基于压力发电的新式丝杆机构生热保温鞋设计

初豪杰，张成雷，陈成虎，曹升基

（临沂大学机械与车辆工程学院，山东 临沂 276000）

1 引言

每当冰雪寒冷之时，人们都希望自己出行时能和室内一般温暖。每个人的身体器官对寒冷的抵抗程度是不同的，通常情况下，当人们在穿着大量的衣物时，脚部还是十分的冰凉。原因脚上的脂肪相对薄弱，若不给予一定保暖措施，甚至会导致冻脚部冻伤等一系列症状[1]。

据调查，目前市场销售量最多的保温鞋是通过采用性能良好的保温材料来减少鞋内热量的散失从而达到保温的良好效果，但是，这种保温鞋过于厚重，使劳作行动有所不便；在过于寒冷的地区，这类保温鞋会失去保温作用。市面上还存有采用新型压电材料发电的压电生热保温鞋，该类鞋子具有大的动态范围，并且耐冲击；在现有的压电式发电结构中，首以压电陶瓷技术为最新科技，不过用于发电的压电陶瓷不仅对材料的要求较高，对制造工艺的要求也较为复杂，导致生产成本大大提高，适用人群范围的极度缩小，限制了它的生产推广。例如，文献[2]提出了一种基于压电效应的生热保温鞋及其检测装置的设计。构建一个压电发电装置，对压电陶瓷的发电特性进行分析。文献[3]提出了一种基于PVDF压电膜（压电发电装置和电池）的发热保温鞋设计。其中，主要介绍了PVDF压电膜的特性及目前在若干领域中的使用情况，并计算出人体运动过程中脚踏PVDF压电膜能给设备产生电量大小，最后通过理论算法进行计算。文献[4]提出了一种基于压电膜供能的发电鞋。该实用新型专利主要研究一种基于压电膜供能的发电鞋，包括鞋底、压电部分、鞋垫、无线充电部分、电能储存装置、缓冲弹性体。本实用新型选用PVDF压电膜，与压电陶瓷相比，具有厚度小、强度大的特点，无线充电部分可实现在任何时间、任何地点持续地为手机等设备进行短距离无线充电，方便实用。文献[5]提出了一种基于压电效应的压力发电鞋。是利用人体行走生产的电量进行压力发电，因此这款鞋可自发电进行电池充电，还能满足发电保暖、夜晚行走辅助照明等需求。文献[6]提出了一种多功能发电鞋设计与制作，该鞋是采用压电效应和微型发电机运动相互结合的发电方式，避免发电不足无法正常运行，确保供电内产热保暖。文献[7]提出了一种可利用人体机械能进行发电的装置。这种发电鞋底利用电磁感应原理进行发电，即磁通量变化产生感应电动势的原理。在人体运动过程中，所产生的电能能满足小型电子设备充电的需求，同时还具备夜晚行走辅助照明、锻炼身体等功能。

除以上两种形式的保温鞋外，还存有压电发电片生热的保温鞋，这种保温鞋压电方式的成本相对压电陶瓷技术较低，但电源特性差，且在低频时阻抗很大，这些特征不利于商业化和实用推广。

经研究发现，一个成年男子的平均体重在65 公斤上下浮动，人类慢走时脚掌对地的力约为体重的1.4倍[1]。以一个65公斤的人为例，走路时脚对鞋底的作用力大约为1820N，产生的能量使机械能转化为电能，保证了蓄电池的供电需求[8]。文中所提出的基于压电发电的新式丝杆机构生热保温鞋采用了新式丝杆结构压力式发电和温度智能控制技术，是一种集自发电、自转能、自保温为一体的新理念的压力发电保温鞋。此外，为防止脚步出汗导致鞋内环境过湿，影响发电装置的工作性能，发电装置必须密封并置于鞋底，如图2所示。同时采用放置防湿鞋垫、3D透气飞织等传统去湿方法，充分保证装置工作性能的稳定。

2 新式丝杆机构发电原理

新式丝杆机构发电原理如下：在脚踩压鞋底触点和复位弹簧的作用下，新式丝杆结构将往复的直线运动转变为正反转的旋转运动，接着与丝杆相连的新型棘轮通过梯形键、弹片等使大锥形齿轮单向转动，大锥形齿轮又带动与发电杆相连的小锥形齿轮单向转动，因为发电线圈固定在发电杆上，发电杆的转动带动线圈切割磁感线，进而使发电机产生直流电并输出[9]。这种发电装置将人体下压机构所产生的的机械能转换为电能，并将电能低损耗地传输到保温鞋蓄电池中，该装置可以满足户外劳作人员的脚步保暖和户内冰库工作人员的保暖使用需求。新式丝杆机构发电装置，如图1所示。

图1 新式丝杆机构发电装置Fig.1 New Type Screw Mechanism of Power Plant

新式丝杆机构发电装置的电路：使用微型直流发电机进行复合式发电，对于电机产生的电压，首先经过整流、滤波处理，由于整流滤波后的电压较小，需要通过升压电路装置把经过滤除的较小电压提升到4.2V标砖给锂电池提高充电。在电路上要保证锂电池的安全，可以采用标准锂电池过充、过放及外电路短路过流的过电保护电路。

