。

　　3永磁电机旋转能量收集试验

　　3.1试验方案

　　试验仪器设备参数如下：电动机额定转速2000r/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。若将锂电池充电控制在恒流阶段，比较发现转速1000r/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1200r/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1200r/min比1000r/min条件下充电效果更加显著。

　　2)转速1200r/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1200r/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。

　　参考文献

　　段海涛, 王学美, 吴伊敏, 等. 水润滑轴承研究进展[J].润滑与密封, 2012, 37(9): 109-116.

　　[1]CABRERA D L, WOOLLEY N H, ALLANSON D R. Filmpressure distribution in water-lubricated rubber journalbearing[J]. Journal of Engineering Tribology, 2005, 219(2):125-132.

　　[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】郑建波, 叶晓琰, 胡敬宁, 等. 不同进水压力下水润滑轴承润滑特性试验研究[J].排灌机械工程学报, 2018, 36(7): 599-606.

　　作者：戚天博1,2，王 楠1,2，杨利涛1,2

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