基于壓力發電的新式絲桿機構生熱保溫鞋設計

初豪杰，張成雷，陳成虎，曹升基

（臨沂大學機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276000）

1 引言

每當冰雪寒冷之時，人們都希望自己出行時能和室內一般溫暖。每個人的身體器官對寒冷的抵抗程度是不同的，通常情況下，當人們在穿著大量的衣物時，腳部還是十分的冰涼。原因腳上的脂肪相對薄弱，若不給予一定保暖措施，甚至會導致凍腳部凍傷等一系列癥狀[1]。

據調查，目前市場銷售量最多的保溫鞋是通過采用性能良好的保溫材料來減少鞋內熱量的散失從而達到保溫的良好效果，但是，這種保溫鞋過于厚重，使勞作行動有所不便；在過于寒冷的地區，這類保溫鞋會失去保溫作用。市面上還存有采用新型壓電材料發電的壓電生熱保溫鞋，該類鞋子具有大的動態范圍，并且耐沖擊；在現有的壓電式發電結構中，首以壓電陶瓷技術為最新科技，不過用于發電的壓電陶瓷不僅對材料的要求較高，對制造工藝的要求也較為復雜，導致生產成本大大提高，適用人群范圍的極度縮小，限制了它的生產推廣。例如，文獻[2]提出了一種基于壓電效應的生熱保溫鞋及其檢測裝置的設計。構建一個壓電發電裝置，對壓電陶瓷的發電特性進行分析。文獻[3]提出了一種基于PVDF壓電膜（壓電發電裝置和電池）的發熱保溫鞋設計。其中，主要介紹了PVDF壓電膜的特性及目前在若干領域中的使用情況，并計算出人體運動過程中腳踏PVDF壓電膜能給設備產生電量大小，最后通過理論算法進行計算。文獻[4]提出了一種基于壓電膜供能的發電鞋。該實用新型專利主要研究一種基于壓電膜供能的發電鞋，包括鞋底、壓電部分、鞋墊、無線充電部分、電能儲存裝置、緩沖彈性體。本實用新型選用PVDF壓電膜，與壓電陶瓷相比，具有厚度小、強度大的特點，無線充電部分可實現在任何時間、任何地點持續地為手機等設備進行短距離無線充電，方便實用。文獻[5]提出了一種基于壓電效應的壓力發電鞋。是利用人體行走生產的電量進行壓力發電，因此這款鞋可自發電進行電池充電，還能滿足發電保暖、夜晚行走輔助照明等需求。文獻[6]提出了一種多功能發電鞋設計與制作，該鞋是采用壓電效應和微型發電機運動相互結合的發電方式，避免發電不足無法正常運行，確保供電內產熱保暖。文獻[7]提出了一種可利用人體機械能進行發電的裝置。這種發電鞋底利用電磁感應原理進行發電，即磁通量變化產生感應電動勢的原理。在人體運動過程中，所產生的電能能滿足小型電子設備充電的需求，同時還具備夜晚行走輔助照明、鍛煉身體等功能。

除以上兩種形式的保溫鞋外，還存有壓電發電片生熱的保溫鞋，這種保溫鞋壓電方式的成本相對壓電陶瓷技術較低，但電源特性差，且在低頻時阻抗很大，這些特征不利于商業化和實用推廣。

經研究發現，一個成年男子的平均體重在65 公斤上下浮動，人類慢走時腳掌對地的力約為體重的1.4倍[1]。以一個65公斤的人為例，走路時腳對鞋底的作用力大約為1820N，產生的能量使機械能轉化為電能，保證了蓄電池的供電需求[8]。文中所提出的基于壓電發電的新式絲桿機構生熱保溫鞋采用了新式絲桿結構壓力式發電和溫度智能控制技術，是一種集自發電、自轉能、自保溫為一體的新理念的壓力發電保溫鞋。此外，為防止腳步出汗導致鞋內環境過濕，影響發電裝置的工作性能，發電裝置必須密封并置于鞋底，如圖2所示。同時采用放置防濕鞋墊、3D透氣飛織等傳統去濕方法，充分保證裝置工作性能的穩定。

