劉楚君,黃明強(qiáng),包海濤*（大連理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院,遼寧 大連 116024）

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步態(tài)蓄能器的研發(fā)

劉楚君,黃明強(qiáng),包海濤*
（大連理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院,遼寧 大連 116024）

摘 要：本研究設(shè)計(jì)了一種發(fā)電儲(chǔ)能器，可布置于行人密集場(chǎng)所，利用行人踩踏蓄能器踏板將能量傳遞至發(fā)電機(jī)發(fā)電并儲(chǔ)能。單個(gè)蓄能器可獨(dú)立工作，也可串聯(lián)協(xié)同使用，選擇不同數(shù)量的單元，進(jìn)行級(jí)聯(lián)，構(gòu)成不同功率的機(jī)組。依靠人體勢(shì)能發(fā)電，節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：能源動(dòng)力；步態(tài)發(fā)電；蓄能器；環(huán)保節(jié)能

0 引言

我國(guó)是一個(gè)能源資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，化石能源資源擁有量?jī)H為世界平均水平的1/5～1/2。且化石能源資源并不是取之不盡用之不竭的，其儲(chǔ)藏量越來(lái)越少。隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，對(duì)能源動(dòng)力的需求將會(huì)越來(lái)越大，因此，開(kāi)發(fā)低碳環(huán)保的新能源刻不容緩。

1 步態(tài)能量分析

正常青年行走步速：30步用時(shí)17.1s，平均1s走1.7步。每步用時(shí)0.59s。人每步兩腿間距取30度，則前腿與鉛垂方向夾角為15度。腿長(zhǎng)取1米。從前腳剛剛著地到整個(gè)前腳變?yōu)橹文_（人體重心前移，至前腿與地面垂直）的過(guò)程中，重心上移量為h=1-1×cos15°=0.034m這個(gè)過(guò)程可以看作邁了半步，用時(shí)0.59/2=0.3s簡(jiǎn)化整個(gè)過(guò)程為一個(gè)加速度從最大值均勻減小到0的過(guò)程。設(shè)速度v=0.3At-At^2/2,則a=v’=0.3A-At使得a’=-A為常數(shù)。并且得A=3.78。所以最大加速度為:amax=0.3A=0.3*3.78=1.134m/s2慣性力為F=mamax=60×1.134=68.04N最小慣性力為0。平均慣性力為68.04/2=34.02N做功2.31J。同時(shí)，從前腳著地前到著地后，前腳的速度從v1降到0。人體的步行速度取1.7m/s 將人走路過(guò)程中，前腿邁出后，著地前的人運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化看作腿繞重心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則重心的水平線速度等于前腳的線速度等于1.7m/s。當(dāng)腳剛接觸地面時(shí)，腿與地面的夾角為75°將此速度分解為速度v水平和v豎直。水平速度由地面摩擦平衡。豎直速度則對(duì)地面形成動(dòng)載荷。v豎直=v1sin15°=0.44m/s

沖擊過(guò)程大概為0.1s，則加速度為4.4m/s2，動(dòng)載荷為264N?？偟臎_擊載荷為264+mamax=332N做功11.6J

總共每步可以多做功13.9J。不考慮沖擊時(shí)每步做功為60J。假設(shè)人流密集。踏板每秒被踩動(dòng)1次，齒輪傳動(dòng)效率較高可達(dá)98%，整體按90%算，預(yù)計(jì)每個(gè)踏板功率可以達(dá)到65w。因?yàn)椴忍な菫殚g歇運(yùn)動(dòng)，同時(shí)凌晨幾乎沒(méi)有人流量，故將一天折算成8個(gè)小時(shí)的踩踏時(shí)間計(jì)算，計(jì)算得日均發(fā)電量：

2 功能設(shè)計(jì)

（1）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖是單個(gè)蓄能器的增速機(jī)構(gòu)與連接機(jī)構(gòu)。踏板（1）帶動(dòng)環(huán)形齒條（2）擺動(dòng)，從而帶動(dòng)與棘輪（3）的內(nèi)圈固結(jié)的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪內(nèi)圈帶動(dòng)與外圈固結(jié)的大齒輪（4）轉(zhuǎn)動(dòng)。大齒輪（4）帶動(dòng)與棘輪（6）內(nèi)圈嚙合的小齒輪（5），內(nèi)圈帶動(dòng)與大錐齒輪（7）固結(jié)的外圈，大錐齒輪帶動(dòng)小錐齒輪（8）然后帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)可與多個(gè)相同的機(jī)構(gòu)串聯(lián)接在發(fā)電機(jī)上。棘輪（3）的作用是保證踏板（1）不會(huì)被齒輪的慣性反向帶動(dòng)無(wú)法快速?gòu)?fù)位。將其設(shè)計(jì)到第一級(jí)齒輪上，以保證除過(guò)齒條，踏板，棘輪內(nèi)圈外的所有齒輪的慣性力都可以用來(lái)發(fā)電而非空轉(zhuǎn)。

