大型旋转体表面风致振动压电能量收集研究
利用无线传感器节点监测矿井提升系统关键旋转体（滚筒、天轮）的运行状态，是对提升系统典型故障进行检测的新途径，但是传感器节点的寿命短是应用该方法的瓶颈问题。为了满足布置于大型旋转体表面节点供电以及低功耗的要求，本文开展了大型旋转体表面风致振动压电能量收集研究。首先，为了找到适合于大型旋转体工况的压电片安装方式，研究了压电片的固定方式、调整方式对其发电性能的影响；其次，为了对大型旋转体表面上的节点进行供电，设计了一种风致振动压电能量收集装置，并通过实验验证了其可行性；最后，为了降低大型旋转体表面监测传感器节点的功耗，提出了两种高效能量管理策略，并对其进行了对比试验分析。 本研究主要内容包括：⑴介绍了压电材料的基本理论，为后续的研究做好铺垫。⑵利用软件仿真和实验对压电片在悬臂梁、简支梁两种固定方式下的发电性能进行了分析，讨论了不同固定方式下长宽比、重物块质量等参数对压电片固有频率的影响。结果表明：悬臂梁固定方式适合用于大型旋转体表面风致振动压电能量收集装置。⑶结合大型旋转体的运行工况，设计了一种利用卡门涡街效应的风致振动压电能量收集装置；得出了装置在旋转体转速、阻挡物直径、固定角度等条件下发电电压的变化情况；通过ANSYS软件对压电片进行了受力分析，得出压电片在工作状态下的应力分布情况以及最大应力随不同转速和阻挡物直径变化的情况；根据理论模型及矿井提升机滚筒运动参数搭建了风致振动压电能量收集装置实验台，结合理论分析内容进行了相应实验。结果表明：所设计的能量收集装置在旋转体转速达到145r/min时产生1mW左右的功率输出；相比调整圆柱形阻挡物直径，调整装置的安装角能更加有效地增大能量收集装置的输出功率。⑷分析了大型旋转体表面监测传感器节点的能耗管理需求；提出了基于信号幅值检测的主动式调频策略和适应大型旋转体运行状态的被动式调频策略；通过对比试验，分析了两种调频策略的性能。结果表明：两种策略均可实现功耗管理；在发送频率达50Hz时，被动式调频策略下的节点功耗比主动式调频策略下的功耗小6.8%。
风致振动;能量收集;压电换能器
中国矿业大学
硕士
机械电子工程
周公博
2017
中文
TN712.7;TN702
98
2018-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）