2 新式絲桿機構發電原理

新式絲桿機構發電原理如下：在腳踩壓鞋底觸點和復位彈簧的作用下，新式絲桿結構將往復的直線運動轉變為正反轉的旋轉運動，接著與絲桿相連的新型棘輪通過梯形鍵、彈片等使大錐形齒輪單向轉動，大錐形齒輪又帶動與發電桿相連的小錐形齒輪單向轉動，因為發電線圈固定在發電桿上，發電桿的轉動帶動線圈切割磁感線，進而使發電機產生直流電并輸出[9]。這種發電裝置將人體下壓機構所產生的的機械能轉換為電能，并將電能低損耗地傳輸到保溫鞋蓄電池中，該裝置可以滿足戶外勞作人員的腳步保暖和戶內冰庫工作人員的保暖使用需求。新式絲桿機構發電裝置，如圖1所示。

圖1 新式絲桿機構發電裝置Fig.1 New Type Screw Mechanism of Power Plant

新式絲桿機構發電裝置的電路：使用微型直流發電機進行復合式發電，對于電機產生的電壓，首先經過整流、濾波處理，由于整流濾波后的電壓較小，需要通過升壓電路裝置把經過濾除的較小電壓提升到4.2V標磚給鋰電池提高充電。在電路上要保證鋰電池的安全，可以采用標準鋰電池過充、過放及外電路短路過流的過電保護電路。

3 壓力發電裝置的設計

為了解決運動過程中頻率較少不能持續充電的問題，我們研制了充發電一體式發熱裝置，將鋰電池上正負極觸點各自和裝在鞋側面的圓柱狀充電觸點連接，充電時只要將配套的磁吸附式充電器吸附在鞋外側的充電觸點上就可以對鞋內鋰電池進行充電；最后，直流電輸入到鋰電池中，給電池充電并連接小型電路板，通過Stm32控制溫度傳感器和繼電器來控制電流，從而控制電熱片的運作[5]。經過試驗發現，這種發熱裝置改善了保溫鞋的機械供能特性，實現了保溫鞋長時間的恒溫保溫。充發電一體式發熱裝置結構圖，如圖2所示。

圖2 充發電一體式發熱裝置Fig.2 The Electricity Integrated Heating Device for Charging and Generating System

3.1 壓力發電裝置的機械結構設計

良好的設計理念使基于新式絲桿的壓力發電保溫鞋合理的解決了集自發電、自轉能、自保溫為一體的保溫特性以及自發熱發電功能[9]。本設計，是由帶有弧形鍵槽的轉軸、帶有梯形鍵的棘爪、棘輪齒和復位彈片組成的結構將往復的直線運動轉變為正反轉的旋轉運動，再與絲桿相連的新型棘輪通過梯形鍵、彈片等使得大錐形齒輪單向轉動，大錐形齒輪又帶動與發電桿相連的小錐形齒輪單向轉動，因為發電線圈固定在發電桿上，發電桿的轉動帶動線圈切割磁感線，進而使發電機產生直流電并輸出。新式絲桿剖面，如圖3所示。

圖3 新式絲桿機構剖面圖Fig.3 The Profile of New Screw Mechanism

3.2 新式絲桿回復過程的機械結構分析

因為新式絲桿機構所連接的新型棘輪是一種簡單且應用廣泛的間歇運動機構，新式絲桿也具有受力不連續的特點，所以新式絲桿的準零度恢復將大大提高壓力發電裝置的供電效率[10]。據此，我們建立了此支撐桿的回復力方程：