棘輪（6）保證輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)反向帶動(dòng)串聯(lián)在其上的其他閑置的增速機(jī)構(gòu)里的齒輪，避免能量損失，踏板踩動(dòng)閾值變大的問(wèn)題。踏板（1）靠扭簧來(lái)復(fù)位。在踏板末端的環(huán)形齒條（2）實(shí)質(zhì)上是內(nèi)齒輪。增速機(jī)構(gòu)有兩部分，一部分位于踏板下方，每一個(gè)踏板都帶一個(gè)增速機(jī)構(gòu)。另一部分位于發(fā)電機(jī)端。如此設(shè)計(jì)是為了減少每個(gè)踏板下增速機(jī)構(gòu)的體積、節(jié)省一定的材料。而不將所有的增速機(jī)構(gòu)都設(shè)計(jì)在發(fā)電機(jī)端是因?yàn)樘ぐ宓目蓜?dòng)距離很小，如果不先增速很難帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

蓄能器機(jī)械結(jié)構(gòu)包括兩部分，一是能量傳遞部分，將行人踩踏踏板產(chǎn)生的動(dòng)能傳遞到發(fā)電機(jī)上；二是能量轉(zhuǎn)換部分，將行人踩踏踏板產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。 蓄能器可以串聯(lián)，若單個(gè)蓄能器功率不大，可增加串聯(lián)數(shù)目。如圖：

圖1　機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2　串聯(lián)示意圖

圖3　蓄能器效果圖

（2）傳動(dòng)比。按踏板每2秒被踩1次計(jì)算，每踩一次與齒條嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)1圈，小齒輪轉(zhuǎn)速n1=30rpm發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：n0=860rpm計(jì)算得總傳動(dòng)比：。根據(jù)齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)，每級(jí)傳動(dòng)比分別為3、2和5，終總傳動(dòng)比為：i=3×2×5=30?；⌒锡X條的行程100mm，為使與其嚙合的小齒輪能轉(zhuǎn)一圈，小齒輪直徑d==31.8mm，取d=30mm，模數(shù)m選3，則與棘輪（3）的內(nèi)圈固結(jié)的小齒輪，小齒輪（5）和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的小齒輪的齒數(shù)都為10，小于最小齒數(shù)17，會(huì)發(fā)生根切，但是因?yàn)檩d荷低，所以可以使用，其分度圓直徑30mm，與外圈固結(jié)的大齒輪（4）齒數(shù)為30分度圓直徑90mm，小錐齒輪（8）齒數(shù)取12，則大錐齒輪（7）的齒數(shù)為24。與發(fā)電機(jī)軸上的小齒輪嚙合的大齒輪齒數(shù)為50，分度圓直徑150mm。 因?yàn)檩d荷較輕，成本要求低，齒輪材料選鑄鐵。

（3）能量轉(zhuǎn)化、收集。電路部分的作用是將發(fā)出的電能儲(chǔ)存在蓄電池中。過(guò)程如下

圖4

蓄電池宜選用12V100AH鉛酸蓄電池，欠電電壓為10.5V，充滿電時(shí)12.8-13.5V。DC/DC電路開(kāi)關(guān)器件比線性器件效率高，效率在90%以上；蓄能器要求高效率清潔，故選用由開(kāi)關(guān)器件組成的DC/ DC變換電路。

3 蓄能器推廣以及應(yīng)用

（1）地埋式。蓄能器可制作為地埋式，使用時(shí)將變速箱體以及發(fā)電機(jī)組放置在地下，將踏板露于表面，在人行道、天橋、地鐵站入口、汽車站、火車站等人流量大的場(chǎng)所使用。

（2）樓道燈?？梢圆贾迷谛^(qū)住宅樓的樓道內(nèi)，代替聲控?zé)舻碾娫?，在人上樓時(shí)點(diǎn)亮樓燈并增加法拉電容以持續(xù)一定的點(diǎn)亮?xí)r間。此時(shí)需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行稍微改造，由于小區(qū)樓道內(nèi)不允許在地面開(kāi)設(shè)溝槽以容納蓄能器下方的變速箱體，故將變速箱體至于蓄能器上方，并放置在兩側(cè)，以免妨礙行人上下樓梯。相當(dāng)于將整個(gè)蓄能器倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)安裝，原來(lái)的踏板用作基座，原來(lái)的基座充當(dāng)踏板。并使用萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行多蓄能器之間的串聯(lián)以適應(yīng)樓梯的形狀。

（3）重型、大功率蓄能器。將機(jī)構(gòu)額定載荷設(shè)計(jì)加大，如增大齒輪的模數(shù)，齒寬，使得整體尺寸變大，或者通過(guò)液壓缸與曲柄連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)增速，這樣便可以將蓄能器布置在路面下方，將減速帶作為踏板，利用過(guò)往車輛的碾壓來(lái)發(fā)電，可以收集車輛減速時(shí)浪費(fèi)掉的能量。

（4）并網(wǎng)發(fā)電。如果使用數(shù)量已成規(guī)模，發(fā)電量足夠大，可以考慮并網(wǎng)發(fā)電。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種新型發(fā)電裝置，利用新能源發(fā)電儲(chǔ)能，已達(dá)到節(jié)能減排的目的。并對(duì)裝置的推廣與應(yīng)用做了展望。作為一名本科生，我通過(guò)這次的設(shè)計(jì)學(xué)到了很多

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*通訊作者：包海濤

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.046