路面发电系统的设计与研究

2021-11-24金皖东黄天峰

湖北工业职业技术学院学报 2021年5期

关键词：内圈外圈曲轴

金皖东，黄天峰

(义乌工商职业技术学院机电信息学院，浙江义乌 322000)

0 引言

现代社会的生产与生活对电力的需求越来越大，而电能作为二次能源仍依赖于不可再生能源的转换，对环境污染严重，同时世界各国都在倡导节能减排、保护环境，因而寻找新的能源及新的发电方式成为当务之急。

行人行走的机械能大量存在于步行街、旅游景点等场景中，且这些能量都是清洁无污染的免费能源，若能有效利用，将产生巨大的经济与社会效益，路面发电技术应运而生。

目前的路面发电技术主要包括压电技术和太阳能发电技术。压电能量收集系统由以色列的Innowattech公司开发[1]，通过植入路面中的压电材料采集路面的振动能量来进行发电。但该技术的路面改造费用高达65万美元/千米，造价昂贵，且该技术目前仍未成熟，处于保密阶段，没有更多详细资料可供参考。西安交通大学的曹秉刚等[2]提出一种路面发电方法，将压电材料置于路面内，通过采集振动能量产生电能，并将电能输出提供给路灯系统或其他用电设备。“太阳能高速公路”方案[3]提出若给近1.25万公里的德国高速公路装上太阳能顶棚，将获得相当于德国所有发电厂发电量总和16倍的电能。但是此种技术较为先进，若大规模制造生产相关设备则成本过高，短时间内不能用于商业批量生产，无法普及。

因而，目前的路面压电技术和太阳能发电技术存在技术复杂、造价昂贵等问题，针对上述问题，本文提出一种路面发电系统设计方法，为解决目前相关技术存在的问题提供新的思路。

1 系统结构设计

系统结构如图1所示，包括承重机构、传动机构、离合加速机构、发电储电机构。

注：0 路面；1 承重板；2 支撑支架；3 复位弹簧；4 推杆；5 连杆；6 固定支架；7 驱动杆；8 曲轴；81 平衡块；91 超越离合器内圈；92 超越离合器外圈；10 离合器齿轮；11 发电机齿轮；12 发电机；13 蓄电池

1.1 承重机构设计

承重机构包括承重板、支撑支架、复位弹簧。承重板置于路面的圆盘孔内，其下表面制有铰接支架，用于铰接传动机构的推杆；复位弹簧置于承重板和支撑支架之间，用于支撑承重板，当承重板未受力时，在复位弹簧的作用下，承重板的上表面与路面的上表面齐平；支撑支架固定于路面之下，内部放置复位弹簧，底部还制有一个圆盘孔。

承重板接收行人踩压的动能，将能量传导给推杆，外力释放后，在复位弹簧的作用下承重板回到初始位置，以开始下一次的能量采集。

1.2 传动机构设计

传动机构包括推杆、连杆、固定支架、驱动杆、曲轴。推杆上端与承重板铰接，其下端与驱动杆、连杆铰接；连杆另一端与固定支架铰接；驱动杆下端与曲轴铰接；曲轴包含质量分布不均匀的平衡块，曲轴为一刚性轴，各部件间为刚性连接，无相对运动。

传动机构的作用为传导初始位移，并将采集到的直线位移转换为旋转位移。

1.3 离合加速机构设计

离合加速机构包括超越离合器、离合器齿轮、发电机齿轮，其中，超越离合器包含内圈和外圈。超越离合器的内圈与曲轴通过键连接，曲轴带动内圈转动，内圈带动外圈转动；离合器齿轮与外圈固连；发电机齿轮安装于发电机主轴上，与离合器齿轮外啮合。

离合加速机构利用超越离合器的离合特性及啮合齿轮的传动比加速特性，实现对旋转位移的离合及加速功能。

1.4 发电储电机构设计

发电储电机构包括发电机、蓄电池、轴承。发电机的主轴与发电机齿轮连接，发电机产生的电量可储存于蓄电池中；蓄电池通过轴承架于曲轴上。

2 系统工作原理与设计分析

系统的初始状态为：承重板的上表面与路面平齐；复位弹簧在承重板的重力作用下处于压缩状态；平衡块的重心处于曲轴旋转中心的下方，如图1所示。

当承重板受力时，即承重板在车辆行驶其上或行人行走其上时向下运动，推动推杆向下运动，复位弹簧进一步压缩，此时，推杆的运动及连杆的作用将带动驱动杆动作，驱动杆的动作带动超越离合器的内圈绕某一方向转动，内圈的转动带动外圈转动，经过离合器齿轮与发电机齿轮的啮合传动加速后驱动发电机发电。

当承重板运动到最下端位置时，此时复位弹簧处于最大压缩量且平衡块旋转至曲轴上方，平衡块的重心处于曲轴旋转中心的上方，如图2所示。随后若承重板的受力消失，如行人抬脚或车辆快速通过，在平衡块的重力作用及惯性作用下，同时复位弹簧回弹带动承重板上移，在平衡块和复位弹簧的双重动力驱动下，曲轴继续按之前的旋转方向转动，驱动杆、连杆及推杆相应动作。当承重板上表面上移回到与路面平齐状态时，系统回到初始状态。

以上为系统在场景一下的工作流程，该场景下一次踩踏与释放即可带动离合器转动一圈，进而加速带动发电机发电，且一次踩踏与释放结束后，系统回到初始状态，可进行下一次的踩踏与释放，因而可连续进行踩踏与释放过程，实现持续发电。同时，一次踩踏与释放承重板的过程实现了曲轴及离合器内外圈转动一圈是基于承重板的位移不宜过大的安全性考虑。

场景二为当承重板运动到最下端位置时，承重板的受力在一定时间内保持不变，如行人驻足或车辆停止。在承重板下移的过程中，曲轴带动超越离合器的内圈转动，内圈带动外圈按某一旋转方向转动。当承重板运动到最下端位置并保持不动时，曲轴、超越离合器的内圈停止转动，但由于超越离合器的离合特性，以上结构的运动停止并不影响超越离合器的外圈由于惯性继续按之前的旋转方向转动。当承重板的受力消失，即驻足的行人离开或停止的车辆离开，随后系统的工作流程同场景一的工作流程，平衡块和复位弹簧的双重作用带动曲轴继续按之前的旋转方向转动。

因而，场景二下的一次踩踏与释放也可带动离合器转动一圈，且一次踩踏与释放结束后，系统回到初始状态。

场景三为在承重板下移的过程中承重板的受力消失，如行人只踩了一小部分位移就抬腿离开。此场景下，承重板下移，内圈带动外圈按某一旋转方向转动，当承重板的受力消失时，平衡块只转动了一个小角度，如图3所示。平衡块受重力作用及在复位弹簧的作用下，平衡块反转，承重板上移，曲轴带动内圈反转，但由于超越离合器的离合特性，内圈的反转并不影响外圈由于惯性继续按之前的旋转方向转动。在各种结构作用下，承重板上移回到初始状态，系统回到初始状态。

以上为三种常见的实际场景下系统的工作流程，在行人快速通过、行人驻足后通过、行人只踩踏一小部分位移后离开三种场景下系统均可正常工作，且基于承重板的位移不宜过大的安全性考虑，设计了一次踩踏与释放承重板的过程可实现曲轴及离合器内外圈转动一圈，提高了系统工作效率。进一步，可混合采用三种场景下的踩踏与释放过程，每次踩踏与释放过程相互独立，增强了系统的灵活性与适应性。