提升机滚筒表面应力监测无线传感器网络的能量管理方法研究
发布时间：2021-10-05 00:56
矿井提升装备是连通井上和井下的重要工具,其运行状态直接影响矿井正常生产和人员安全。相比正常工况,矿井提升装备遇到过卷、卡罐等情况时,会引起提升机滚筒表面应力显著变化,因此可以通过监测滚筒表面应力变化,来判断矿井提升装备运行状态。无线传感器网络具有部署灵活、自组织的特点,特别适合于滚筒表面应力监测。然而,应用无线传感器网络对滚筒表面进行应力监测却存在着能量受限与持续高质量监测的矛盾。对于浅煤层矿井,滚筒旋转速度较低,应力监测无线传感器网络无法有效收集环境能量。该网络无法实现监测节点剩余电量的长期预测,且无法在节约能量的同时兼顾传输数据的优先级;对于深井和超深井,滚筒旋转速度较高,可以在一定程度上补充监测节点电能。但是,该网络不能有效平衡监测节点能耗和监测数据服务质量的关系,实现监测的持续性。因此,本文开展了适应于滚筒表面应力监测的无线传感器网络能量管理方法研究。主要工作内容包括:1)作为全文的基础,设计了一种应用于滚筒表面应力监测的无线传感器网络。首先,讨论了矿井提升装备异常运行状态的主要类型,利用ANSYS Workbench软件分析了滚筒表面应力变化和矿井提升装备运行状态的关系;然后...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四种不同运行状态下，滚筒等效应力云图(a)匀速(b)加速(c)过卷(d)卡罐Figure2-2Stressnephogramofadrumatfourdifferentoperatingconditions(a)Constantspeed(b)
在并联方式下可以输出双倍电流，因此选取双晶结构，实物图如图2-4(a)所示。为了使得压电悬臂梁装置产生共振，达到最大收集效率，需要改变压电片的固有频率。本文采取改变压电片长宽比的方式[25]；在电路连接方面，由于压电收集的能量输出电压一般在 10V 左右，足以对监测节点电池进行充电，但是压电片输出的电流一般在mA级别，所以选用并联连接方式以输出2倍电流；在压电片固定方式上，因为悬臂支撑方式可产生最大的挠曲和柔顺系数[107]，从而可以输出更高的电能，所以将能量收集装置的一端固定于滚筒表面，实现悬臂支撑。值得注意的是，滚筒在提升过程中，很长的时间内保持旋转速度恒定不变，此时如果直接采用经典的压电能量收集装置[108]，压电片所受到的离心力基本保持不变，压电片基本不会发生物理形变，也基本不会产生电能。为了解决此问题，本节利用卡门涡街原理[109,110]
博士学位论文PZ11PZ22CAP3Vin4SW5PGOOD10D09D18Vin27Vout6GND11U1LTC3588-1R115K10KR24.7uFC2D10uH 5 610KR3NTCBIAS1NTC2ADJ3HBO4VcBAGNLBSEGND9U2LTC4071压电片存储电路调理电路能量转换图 2-5 压电能量收集电路Figure 2-5 Piezoelectric energy harvesting circuit
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国超深立井凿井提升面临的问题及建议[J]. 范文博. 煤炭工程. 2018(06)
[2]煤矿主提升机发生事故的主要原因及预防措施[J]. 赵京惠. 能源与节能. 2018(04)
[3]基于最小生成树的非均匀分簇路由协议[J]. 廖福保,张文梅. 传感技术学报. 2017(09)
[4]锂电池开路电压的预估及SOC估算[J]. 邓晔,胡越黎,滕华强. 仪表技术. 2015(02)
[5]矿井提升机过卷问题探讨[J]. 张庆宇,闫益欧,伍岳. 科技致富向导. 2014(36)
[6]基于电池能量状态估计和车辆能耗预测的电动汽车续驶里程估计方法研究[J]. 刘光明,欧阳明高,卢兰光,韩雪冰,谷靖. 汽车工程. 2014(11)
[7]面向混合业务的无线传感器网络能量有效接入策略[J]. 王亚松,张钦宇,李云鹤,韩晶. 通信学报. 2013(09)
[8]基于粒子群优化的非均匀分簇路由算法[J]. 邹杰,史长琼,姬文燕. 计算机应用. 2012(01)
[9]一种基于预测开路电压的SOC估算方法[J]. 徐欣歌,杨松,李艳芳,陈文芗. 电子设计工程. 2011(14)
[10]基于动态能量管理的无线传感网络动目标定位跟踪方法[J]. 林金朝,李国军,周晓娜,周道军,蒋勇. 通信学报. 2010(12)
博士论文
[1]基于李雅普诺夫方法的卫星通信系统的容量、能量、时延的分析与优化[D]. 李虎.北京邮电大学 2014
硕士论文
[1]立井提升钢带过卷缓冲装置特性与匹配研究[D]. 张帅鹏.安徽理工大学 2017
[2]大型旋转体表面风致振动压电能量收集研究[D]. 李志翔.中国矿业大学 2017