式中：k1—螺旋彈簧A6的剛度；

k2—螺旋彈簧B10的剛度；

L—螺旋彈簧A安裝座的邊長；

h—螺旋彈簧B10的預壓縮量；

x—支撐桿承載質量振動位移。

對式（1），進行求導可以得到系統的剛度K的表達式：

引入無量綱的轉化形式：

可得到系統的無量綱剛度的表達式：

由式（4）可知，系統的剛度受到螺旋彈簧B10的預壓縮量、螺旋彈簧A6的剛度、螺旋彈簧B10的剛度的共同影響。不同的螺旋彈簧A6 的剛度、螺旋彈簧B10 的剛度和不同的螺旋彈簧B10 的預壓縮量情況下的系統剛度特性，如圖4、圖5 所示。如圖4 所示，當=-0.62 時，螺旋彈簧A6 的剛度特性為K=1.0；在=0 時，得到系統剛度值為0；當|x|>0 時，系統的剛度也大于0；如圖5 所示，螺旋彈簧B10 的剛度特性需要規定出合理預壓縮量和剛度。

圖4 螺旋彈簧A6的剛度特性Fig.4 The Stiffness Features of Coil Spring A6

圖5 螺旋彈簧B10的剛度特性Fig.5 The Stiffness Features of Coil Spring B10

壓力發電的理論基礎是彈力的方程，只有設計準確的彈力才能使我們研制保溫鞋的機械能源源不斷地轉化為電能，進而實現保溫鞋的恒溫保溫功能[11]。準零剛度支撐桿的研制實現了整體絲桿機構的準零度往復運動，使供電裝置的機械結構部分更加合理高效，提高了機械供電的效率。

3.3 鋰電池放電狀態下電荷狀態和誤差曲線

采用一組容量為2750mAh的比克三元鋰電池進行HPPC實驗。為了鋰電池存儲證驗的保溫可行性，按照移動充電系統充電和放電兩種工作狀態，分別進行檢測[9]。實驗數據，鋰電池放電狀態下電荷狀態（State of Charge，SOC）和誤差曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 放電狀態下SOC變化曲線Fig.6 The SOC Change Curve Under Discharge State

圖7 放電狀態下SOC誤差估計Fig.7 The Error Estimation Under Discharge State

經實驗證明，一組容量為2750mAh的比克三元鋰電池的放電時間預計為16min左右。這樣人體沒有行走時，也有恒定的功率供給[12]。通常人體行走時的能量可通過壓力發電方式或回轉式方式來收集。因此，本設計中采用壓力發電式收集法，對人體行走時產生的動能進行理論分析。

4 壓力發電裝置特性研究

4.1 壓力發電裝置的受力分析

在一定的應變范圍內，彈簧的彈性系數越大，則其等效應變均值越大。從外界吸收的能量越大，產生單位應變時的彈性應力所發電能越多[13]。腳踏式壓力發電裝置的結構圖，如圖8所示。

圖8 腳踏式壓力發電裝置的結構圖Fig.8 The Structure Diagram of Pedal Type Pressure-Generation Power Generation Device

鑒于此，為了增大發電量，采用減小壓力發電裝置彈簧片振動阻尼的思路，提高彈簧片的回程。經過實驗表明，人行走時對地面的壓力要比人正常站立時要大，大約可以是人體體重的1.4倍左右，而一個成年男子的平均體重在65kg上下浮動，則走路時腳底對地的作用力最大可為：

在理想狀態下，實驗人員以2步/s的步幅前進，其運動過程中腳跟部距離地面高度保證在5cm左右，則可利用的總功率為：

因此，人體在運動過程中，尤其是高強度運動過程中，做功量產生的能量是相當可觀的。然而自發熱保溫鞋即使采用機械結構進行發電，對發電量的功率也僅僅需要很小，遠遠小于1W。人體行走過程不能持續過長，但是裝置中存儲電能的電池，可以將富裕的電量能量貯存起來，這一設計確保了鞋子的發熱保溫。

現設計一個（30×30）mm 的腳踏板，以一個65kg 的人為例，施加一個力大約為1820N到腳踏板上[14]。通過Solid Works的應力分析模塊Simulation進行應力分析，仿真計算得到腳踏板產生靜態位移變化情況。其中，彈簧的變形比例為1.24282。腳踏式壓力發電裝置的受力情況，如圖9所示。

