CN102200105B - 路拱发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交通稳静化设施,即路拱发电装置。该装置包括拱面部分、传动部分以及发电部分。使用本装置时,车辆在驶过路拱时,路拱特殊的形状会使得车辆自动减速,同时本路拱将传统的减速路拱与发电装置相结合,可以起到发电的效果。这样可回收利用车辆驶过路拱时所产生的能耗进行发电,充分体现了城市对于低碳的要求,另外可以利用产生的电能供指示灯为行人提供车辆警示,减少事故的发生。通过实物制作和实际论证得出,此装置是合理可行的。本发明能同时实现车辆减速和发电的作用,减速效果良好,安全性好,能源利用率高。

Description

路拱发电装置
技术领域
本发明涉及机械发电装置,具体为运输技术领域的一种路拱发电装置。
背景技术
伴随着我国城市机动化进程的发展,私人小汽车在城市居民中拥有的比率也在不断增长,居民社区内的交通量不断增多、行驶车速不断上升、社区道路车辆噪音不断升高,若没有一种较为理想的交通稳静化设施,车辆在通过一些特殊场所如花园、小区、停车场、车库、加油站时,不会很自觉地进行减速,安全性不好,能源利用率也不高,特别是在一些车流量较大的地方,会造成了大量的能量损耗。这样不仅造成居民居住环境品质的下降,还对居民、青少年的居住安全造成巨大的威胁。
随着现代人民生活水平的提高,人们对拥有一个安静和谐安全的居住环境的要求越来越高,2006年国家总理首先提出“城市发展要走节约资源、保护环境的集约化道路;城市功能要以人为本,创建宜居环境”。交通稳静化作为应对以上问题的重要手段被提出来,其目的是为了使街道空间回归行人使用,使交通环境回归人对交通本来需求,对交通设施使用者更加安全,有序的各种不同交通手段的总称。
交通稳静化是由荷兰的交通工作者首次提出来,受到了国际国内交通工作者的关注,开始纷纷致力于交通稳静化的研究。常用的交通稳静化设施如安全岛,路锥,电动升降柱,路拱,道路隔离栏,橡胶减速带,安全减速带等等。而路拱以其最优的减速效果被广泛应用在各种交通稳静化设施中。但是传统路拱只具有减速的效果,对减速作用所消耗的能量却被忽视。因此,有必要提供一种新型路拱来克服现有技术上的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种路拱发电装置,在车辆驶过路拱时起到减速的效果和发电的作用,减速效果良好,安全性高,能源利用率高。
为了实现上述目的,本发明的一种路拱发电装置包括:拱面部分,传动部分和发电部分;所述的拱面部分主要由路拱基座和圆角矩形拱盖组成,圆角矩形拱盖安装在路拱基座上;传动部分主要由连杆和钢铁连接器组成,位于路拱基座和圆角矩形拱盖下方,两连杆之间采用钢铁连接器连接;发电部分主要由齿轮杆,第1齿轮、第2齿轮、第3齿轮以及发电机组成,第3齿轮与第1齿轮或第2齿轮相咬合,第3齿轮的轴为发电机转动轴;圆角矩形拱盖内有顶杆,在它们上方通过螺母将其固定在一起,顶杆下部分外部套有弹簧,顶杆与连杆通过螺母连接,连杆与顶杆接触位置打磨成平面,连杆一端伸出路拱基座与齿轮杆垂直连接,第1齿轮与齿轮杆直接相连,第2齿轮与第1齿轮同轴异径,以此来控制第3齿轮的转动速度,发电机转动轴与第3齿轮的齿轮牙中间有两个棘轮,小弹簧把棘轮顶起,使发电机转动轴只能向正方向转动。
本发明的路拱发电装置中,所述的路拱基座的结构与传统铸铁路拱类似,它的上表面有安装圆角矩形拱盖的三个凹槽,两边同样为路拱缓坡,两圆角矩形拱盖的间距远远小于汽车车轮宽度,车辆从发电路拱的任意位置驶过都可以产生发电效果。
本发明的路拱发电装置中,所述的第1齿轮和第2齿轮为平行轴正齿轮,第3齿轮的轴为发电机转动轴,该转动轴与第3齿轮的齿轮牙中间有两个棘轮,小弹簧把棘轮顶起,这样发电机轴就只能向正方向转动。