[3]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[D]. 黄玲花.中国矿业大学 2014
[4]摩擦提升机卡罐动力学特性分析[D]. 丁燕.太原理工大学 2014
[5]基于无味卡尔曼滤波的电动汽车动力电池SOC估计[D]. 柏庆文.吉林大学 2013
[6]磷酸铁锂电池建模及SOC算法研究[D]. 陈勇军.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3418678
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四种不同运行状态下，滚筒等效应力云图(a)匀速(b)加速(c)过卷(d)卡罐Figure2-2Stressnephogramofadrumatfourdifferentoperatingconditions(a)Constantspeed(b)
在并联方式下可以输出双倍电流，因此选取双晶结构，实物图如图2-4(a)所示。为了使得压电悬臂梁装置产生共振，达到最大收集效率，需要改变压电片的固有频率。本文采取改变压电片长宽比的方式[25]；在电路连接方面，由于压电收集的能量输出电压一般在 10V 左右，足以对监测节点电池进行充电，但是压电片输出的电流一般在mA级别，所以选用并联连接方式以输出2倍电流；在压电片固定方式上，因为悬臂支撑方式可产生最大的挠曲和柔顺系数[107]，从而可以输出更高的电能，所以将能量收集装置的一端固定于滚筒表面，实现悬臂支撑。值得注意的是，滚筒在提升过程中，很长的时间内保持旋转速度恒定不变，此时如果直接采用经典的压电能量收集装置[108]，压电片所受到的离心力基本保持不变，压电片基本不会发生物理形变，也基本不会产生电能。为了解决此问题，本节利用卡门涡街原理[109,110]
博士学位论文PZ11PZ22CAP3Vin4SW5PGOOD10D09D18Vin27Vout6GND11U1LTC3588-1R115K10KR24.7uFC2D10uH 5 610KR3NTCBIAS1NTC2ADJ3HBO4VcBAGNLBSEGND9U2LTC4071压电片存储电路调理电路能量转换图 2-5 压电能量收集电路Figure 2-5 Piezoelectric energy harvesting circuit
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国超深立井凿井提升面临的问题及建议[J]. 范文博. 煤炭工程. 2018(06)
[2]煤矿主提升机发生事故的主要原因及预防措施[J]. 赵京惠. 能源与节能. 2018(04)
[3]基于最小生成树的非均匀分簇路由协议[J]. 廖福保,张文梅. 传感技术学报. 2017(09)
[4]锂电池开路电压的预估及SOC估算[J]. 邓晔,胡越黎,滕华强. 仪表技术. 2015(02)
[5]矿井提升机过卷问题探讨[J]. 张庆宇,闫益欧,伍岳. 科技致富向导. 2014(36)
[6]基于电池能量状态估计和车辆能耗预测的电动汽车续驶里程估计方法研究[J]. 刘光明,欧阳明高,卢兰光,韩雪冰,谷靖. 汽车工程. 2014(11)
[7]面向混合业务的无线传感器网络能量有效接入策略[J]. 王亚松,张钦宇,李云鹤,韩晶. 通信学报. 2013(09)
[8]基于粒子群优化的非均匀分簇路由算法[J]. 邹杰,史长琼,姬文燕. 计算机应用. 2012(01)
[9]一种基于预测开路电压的SOC估算方法[J]. 徐欣歌,杨松,李艳芳,陈文芗. 电子设计工程. 2011(14)
[10]基于动态能量管理的无线传感网络动目标定位跟踪方法[J]. 林金朝,李国军,周晓娜,周道军,蒋勇. 通信学报. 2010(12)
博士论文
[1]基于李雅普诺夫方法的卫星通信系统的容量、能量、时延的分析与优化[D]. 李虎.北京邮电大学 2014
硕士论文
[1]立井提升钢带过卷缓冲装置特性与匹配研究[D]. 张帅鹏.安徽理工大学 2017
[2]大型旋转体表面风致振动压电能量收集研究[D]. 李志翔.中国矿业大学 2017
[3]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[D]. 黄玲花.中国矿业大学 2014
[4]摩擦提升机卡罐动力学特性分析[D]. 丁燕.太原理工大学 2014
[5]基于无味卡尔曼滤波的电动汽车动力电池SOC估计[D]. 柏庆文.吉林大学 2013
[6]磷酸铁锂电池建模及SOC算法研究[D]. 陈勇军.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3418678
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