3 压力发电装置的设计

为了解决运动过程中频率较少不能持续充电的问题，我们研制了充发电一体式发热装置，将锂电池上正负极触点各自和装在鞋侧面的圆柱状充电触点连接，充电时只要将配套的磁吸附式充电器吸附在鞋外侧的充电触点上就可以对鞋内锂电池进行充电；最后，直流电输入到锂电池中，给电池充电并连接小型电路板，通过Stm32控制温度传感器和继电器来控制电流，从而控制电热片的运作[5]。经过试验发现，这种发热装置改善了保温鞋的机械供能特性，实现了保温鞋长时间的恒温保温。充发电一体式发热装置结构图，如图2所示。

图2 充发电一体式发热装置Fig.2 The Electricity Integrated Heating Device for Charging and Generating System

3.1 压力发电装置的机械结构设计

良好的设计理念使基于新式丝杆的压力发电保温鞋合理的解决了集自发电、自转能、自保温为一体的保温特性以及自发热发电功能[9]。本设计，是由带有弧形键槽的转轴、带有梯形键的棘爪、棘轮齿和复位弹片组成的结构将往复的直线运动转变为正反转的旋转运动，再与丝杆相连的新型棘轮通过梯形键、弹片等使得大锥形齿轮单向转动，大锥形齿轮又带动与发电杆相连的小锥形齿轮单向转动，因为发电线圈固定在发电杆上，发电杆的转动带动线圈切割磁感线，进而使发电机产生直流电并输出。新式丝杆剖面，如图3所示。

图3 新式丝杆机构剖面图Fig.3 The Profile of New Screw Mechanism

3.2 新式丝杆回复过程的机械结构分析

因为新式丝杆机构所连接的新型棘轮是一种简单且应用广泛的间歇运动机构，新式丝杆也具有受力不连续的特点，所以新式丝杆的准零度恢复将大大提高压力发电装置的供电效率[10]。据此，我们建立了此支撑杆的回复力方程：

式中：k1—螺旋弹簧A6的刚度；

k2—螺旋弹簧B10的刚度；

L—螺旋弹簧A安装座的边长；

h—螺旋弹簧B10的预压缩量；

x—支撑杆承载质量振动位移。

对式（1），进行求导可以得到系统的刚度K的表达式：

引入无量纲的转化形式：

可得到系统的无量纲刚度的表达式：

由式（4）可知，系统的刚度受到螺旋弹簧B10的预压缩量、螺旋弹簧A6的刚度、螺旋弹簧B10的刚度的共同影响。不同的螺旋弹簧A6 的刚度、螺旋弹簧B10 的刚度和不同的螺旋弹簧B10 的预压缩量情况下的系统刚度特性，如图4、图5 所示。如图4 所示，当=-0.62 时，螺旋弹簧A6 的刚度特性为K=1.0；在=0 时，得到系统刚度值为0；当|x|>0 时，系统的刚度也大于0；如图5 所示，螺旋弹簧B10 的刚度特性需要规定出合理预压缩量和刚度。

图4 螺旋弹簧A6的刚度特性Fig.4 The Stiffness Features of Coil Spring A6

图5 螺旋弹簧B10的刚度特性Fig.5 The Stiffness Features of Coil Spring B10

压力发电的理论基础是弹力的方程，只有设计准确的弹力才能使我们研制保温鞋的机械能源源不断地转化为电能，进而实现保温鞋的恒温保温功能[11]。准零刚度支撑杆的研制实现了整体丝杆机构的准零度往复运动，使供电装置的机械结构部分更加合理高效，提高了机械供电的效率。

3.3 锂电池放电状态下电荷状态和误差曲线

采用一组容量为2750mAh的比克三元锂电池进行HPPC实验。为了锂电池存储证验的保温可行性，按照移动充电系统充电和放电两种工作状态，分别进行检测[9]。实验数据，锂电池放电状态下电荷状态（State of Charge，SOC）和误差曲线，如图6、图7所示。

图6 放电状态下SOC变化曲线Fig.6 The SOC Change Curve Under Discharge State

图7 放电状态下SOC误差估计Fig.7 The Error Estimation Under Discharge State

经实验证明，一组容量为2750mAh的比克三元锂电池的放电时间预计为16min左右。这样人体没有行走时，也有恒定的功率供给[12]。通常人体行走时的能量可通过压力发电方式或回转式方式来收集。因此，本设计中采用压力发电式收集法，对人体行走时产生的动能进行理论分析。

4 压力发电装置特性研究

4.1 压力发电装置的受力分析

在一定的应变范围内，弹簧的弹性系数越大，则其等效应变均值越大。从外界吸收的能量越大，产生单位应变时的弹性应力所发电能越多[13]。脚踏式压力发电装置的结构图，如图8所示。

