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1、编号河南理工大学第九期“步步高”大学生科技攀登计划结项表课 题 名 称 自行车健身发电一体化 课 题 负 责 人 郝 汝 嘉 负责人所在单位 安全科学与工程学院 联 系 电 话 15239177723 电 子 信 箱 hrj3911343 填 表 日 期 2012年5月10日 填 表 须 知一、各项内容打印或黑色签字笔书写，语言应规范，字迹要清晰易辨，所有引文、资料、数据应注明出处。二、结题表报送一份即可。编号不填写，栏目空格不够时，可自行加页。三、为便于联系，课题负责人所在单位、联系电话及电子信箱须详细填写。四、本结题表封面“编号”由科技创新指导中心办公室填写。五、课题类别分为科技发明制作类
2、、社会调查报告类、自然科学论文类。六、表中第一个项目“研究成果简介”将作为研究成果汇编和评估的主要材料，务必请填写人认真按提纲要求（重点从项目研究结果、成效、特色、创新和推广应用等依次加以阐述）撰写。项目“研究成果简介”字数控制在600800文字，不附图表，要求表述明确，字迹清晰，建议用计算机打印。七、结题表填写后，请指导老师签字同意，及时上交并经所在学院学生课外学术科技活动领导小组评审。八、本申报表可以复制。九、校团委科技创新指导中心负责课题结题的组织工作。一、简况课题名称自行车健身发电一体化关 键 词健身发电课题类别科技发明制作类负责人姓名郝汝嘉性别男民族汉出生日期1988年08月24日学
3、位本科技术职称学生研究专长消防工程从事专业学生所在单位安全科学与工程学院申请资助金额1000课题完成所用时间一年主要参加者姓名性别出生年月在读学位专业班级所在单位樊亚庆男1990年9月本科安全10-05安全学院卢兰鑫男1991年02月本科测绘遥感10-01测绘学院谢煌男1988年4月本科安全09-03安全学院霍云雪女1988年7月本科经管10安全学院朱晓莉女1989年2月本科安全09-03安全学院指导教师姓 名袁东升技术职称教授部门职务安全学院指导教师姓 名戴 俊技术职称讲师部门职务安全学院二、研究成果简介1.成果形式： 论文、产品研制、研究报告 （论文、设计、产品研制、软件开发、专利申请和转
4、让、研究报告、调研报告、课件等） 2.成果发表： 杂志名称 级别 时间 第几期（卷） 产品（专利） 鉴定单位 时间 3. 研究成果简介：研究结果：针对高校以及居民区废旧自行车闲置的现状，以及越来越多的人关注健康问题，本作品利用健身时的动能, 转换成电能; 通过三相全波整流,将发电机发出的交流电转换成直流电输出; 并将电能储存在蓄电池中。解决废旧自行车的问题的同时，又能健身发电，达到变废为宝的效果，响应国家节能减排的号召。产品特色：1、调整自行车固定的高度和人们健身时最佳位置高度。2、调整传送带的长度，以获得最佳的传动比。3设计电路实现电流的稳定输出。 4设计离合器以满足不同人群的需求产品创新性
5、：1.本产品通过在闲置的自行车上安装一个简单的设备，将人们健身时的动能通过传输带转化成电能，储存在蓄电池里，不仅解决了自行车所造成的环境问题，而且满足了当今人们健身的需求。2.本产品将前轮固定的同时将自行车把卡死使其不能左右晃动，保证架空状态下自行车的稳定性。特设计了离合器装置，可以调节蹬车的难易程度，从而达到设计的人性化。3. 健身发电自行车, 是对当前健身器材性能的发展和完善, 达到以人为本, 优化环境, 协调人与自然关系的目的,容易被人们所接受, 对于健康、能源和环保问题有很大启示, 便于推广, 有非常广阔的发展前景。4在为当今社会环保问题的同时，也节省了大量的人力资源和经济开支，对附近
6、居民的日常生活提供了很大便利。产品推广应用：1本设计只是对自行车后轮处进行局部改造，制造工艺不复杂。2闲置自行车成为当代的环境问题，本产品在利用费旧自行车的同时，给人们提供健康，经济的健身方式，同时可以发电，提供了电能。3设备建造成本较低，使用起来也十分方便；4在为当今社会环保问题的同时，也节省了大量的人力资源和经济开支，对附近居民的日常生活提供了很大便利。因此，本设计具有较强的可推广性。5. 健身发电自行车, 是对当前健身器材性能的发展和完善, 达到以人为本, 优化环境, 协调人与自然关系的目的,容易被人们所接受, 对于健康、能源和环保问题有很大启示, 便于推广, 有非常广阔的发展前景。三、