圖9 腳踏受力應變仿真分析圖Fig.9 The Simulation of Stress and Strain of Pressure-Generation Power Generation Device

如圖9所示，是腳踏受力應變仿真分析圖。以走路時腳底對地的作用力1820N 為例，理論上發電裝置裝置所受應力為σ=2.02MPa。根據Solid Works的應力分析模塊Simulation進行應力分析，仿真結果如下：

（1）當走路時腳底對地的作用力1820N時，靜態應變受力最大的部位為齒條部位；此時，ESTRN：等效應力（mm）對等應變的范圍為1.323e-11～7.673e-04。變形比例為：1.24282。

（2）當走路時腳底對地的作用力1820N時，應變受力最大的部位為踏板部位；此時，URES：合位移（mm）的范圍為1.000e-30～3.473e+00。變形比例為：1.24282。

（3）對總裝靜應力進行分析，即零組件在裝配時由加工誤差引起的內應力，位移狀態如圖9（c）所示。位移最大的部位為彈簧，發電裝置變形比例為：1.24282。

在發電保溫鞋的實際應用中，由于工作環境差異，其變形程度也會發生相應的變化。通過仿真實驗研究發現，當人走路腳底對地施加最大壓力時，發電裝置的變形比例為1.24282；且相關仿真實驗結果表明，在該變形比例下，發電裝置處于正常的工作狀態。所以，通過仿真分析推斷該保溫鞋在正常工作環境下不會影響其性能。

目前，壓力發電裝置中的難點，是設計出符合設計要求范圍的壓力機構（彈簧片），確保發電的效率，實驗結果，如表1所示。

表1 實驗結果Tab.1 The Result of this Experiment

4.2 壓力發電裝置彈簧片的受力分析

在此，采用ANSYS 有限元分析的方法，用控制變量法對不同材質的彈簧進行求解其受力、變形和位移情況，得出復位彈簧的變形、位移和應力分布云圖。基于此，確定腳踏式發電裝置中壓縮螺旋彈簧的最佳材料和尺寸[15]。

具體如下：復位彈簧面積一定時，尺寸為200mm×50mm×1.5mm復位彈簧的產生單位應變時的彈性應力最大的，即復位彈簧有效的布置面積最大。

尺寸為120mm×80mm×1.5mm 復位彈簧，局部應力很小，但長度較短造成了其等效應變均值很小，其應變能也隨著變小，不能為復位彈簧提供足夠高的動量。

尺寸為200mm×50mm×1.5mm 復位彈簧，其受力、變形和位移情況等較理想，其釋放的動能較大，轉換的電能最為理想，其最大位移、最大應力比較小。基于此實驗，建議選擇復位彈簧尺寸為200mm×50mm×1.5mm規格的Fe2O彈簧作為踏式發電裝置中復位彈簧。

尺寸為300mm×30mm×1.5mm 復位彈簧，經仿真分析，其局部最大應力為340MPa，而復位彈簧長期要處于高頻振動，其剛度和強度較差，因此局部的高應力會大大縮短復位彈簧的壽命[16]。

Fe2O復位彈簧仿真模擬（200mm×50mm×1.5mm規格），如圖10所示。

圖10 最大應力仿真和最大位移仿真模擬圖Fig.10 The Simulation of Maximum Stress and Maximum Displacement

5 結語

（1）為了有效解決嚴寒地區居民和特殊工作者的腳部保暖問題，并適應低碳需求的新時代潮流，提出了一種基于壓電發電的新式絲桿機構生熱保溫鞋。

（2）該裝置極大化的實現了機械能與電能的循環轉換，并將電能直接通過碳纖維材料轉變為熱能，達到生熱保溫的效果。

（3）該裝置成本低廉，滿足了不同人群對保暖需要的追求，具有廣闊的市場前景。

（4）該裝置滿足工作人員日常工作保暖需要，且防汗和防止微量進水。