徐云濤 楊卓朋 黃杰濤 董兵兵＊

（廣東理工學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東肇慶 526100）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，中國(guó)人民生活水平不斷提高，交通發(fā)展迅猛，汽車保有量不斷增大，道路交通安全越來(lái)越受到重視。作為一種遏制交通事故發(fā)生的重要交通設(shè)施，減速帶為我國(guó)交通安全提供了巨大保障。但是，傳統(tǒng)減速帶需要升級(jí)改進(jìn)，需要設(shè)計(jì)既履行減速職責(zé)又更加人性化、多樣化的新型減速帶。

1 儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展情況

不可再生能源消耗頻繁等因素導(dǎo)致能源研究成為熱點(diǎn)，儲(chǔ)能行業(yè)快速發(fā)展。中國(guó)能源革命長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)明確提出，2030年非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重力爭(zhēng)達(dá)到50%，2050年實(shí)現(xiàn)非化石能源消費(fèi)超過(guò)一半[1]。

我國(guó)能源轉(zhuǎn)型主要指標(biāo)如表1所示。

表1 我國(guó)能源轉(zhuǎn)型主要指標(biāo)

作為安全高效清潔的現(xiàn)代能源技術(shù)，儲(chǔ)能在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》《中國(guó)制造2025—能源裝備實(shí)施方案》《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等多項(xiàng)政策中被重點(diǎn)提及。相關(guān)文件清晰地描繪儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展路線圖，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。

2 減速帶發(fā)展現(xiàn)狀

減速帶通常安裝在公路上，是強(qiáng)制車輛減速的公路設(shè)施，材質(zhì)主要為橡膠或金屬，顏色一般為黃色黑色相間，引起駕駛?cè)藛T注意，使路面稍微拱起以達(dá)到車輛減速目的。車輛以較高車速通過(guò)減速帶時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，使人體產(chǎn)生強(qiáng)烈的生理和心理刺激，降低駕駛員行車安全感和乘坐舒適性的期望值，促使駕駛員主動(dòng)降低車速通過(guò)減速帶，為交通安全提供極大保障。減速帶材質(zhì)較硬，車輛經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)發(fā)生剛性沖擊，車輛降速通過(guò)時(shí)仍會(huì)顛簸，易損害車輛的零部件，加大交通事故發(fā)生概率，在一定限度上造成能源浪費(fèi)。目前，國(guó)內(nèi)無(wú)統(tǒng)一的減速帶規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，可能出現(xiàn)減速帶過(guò)高、過(guò)寬等問題，嚴(yán)重時(shí)可能刮傷車輛底盤。我國(guó)部分地區(qū)仍存在減速帶密集的路段，車輛經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大噪音，嚴(yán)重影響周邊人民正常生活。

3 新型減速帶設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目的

本研究設(shè)計(jì)1種新型減速帶裝置，具有傳統(tǒng)減速帶控制車速的作用，又能夠緩沖車輛通過(guò)時(shí)帶來(lái)的沖擊，降低車輛沖擊帶來(lái)的損傷，提高車上人員的舒適性，保護(hù)車輛零部件安全；儲(chǔ)存車輛對(duì)減速帶的沖擊能量；附加測(cè)速等數(shù)據(jù)分析處理模塊，實(shí)現(xiàn)“綠色環(huán)保、安全舒適、低噪聲、模塊化”的功能。

3.2 設(shè)計(jì)思路

本研究在減速帶的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械原理等[2-4]專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)與減速帶的結(jié)合。車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，減速帶由于產(chǎn)能機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，存在一定緩沖高度，能夠有效減少車輛產(chǎn)生的震動(dòng)。減速帶需要設(shè)計(jì)蓄能裝置，將車輛通過(guò)減速帶時(shí)消耗的能量轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)行回收利用。減速帶高度有限，產(chǎn)能機(jī)構(gòu)工作距離受到限制，必須采用增速齒輪組增大發(fā)電機(jī)輸入端轉(zhuǎn)速，有效提高能量轉(zhuǎn)換效率。

4 工作結(jié)構(gòu)及原理

4.1 具體結(jié)構(gòu)

（1）箱體。

大部分減速帶分布在露天地段，為了防止外界因素破壞產(chǎn)品內(nèi)部機(jī)構(gòu)，本產(chǎn)品配置箱體對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，為輸出線路、數(shù)據(jù)分析模塊等預(yù)留充足空間，便于更換產(chǎn)品功能。箱體能夠有效防止產(chǎn)品需要更換零件時(shí)，路面變形卡住影響更換。

（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

按照功能不同，產(chǎn)品減速帶裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為3部分，包括產(chǎn)能機(jī)構(gòu)、變速傳動(dòng)裝置和蓄能裝置。

①產(chǎn)能機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 產(chǎn)能機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

產(chǎn)能機(jī)構(gòu)主要由推桿，固定推桿的固定柱、齒條及與其嚙合的輸入齒輪，連接在輸入齒輪、齒條及推桿處的復(fù)位彈簧組成。

②增速齒輪組如圖2所示。

圖2 增速齒輪組

變速傳動(dòng)裝置主要由增速齒輪組組成。增速齒輪組與輸入齒輪軸相連，三級(jí)變速，將輸入齒輪軸輸入的低速轉(zhuǎn)化為高速輸出，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

③蓄能裝置主要由直流發(fā)電機(jī)、調(diào)理電路和蓄電池組成，通過(guò)變速傳動(dòng)裝置輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)發(fā)電，將從車輛收集的能量轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存利用。

4.2 工作原理

裝置采用長(zhǎng)方形箱體，箱體底部與地面固定，箱體內(nèi)部安裝產(chǎn)能機(jī)構(gòu)和蓄能裝置，根據(jù)需求可以加裝測(cè)速、測(cè)重等交通數(shù)據(jù)分析模塊。