图8 脚踏式压力发电装置的结构图Fig.8 The Structure Diagram of Pedal Type Pressure-Generation Power Generation Device

鉴于此，为了增大发电量，采用减小压力发电装置弹簧片振动阻尼的思路，提高弹簧片的回程。经过实验表明，人行走时对地面的压力要比人正常站立时要大，大约可以是人体体重的1.4倍左右，而一个成年男子的平均体重在65kg上下浮动，则走路时脚底对地的作用力最大可为：

在理想状态下，实验人员以2步/s的步幅前进，其运动过程中脚跟部距离地面高度保证在5cm左右，则可利用的总功率为：

因此，人体在运动过程中，尤其是高强度运动过程中，做功量产生的能量是相当可观的。然而自发热保温鞋即使采用机械结构进行发电，对发电量的功率也仅仅需要很小，远远小于1W。人体行走过程不能持续过长，但是装置中存储电能的电池，可以将富裕的电量能量贮存起来，这一设计确保了鞋子的发热保温。

现设计一个（30×30）mm 的脚踏板，以一个65kg 的人为例，施加一个力大约为1820N到脚踏板上[14]。通过Solid Works的应力分析模块Simulation进行应力分析，仿真计算得到脚踏板产生静态位移变化情况。其中，弹簧的变形比例为1.24282。脚踏式压力发电装置的受力情况，如图9所示。

图9 脚踏受力应变仿真分析图Fig.9 The Simulation of Stress and Strain of Pressure-Generation Power Generation Device

如图9所示，是脚踏受力应变仿真分析图。以走路时脚底对地的作用力1820N 为例，理论上发电装置装置所受应力为σ=2.02MPa。根据Solid Works的应力分析模块Simulation进行应力分析，仿真结果如下：

（1）当走路时脚底对地的作用力1820N时，静态应变受力最大的部位为齿条部位；此时，ESTRN：等效应力（mm）对等应变的范围为1.323e-11～7.673e-04。变形比例为：1.24282。

（2）当走路时脚底对地的作用力1820N时，应变受力最大的部位为踏板部位；此时，URES：合位移（mm）的范围为1.000e-30～3.473e+00。变形比例为：1.24282。

（3）对总装静应力进行分析，即零组件在装配时由加工误差引起的内应力，位移状态如图9（c）所示。位移最大的部位为弹簧，发电装置变形比例为：1.24282。

在发电保温鞋的实际应用中，由于工作环境差异，其变形程度也会发生相应的变化。通过仿真实验研究发现，当人走路脚底对地施加最大压力时，发电装置的变形比例为1.24282；且相关仿真实验结果表明，在该变形比例下，发电装置处于正常的工作状态。所以，通过仿真分析推断该保温鞋在正常工作环境下不会影响其性能。

目前，压力发电装置中的难点，是设计出符合设计要求范围的压力机构（弹簧片），确保发电的效率，实验结果，如表1所示。

表1 实验结果Tab.1 The Result of this Experiment

4.2 压力发电装置弹簧片的受力分析

在此，采用ANSYS 有限元分析的方法，用控制变量法对不同材质的弹簧进行求解其受力、变形和位移情况，得出复位弹簧的变形、位移和应力分布云图。基于此，确定脚踏式发电装置中压缩螺旋弹簧的最佳材料和尺寸[15]。

具体如下：复位弹簧面积一定时，尺寸为200mm×50mm×1.5mm复位弹簧的产生单位应变时的弹性应力最大的，即复位弹簧有效的布置面积最大。

尺寸为120mm×80mm×1.5mm 复位弹簧，局部应力很小，但长度较短造成了其等效应变均值很小，其应变能也随着变小，不能为复位弹簧提供足够高的动量。

尺寸为200mm×50mm×1.5mm 复位弹簧，其受力、变形和位移情况等较理想，其释放的动能较大，转换的电能最为理想，其最大位移、最大应力比较小。基于此实验，建议选择复位弹簧尺寸为200mm×50mm×1.5mm规格的Fe2O弹簧作为踏式发电装置中复位弹簧。

尺寸为300mm×30mm×1.5mm 复位弹簧，经仿真分析，其局部最大应力为340MPa，而复位弹簧长期要处于高频振动，其刚度和强度较差，因此局部的高应力会大大缩短复位弹簧的寿命[16]。

Fe2O复位弹簧仿真模拟（200mm×50mm×1.5mm规格），如图10所示。

图10 最大应力仿真和最大位移仿真模拟图Fig.10 The Simulation of Maximum Stress and Maximum Displacement

5 结语

（1）为了有效解决严寒地区居民和特殊工作者的脚部保暖问题，并适应低碳需求的新时代潮流，提出了一种基于压电发电的新式丝杆机构生热保温鞋。

（2）该装置极大化的实现了机械能与电能的循环转换，并将电能直接通过碳纤维材料转变为热能，达到生热保温的效果。

（3）该装置成本低廉，满足了不同人群对保暖需要的追求，具有广阔的市场前景。

（4）该装置满足工作人员日常工作保暖需要，且防汗和防止微量进水。