本发明的路拱发电装置中,所述的路拱基座与路面的固定采用螺栓固定,相邻路拱基座之间连接横向螺母,连杆与连杆的连接采用钢铁连接器,保证连杆的刚性,从而保证其有较高的传递效率。
本发明的路拱发电装置中,使用的弹簧在受同类压力后复位时间为0.1秒,大大低于小汽车前后轮驶过的时间间隔。
本发明的路拱发电装置中,一个发电路拱带动三个发电机,三个发电机呈俯视的‘品’字形安装,以有效的节省安装空间。
本发明的路拱发电装置中,在每个单元体中间做一个横穿整个装置的排水管,其位于路拱的高度与凹槽最低端持平,管的直径为5mm,以排出凹槽内的积水。
本发明的路拱发电装置中,在路拱两边与路面的接触部位设置有三个橡胶槽,其中最外层用来放置防水橡胶,中间一层放置防油污的橡胶,最里面一层根据安装的不同环境和不同地区确定放置不同种类橡胶。
本发明的路拱发电装置中,在顶杆的对应位置安装有阻隔环,该阻隔环与顶杆固定,防止圆角矩形拱盖弹出凹槽;阻隔环上表面贴有一层橡胶垫,可减弱顶杆的震动,保持整个装置的稳定性。
本发明的路拱发电装置工作原理:
参见附图,在整个装置静止时,圆角矩形拱盖5,顶杆6,连杆11,齿轮杆16均位于其运动路径的最高处,弹簧9处于最小压缩状态(圆角矩形拱盖及顶杆的重力使其压缩)。车辆驶过路拱时把圆角矩形拱盖5往下压,给圆角矩形拱盖5做功,同时圆角矩形拱盖5给顶杆6做功,使顶杆6下降,顶杆6带动连杆11下降并使弹簧9压缩,连杆11通过传动部分把力传给齿轮杆16,齿轮杆16随之下降带动齿轮转动,给发电机20做功。当圆角矩形拱盖5被压到最下方时,与路拱基座接触。此时顶杆6与连杆11均位于其运动轨迹的最下方。由于在顶杆6下降对连杆11做功的同时给弹簧9做功,使其压缩,其内部储存了弹性势能,当车辆驶过后,弹簧9将圆角矩形拱盖5,顶杆6,连杆11,齿轮杆16弹起,使其复位。这样就完成了一次做功过程。发电机所发出的电压大约在20V左右,所发电量储存在发电机箱的醋酸铅电瓶中。
本装置在各部分均为单独元件,安装时主要考虑这几个方面的问题:圆角矩形拱盖5与顶杆6的连接、顶杆6与连杆11的连接。在设计时考虑圆角矩形拱盖5和顶杆6的连接问题,只需在它们上方钻上螺纹孔然后用螺母将其固定在一起即可。顶杆与连杆的连接类似采用螺母连接,将连杆与顶杆接触位置打磨成平面,以保证顶杆下表面于连杆有足够大的接触面积,从而提高其稳定性。在连杆上钻螺母孔,然后用螺母将其固定在一起即可。
单元体的拼接,在连接时,主要考虑路拱基座的拼接和连杆的拼接。
在路拱基座拼接时,需要考虑路拱基座和路面的固定和相邻路拱基座之间的固定。路拱基座与路面的固定与传统路拱与路面的固定方法大致相同,即采用螺栓固定。而在相邻路拱基座之间,由于要考虑防水方面的因素,要连接横向螺母。
连杆与连杆的连接采用钢铁连接器,如连接套管,它可以保证连杆的刚性。
附图说明
图1整体内部结构图
图2拱面部分俯视图
图3传动部分横剖图
图4传动部分纵剖图
图5发电部分结构图
图6第3齿轮内部结构图
图7钢铁连接器示意图
图8安全性设计示意图
图中标注:1-拱面部分,2-传动部分,3-发电部分,4-路拱基座,5-圆角矩形拱盖,6-顶杆,7-减震片,8-阻隔环,9-弹簧,10-弹簧阻隔面,11-连杆,12-排水管,13-外部铁盒,14-橡胶槽,15-钢铁连接器,16-齿轮杆,17-第1齿轮,18-第2齿轮,19-第3齿轮,20-发电机,21-发电机箱,22-发电机转动轴,23-棘轮。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的路拱发电装置的结构及工作原理。
1、发电路拱结构设计
整体内部结构如图1所示。大致结构由右上方的拱面部分1,下方的传动部分2以及右端铁盒中的发电部分3组成。
