Solidworks人行道发电装置设计(2)

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能量可以以各种形态存在，如机械能，热能，电能等，以应用的角度看，那么电能一定是最便捷的一种形态。

从大自然中获取电能的方法有，风能发电，太阳能发电，水力发电，生物能发电，海浪能氢燃料电池等，化石燃料燃烧会产生大量CO2，用以上可再生能源将不会产生CO2，太阳能发电简单，但受天气和环境影响较大，能量密度低，使用和维护成本较高。另一方面，人体能量作为一种清洁的，可再生能源受到关注，人力电力资源虽然分散，但总量巨大，尤其在中国这样人口大国，人力电力资源的利用更应该受到重视。文献综述

人力发电现状

1.2道路发电的现状与展望

2 人行走特点

人行道发电系统首先要研究踩踏这一过程，行人通过踩踏发电装置对发电装置做功，发电装置将人的能量转化为电能，人脚踩踏踏板可以看成装置的总的输入，所以人的行走规律就显得至关重要。

2.1 人的步行实验

采用高速摄影，记录成人行走的整个周期的步态：在平坦的水泥地路面，一侧放置宽1m长10m的白布，让身高180cm和170cm的健康成年人分别以正常速度紧挨着白布通过摄影机，，摄影机距离白布5米，拍摄速度调成24张每片，然后把摄影底片投射到屏幕上，用尺子测量照片中参考点人体上的标签上的距离，然后按比例计算出相邻照片间测量点的移动距离。如图2.1

人行走的连续照片

图2.1，人行走的连续照片

通过实验数据分析可得：身高为170cm的健康男子的步行平均速度为0.9193m/s速度变化幅度为0.2m/s。角度为7.954rad/s,两脚支撑时间为0.4s,单足支撑时间为0.45s。从以上规律可看出，在单脚支撑换为两脚支撑时的步行速度最小，在两脚支撑转化为单脚支撑时的步行速度最大。见图2.2

身高170cm男子速度分布曲线

结论

（1）正常人行走速度可以用身躯的移动速度表示。

（2）正常人行走速度有波动特点，双脚支撑阶段比单脚支撑阶段所占时间稍短，但两段时间近似相等，用正弦曲线拟合，具有很高的置信度，不同的人只是平均速度速度变化幅度及频率不同。

（3）单脚支撑换为两脚支撑速度最小，在两脚支撑转化为单脚支撑速度最大。【12】

2.2 行走时足底压力特征

随时间变化的人行激励载荷曲线也可以称为落足曲线（footfall trace）,考虑到体重和载荷量，用竖直载荷F除以体重G可得u，u与接触时间的曲线称为单步落足曲线，由wheeler对步行载荷的研究，得到不同行走速度下的落足曲线。如图2.3

从图中可以看出，三种速度下行走速度越快，脚跟的影响越大，曲线的凹点有向下的趋势，这有可能是摆动另一条腿，和重心移动明显导致，向上的加速度更大。

图2.3，不同步行速度下的落足曲线

另外，根据袁刚等人的《正常人足底压力分布及其影响因素分析》【15】，可以知道正常人平均动态和静态足底峰值压力分别为（2.96±0.66）kg/cm2和（1.28±0.33）kg/cm2, 站立位时大多数人足跟承受压力最大。且行走时的压力约为静态压力的2.3倍。

通过以上结论可以确定踏板受到的力的基本参数：

按照正常人的体重为70kg计算，则人的行走时可以产生700*1.5N=1050N左右的压力，乘以2倍的安全系数，则输入力按照2000N计。从安全方面考虑，人踩踏踏板，踏板下降的距离不宜过大，取7mm。因为单脚支撑换为两脚支撑速度最小，在两脚支撑转化为单脚支撑速度最大，所以可以近似把踩踏过程看匀速直线运动，踩踏下落时间为0.45s。