面向提升机滚筒应力检测传感器节点的风致振动压电能量收集技术

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矿井提升机是提升矿石、煤炭、矸石,下放材料、升降人员和设备的关键装备,素有矿井咽喉之称。随着矿山资源开采向着深部化、大型化的方向不断发展,矿井深度已达千米以上,复杂的地质条件、时变的运行环境增大了提升容器脱离导轨或断绳坠落等重大恶性事故的可能性。因此,及早发现提升系统中潜在的故障和缺陷,实时监测其健康状态,对提高矿井提升系统的可靠性、保障生命财产安全和国家煤炭能源供应,显得尤为重要。通过实时监测滚筒应力场来反映提升机的运行状态,是目前较为先进的一种大型提升系统状态监测方法。但在实际应用中,由于应力信号频率高、传输数据量大,导致应力检测节点的电池寿命短。因此,设法通过获取周围环境中蕴含的能量,为电池实时充电,从而提高电池的使用寿命,是亟需解决的问题之一。本文结合提升机运行时的工作特征,提出了滚筒幅板表面风致振动压电能量收集技术,用于收集风能为电池充电。主要工作内容包括:1、在详细分析国内外微型风力发电机现状的基础上,结合旋转体的运动特征,提出了通过实时收集风致振动压电能量对滚筒应力场检测传感器节点供电系统动态充电的思想。2、在掌握提升机滚筒表面风致振动特性的基础上,建立了风致振动压电悬臂梁振动理论模型,进而分析了压电双晶悬臂梁的机电耦合性能。3、利用ANSYS软件,建立了压电双晶悬臂梁的有限元模型,并对其进行了静力、模态以及压电谐响应分析,讨论了压电双晶悬臂梁的结构及末端质量块等对其输出性能的影响。4、利用Altium Designer Summer软件,设计了悬臂梁式压电双晶能量收集装置的能量收集电路,并利用LTspice软件对压电能量收集电路的输出信号进行了仿真分析。5、开展了滚筒幅板表面风致振动压电能量收集模拟实验,对压电能量收集系统进行了实验验证。实验结果表明:所设计的压电能量收集系统能够实现对锂电池的充电,也可以直接驱动降压转换器为应力无线传感器供电。
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