拱面部分的俯视图见图2。拱面部分的大致外形与传统路拱结构类似,位于路面上方。它由路拱基座4和圆角矩形拱盖5组成,其材质均为钢材。路拱基座的大致结构与传统铸铁路拱类似,它的上表面有安装圆角矩形拱盖的三个凹槽,两边同样为路拱缓坡,每个路拱基座的长度为500mm,其中圆角矩形拱盖的长度为450mm,即相邻单元体上在同一直线的圆角矩形拱盖间距为50mm,远远小于汽车车轮宽度,故车辆从发电路拱的任意位置驶过都可以产生发电效果。
传动部分横剖视图如图3所示:传动部分的作用是把力传给发电部分做功,它位于路拱基座和圆角矩形拱盖下方。
它由顶杆6,减震片7,阻隔环8,弹簧9,弹簧阻隔面10,连杆11,外部铁盒13,橡胶槽14组成。
其中圆角矩形拱盖5连接着顶杆6,顶杆6上部分直径为20mm,下部分直径为16mm,中间部分有厚度分别为4mm和2mm的阻隔环8及减震片7,顶杆下部分直径为16mm的部分外部套有内外直径分别为16mm和20mm的弹簧9,支撑弹簧下部分的为固定在外部铁盒上的弹簧阻隔面10,整个路拱发电装置路面下部分被外部铁盒13包裹。
传动部分纵剖图如图4所示:它主要由连杆11和钢铁连接器15组成,钢铁连接器15的作用是连接每个单元路拱基座下部的连杆。
发电部分示意图如图5所示:它主要由齿轮杆16,第1齿轮17、第2齿轮18、第3齿轮19,发电机20以及发电机箱21组成。三个齿轮安装示意图如图6所示,其中齿轮杆16垂直连接着连杆11,第1齿轮17与齿轮杆16直接相连,第2齿轮18与第1齿轮17同轴异径,以此来控制第3齿轮19(发电机转轴上齿轮)的转动速度。发电机20安放在外部铁盒13中的台座上,一个发电路拱带动三个发电机20发电,在这里可以设置连杆的不同长度使发电机呈品字形安装,图1中发电部分的右边发电机即为两个发电机的重合投影。三个齿轮中,第1齿轮17和第2齿轮18为常规平行轴正齿轮,第3齿轮19的结构特殊,内部结构示意图如图6所示,其轴为发电机转动轴22,转动轴22与第3齿轮19的齿轮牙中间有两个棘轮23,小弹簧把棘轮23顶起,这样发电机轴就只能向一个方向转动。其原理与自行车后轮的齿轮原理类似。这样,当齿轮杆复位时,就不会因为第1齿轮17和第2齿轮18的反转对发电机轴的转动产生影响,这样即可产生稳向电流。
2、工作原理:
在整个装置静止时,圆角矩形拱盖5,顶杆6,连杆11,齿轮杆16均位于其运动路径的最高处,弹簧9处于最小压缩状态,圆角矩形拱盖及顶杆的重力使其压缩。车辆驶过路拱时把圆角矩形拱盖5往下压,给圆角矩形拱盖5做功,同时圆角矩形拱盖5给顶杆6做功,使顶杆6下降,顶杆6带动连杆11下降并使弹簧9压缩,连杆11通过传动部分把力传给齿轮杆16,齿轮杆16随之下降带动齿轮转动,给发电机20做功。当圆角矩形拱盖5被压到最下方时,与路拱基座接触。此时顶杆6与连杆11均位于其运动轨迹的最下方。由于在顶杆6下降对连杆11做功的同时给弹簧9做功,使其压缩,其内部储存了弹性势能,当车辆驶过后,弹簧9将圆角矩形拱盖5,顶杆6,连杆11,齿轮杆16弹起,使其复位。这样就完成了一次做功过程。发电机所发出的电压大约在20V左右,所发电量储存在发电机箱的醋酸铅电瓶中。
3、装置各部分的连接与固定问题
此装置在各部分均为单独元件,安装时主要考虑这几个方面的问题:圆角矩形拱盖5与顶杆6的连接、顶杆6与连杆11的连接。
在设计时考虑圆角矩形拱盖5和顶杆6的连接问题,只需在它们上方钻上螺纹孔然后用螺母将其固定在一起即可。
顶杆6与连杆11的连接类似采用螺母连接,将连杆与顶杆接触位置打磨成平面,以保证顶杆下表面于连杆有足够大的接触面积,从而提高其稳定性。在连杆上钻螺母孔,然后用螺母将其固定在一起即可。
4、单元体的拼接问题
单元体的拼接,在连接时,主要考虑路拱基座4的拼接和连杆的拼接。在路拱基座4拼接时,需要考虑拱基座和路面的固定和相邻拱基座之间的固定。路拱基座与路面的固定与传统路拱与路面的固定方法大致相同,即采用螺栓固定。而在相邻路拱基座之间,由于要考虑防水方面的因素,要连接横向螺母。
连杆11与连杆11的连接采用钢铁连接器15,其构造如图7所示,它可以保证连杆的刚性。