車輛通過(guò)時(shí)，減速帶受到壓力，高出地面部分向下運(yùn)動(dòng)，使減速帶在車輛經(jīng)過(guò)時(shí)減小坡度，減少車輛受到的損傷，將能量傳遞到產(chǎn)能機(jī)構(gòu)，產(chǎn)能機(jī)構(gòu)將豎直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)增速齒輪組增大扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，將受到的壓力以電能形式儲(chǔ)存并利用。

4.3 產(chǎn)能機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)

本研究根據(jù)齒輪齒條傳動(dòng)蓄能[5]思路設(shè)計(jì)產(chǎn)能機(jī)構(gòu)。減速帶發(fā)生形變時(shí)，固定于減速帶的推桿1將推動(dòng)推桿2，推桿2通過(guò)固定柱進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)齒條，將推桿1的縱向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒條的橫向運(yùn)動(dòng)，推桿2另一端與齒條脫離，方便齒條傳遞能量后與輸入齒輪脫離。

推桿運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 推桿運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換

齒輪齒條傳動(dòng)如圖4所示。

圖4 齒輪齒條傳動(dòng)

齒條開始工作，與齒條嚙合的輸入齒輪開始旋轉(zhuǎn)，將橫向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)輸入齒輪軸傳遞，提高與軸連接的增速齒輪組轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，傳遞力量，齒輪齒條脫離，復(fù)位彈簧將推桿及齒條移回原位，推桿末端將齒條與齒輪重新推緊。

本方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工、有利于控制產(chǎn)品生產(chǎn)成本的優(yōu)點(diǎn)。本產(chǎn)品零件生產(chǎn)時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，能夠減少維修時(shí)間及費(fèi)用，便于日常產(chǎn)品維護(hù)。

5 產(chǎn)品功能

5.1 作為固定能源

本產(chǎn)品可以通過(guò)產(chǎn)能機(jī)構(gòu)收集車輛經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)損耗的能量，轉(zhuǎn)換為電能供給路燈等周邊用電器使用，減少周邊用電器的使用和維護(hù)成本。

5.2 充當(dāng)應(yīng)急電源

遭遇大范圍斷電時(shí)，交管部門或用戶能夠從本產(chǎn)品中拆卸蓄電池，儲(chǔ)存的電能可以為人們提供應(yīng)急能源。出現(xiàn)地震、臺(tái)風(fēng)、泥石流等重大自然災(zāi)害導(dǎo)致大范圍斷電時(shí)，能夠及時(shí)地提供電力支援，為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供幫助，降低人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

5.3 測(cè)速功能

車輛經(jīng)過(guò)減速帶使蓄能機(jī)構(gòu)完成蓄能時(shí)，不同速度的車輛產(chǎn)生電能不同，通過(guò)測(cè)速模塊進(jìn)行分析，可以對(duì)車輛的速度進(jìn)行計(jì)算，檢測(cè)車速超出限定值時(shí)，將會(huì)通知交管部門，便于對(duì)超速車輛進(jìn)行攔截，維護(hù)交通秩序，降低道路安全隱患。

5.4 測(cè)重功能

車輛經(jīng)過(guò)減速帶使蓄能機(jī)構(gòu)完成蓄能時(shí)，重量不同將導(dǎo)致產(chǎn)生的電能不同，通過(guò)測(cè)重模塊分析，可以對(duì)車輛載重進(jìn)行計(jì)算。速度不固定的情況下，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，需要將本產(chǎn)品進(jìn)行多個(gè)組合，使用車速對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。車輛載重超出限定值時(shí)，會(huì)通知交管部門對(duì)超載車輛進(jìn)行攔截，降低道路維護(hù)成本，保障道路安全。

5.5 檢測(cè)車流量功能

分析模塊可以利用測(cè)速模塊等附加模塊得到的數(shù)據(jù)，分析一定時(shí)間內(nèi)該區(qū)域的車流量，能夠?yàn)榻还懿块T提供車輛分流、道路規(guī)劃等方面的幫助。

6 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

6.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)時(shí)采用齒輪與齒條傳動(dòng)蓄能，產(chǎn)品采取模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)使用場(chǎng)合的選擇不同的功能模塊進(jìn)行搭配，有利于產(chǎn)品的安裝和后期的改進(jìn)、維護(hù)。

6.2 創(chuàng)新特色

數(shù)字化儲(chǔ)能減速帶與目前市面上側(cè)重減少震動(dòng)的新型減速帶不同，能夠提高通過(guò)時(shí)的舒適性，減少對(duì)車輛造成損傷，對(duì)能量進(jìn)行回收利用，具有一定創(chuàng)新性。產(chǎn)能機(jī)構(gòu)能夠收集經(jīng)過(guò)車輛損耗的能量，將其轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)能源回收再利用。產(chǎn)能機(jī)構(gòu)能夠吸收沖擊，對(duì)車輛進(jìn)行減震、緩沖，能夠保障車輛使用壽命，降低減速帶損壞率。

7 結(jié)語(yǔ)

大力發(fā)展非化石能源、推動(dòng)綠色用能模式是實(shí)現(xiàn)中國(guó)“雙碳”減排目標(biāo)的關(guān)鍵。綠色、環(huán)保、安全是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的前提條件，具有布置靈活、場(chǎng)景適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，有利于響應(yīng)電力系統(tǒng)需求，提升產(chǎn)業(yè)價(jià)值。新型減速帶在控制車速同時(shí)保證車輛行駛的舒適性，將車輛損耗的能量轉(zhuǎn)化為電能使用，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值潛力巨大。