5、装置的尺寸设计和储存计算
发电路拱的单元体外形大致尺寸为500mm×420mm×220mm,即每个单元体长度为500mm,宽度为420mm,高度为220mm。其中圆角矩形拱盖的长度为450mm,宽度为70mm,圆角矩形拱盖的间隔为10mm。
装置横截面尺寸:圆角矩形拱盖5总高度为45mm,路拱中间高45mm,轨道深度为30mm,弹簧9安装后平衡时的长度为52mm,设计弹簧9上表面距离地面6mm。则弹簧阻隔面10距离地面有58mm,连杆直径为16mm(顶杆6下部直径为16mm,上部直径与弹簧9外直径20mm相同),静止时距离弹簧阻隔面有10mm,在下降到最大位移处距离铁盒10mm,外部铁盒厚度不计,则计算出此装置在没有车辆驶过时路面上部分高80mm,路面下部分高度为140mm,总高度为220mm。在圆角矩形拱盖运动到装置的最下端时,其上部半圆形拱盖依然凸出与凹槽,可防止灰尘,沙砾等进入圆角矩形拱盖的凹槽,保证了装置的安全性。
本装置的弹簧9选择,为了保证最大的发电效率,采用较轻负荷弹簧,弹簧种类与最大压缩度的关系从下表中可知:较轻负荷弹簧最大压缩度为自由高度的58%。
表1弹簧种类与最大压缩度关系
  弹簧种类   最大压缩度
  较轻负荷   自由高度×58%
  轻负荷   自由高度×48%
  中负荷   自由高度×38%
  重负荷   自由高度×28%
  超重负荷   自由高度×20%
依据弹簧弹回所需要的最小能量来计算弹簧弹性系数,假定弹簧被压缩量为L=0.03mm,则弹簧原长为:
Figure BDA0000046921700000061
假定齿轮杆的质量为ml,每根顶杆的质量为m2,单位连杆的质量为m3,两端连杆质量为m4,单元拱盖的质量为m5。所用螺栓及其他零件总共质量记为m6,齿轮回转时消耗总能量为W1.设有n个单位路拱,则可估算出弹簧的大致弹性系数k的计算方程:
1 2 k × L × L × 2 n
= ( m 1 g + 2 n m 2 g + n m 3 g + m 4 g + n m 5 g + m 6 g ) × L + W 1 - - - ( 2 )
由此可得,
k = [ ( m 1 g + 2 n m 2 g + n m 3 g + m 4 g + n m 5 g + m 6 g ) × + W 1 ] n × L × L - - - ( 3 )
弹簧储存能量W即为:
W=(m1g+2nm2g+nm3g+m4g+nm5g+m6g)×L+W1    (4)
6、装置的合理性分析
弹簧的复位问题:由调查统计得知,小汽车驶过路拱的速度约为12km/h,小汽车前后轮间距约为1.5m,故小汽车前后轮驶过发电路拱的时间间隔为t=0.45s,而本路拱发电装置中使用的弹簧在受同类压力后复位时间仅需0.1秒左右,大大低于小汽车前后轮驶过的时间间隔。故可以充分利用小汽车前后轮分别驶过时的能量。若在特殊情况下,如两辆车相向而行,几乎同时驶过发电路拱,既在弹簧还未复位前再次被压下,也不会影响装置的工作,因为第3齿轮19中的棘轮23的设计保证了发电机的转轴只会正向转动。
连杆的弯曲问题:由于本装置是利用连杆11伸出路拱下部带动齿轮杆16进行发电,若汽车驶过位置距离齿轮杆较远,则不能保证齿轮杆有足够的位移来进行发电,通过本组计算出的此路拱发电装置在6个左右单元体进行拼接时能够产生良好效果。若单幅路面太宽(超过3.5米),则不适合此装置安装。
发电机及电瓶的安置问题:为了达到最佳的发电效能,每个路拱发电装置都设置了3个小型发电机,其放置在发电机箱的基座上,由于并排放置可能存在空间不足等问题,故可将中间的连杆伸长,使三个发电机呈俯视的‘品’字形安装,这样可以有效的节省安装空间。同时此装置中仅有一个醋酸铅蓄电池,用来储存发电机所发电量,其也安置在发电机箱中,并且要做好防潮措施,以免短路或漏电。
7、安全性分析
此路拱发电装置的安全设计主要包括排水问题、密封问题和防震问题。具体设计如图8所示:
排水问题:此装置的圆角矩形拱盖5的凹槽在下雨天会蓄积大量雨水,若不及时排除,不但会减少发电效率,也会影响装置的使用寿命。在设计时,考虑在每个单元体中间做一个横穿整个装置的排水管12,其位于路拱的高度与凹槽最低端持平,管的直径约5mm,这样既可排出凹槽内的积水。
密封问题:装置在安装时需要对路面下方进行深度为14cm的挖掘,若装置与地面密封不好,水流入地下,则会对路拱附近地面带来很大的破坏。本次设计时考虑在路拱两边与路面的接触部位设置三个橡胶槽14,其中最外层用来放置防水橡胶,中间一层放置防油污的橡胶,最里面一层可根据安装的不同环境和不同地区确定放置不同种类橡胶。
防震问题:为了减弱弹簧弹回后阻隔环对路拱基座的冲力,在设计时把阻隔环上表面贴上一层厚度为2mm的减震片,减小阻隔环对拱基座的冲力,即可减弱顶杆的震动,保持整个装置的稳定性。
本装置可安装在需要对车辆进行减速的路段上如小区,校园,酒店,停车场,收费站等地,安装前需对路面进行约14cm左右深的挖掘,提供路面下部分的安装空间,所以此装置对路面的质量要求较高。安装时先固定外部铁盒13,然后放置连杆11,再在外部铁盒13内侧安置弹簧阻隔面10,然后将弹簧9套在下部顶杆6上,再与连杆11连接。然后将路拱基座4套在连杆11上,并与外部铁盒13固定,最后将圆角矩形拱盖5安装在顶杆6上端。由于连杆11要通过道路边的排水管,为了防止连杆11的生锈,其外部铁盒13需要特别紧密。
在安装发电机箱21时,可设置一个可以随时打开的小门,因为整个装置的易损部件如电瓶,发电机20等均位于发电机箱21中,这样可使安装后的检测,维修等更加方便。
在整个装置中,电瓶的使用年限较低,为2到3年,其它构件的使用年限均在十年以上,故要经常检查电瓶等易损装置,确保整套设施的高效运行。

Claims (5)

1.一种路拱发电装置,其特征在于该装置包括:拱面部分(1),传动部分(2)和发电部分(3);所述的拱面部分主要由路拱基座(4)和圆角矩形拱盖(5)组成,圆角矩形拱盖(5)安装在路拱基座(4)上;传动部分主要由连杆(11)和钢铁连接器(15)组成,位于路拱基座(4)和圆角矩形拱盖(5)下方,两连杆(11)之间采用钢铁连接器(15)连接;发电部分主要由齿轮杆(16),第1齿轮(17)、第2齿轮(18)、第3齿轮(19)以及发电机(20)组成,第3齿轮(19)与第2齿轮(18)相咬合,第3齿轮(19)的轴为发电机转动轴(22),其中齿轮杆(16)垂直连接着连杆(11),第1齿轮(17)与齿轮杆(16)直接相连,第2齿轮(18)与第1齿轮(17)同轴异径,以此来控制第3齿轮(19)的转动速度;圆角矩形拱盖(5)内有顶杆(6),在它们上方通过螺母将圆角矩形拱盖和顶杆固定在一起,顶杆(6)下部分外部套有弹簧(9),顶杆(6)下部与连杆(11)通过螺母连接,连杆与顶杆接触位置打磨成平面,连杆(11)一端伸出路拱基座(4)与齿轮杆(16)垂直连接, 发电机转动轴(22)与第3齿轮(19)的齿轮牙中间有两个棘轮(23),小弹簧把棘轮(23)顶起,使发电机转动轴(22)只能向一个方向转动。
2.如权利要求1所述的路拱发电装置,其特征在于,第1齿轮(17)和第2齿轮(18)为同轴正齿轮。
3.如权利要求1所述的路拱发电装置,其特征在于,路拱基座(4)与路面采用螺栓固定,相邻路拱基座之间连接横向螺母。
4.如权利要求1所述的路拱发电装置,其特征在于,一个发电路拱带动三个发电机,三个发电机呈俯视的‘品’字形安装,以有效的节省安装空间。
5.如权利要求1所述的路拱发电装置,其特征在于,在顶杆(6)的对应位置安装有阻隔环(8),阻隔环(8)与顶杆(6)固定,防止圆角矩形拱盖(5)弹出凹槽,阻隔环(8)上表面贴有一层橡胶垫。
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