7、有关方面意见结项评审意见指导老师意见：签 字： 年 月 日项目负责人所在学院学生课外学术科技活动领导小组意见：组长签字：年 月 日校评审委员会意见及总评成绩（按优秀、良好、合格和不合格四级评定）：评委签字： 年 月 日“步步高”大学生科技攀登计划项目管理委员会办公室意见： 公章（团委代章） 年 月 日备注河南理工大学第九期“步步高”大学生科技攀登计划结项书闲置自行车健身、发电一体化装置说明书闲置自行车健身、发电一体化装置说明书1. 作品内容简介及背景意义1.1作品内容简介1.2背景及意义2. 设计方案2.1总述2.2发电机装置2.3稳压整流系统2.4档位控制装置3.关键部分设计时的理论与计算分
8、析3.1固定装置设计分析3.2 稳压整流装置理论分析4.创新点及应用5.可行性分析6.闲置自行车回收利用的效益分析自行车健身发电装置说明书1. 背景意义及作品内容简介1.1背景及意义背景 全国1500多所高校和157多个大中等城市，废弃自行车“多、乱、脏”等现状，一直困扰着各高校和各政府机关，废旧自行车乱摆乱放，不仅破坏了环境的和谐，而且还造成金属资源的浪费。不符合目前社会倡导的低碳理念、和人类与自然和谐发展的大趋势。随着我国经济的高速发展, 人民生活水平逐步提高, 人们所切身关注的问题不再是温饱问题, 已逐步转变为注重健康和生活质量问题, 健身运动受到人们的欢迎和普及。为此我们设计了废旧自行
9、车健身发电这一装置。意义整个设计实现了闲置自行车健身发电的目的，同时解决了废旧自行车无处安置的难题，积极响应了当今时代低碳生活的号召，为人类的可持续发展和社会的和谐进步贡献了一份力量。 我国作为世界上最大的发展中国家, 面临能源和环境的巨大压力。随着工业化和城镇化以及农业现代化的进程, 环境保护的任务将更加艰巨繁重。同时,专家指出,21 世纪,人们更加重视健康问题。健身器材越来越被大众所认同, 但是, 当前的健身器材只是单纯用于健身, 而健身发电自行车不仅用于健身, 而且能起到发电的目的， 有利于保持环境的和谐。健身发电自行车, 是对当前健身器材性能的发展和完善, 达到以人为本, 优化环境,
10、协调人与自然关系的目的,容易被人们所接受, 对于健康、能源和环保问题有很大启示, 便于推广, 有非常广阔的发展前景。1.2作品内容简介基本思路在各大高校体育场附近，以及居民区附近，焊接上如图示装置，废旧自行车作为活动装置，便于拆装。整个装置通过传送带将人体的机械能转换成电能。为了减少改装自行车带来的麻烦，我们将固定装置作为该技术核心，保证该固定装置能使用很长时间，这期间可以将自行车换掉，继续安装能使用的自行车。循环利用了固定装置的同时，又可以更多的利用闲置自行车。在此装置中, 车架是主要的承载部件, 除了安装蓄电池和逆变电源外, 还要承载人的重量及运动载荷, 为此, 对车架进行了动强度设计,
11、并用有限元方法分析和试验分析。通过分析,评估了设计的合理性, 使设计达到最优化, 缩短产品的设计周期,并对其循环使用。2 设计方案2.1总述： 利用健身时的动能, 转换成电能; 通过三相全波整流,将发电机发出的交流电转换成直流电输出; 并将电能储存在蓄电池中。主要装置及介绍：交流发电机系统、稳压整流系统、档位控制装置、蓄电瓶。原理图2.2发电机装置根据发电机的转速, 以及实际测得人骑车时大轮转速约为55r/min, 来确定传动比、链轮的齿数。根据发电机的功率计算出逆变电源的功率、电压和蓄电池的容量、电压。因此设计永磁发电机, 其额定功率为300W, 经三相全波整流后的输出直流电压为52V。由自
12、行车小轮轴及支架确定发电机外壳尺寸为: 长155mm, 两端面圆直径130mm, 小链轮与发电机同轴, 直径57mm。2.3稳压整流系统稳压斩波及逆变电路实验分析电压脉动的直流电, 经稳压斩波电路输出电压稳定的直流电, 用万用表测得。经稳压斩波电路输出的电压稳定的直流电,再输入逆变器,得到电压频率一定的交流电。整流实物2.4档位控制装置为满足不同层次体质的人们的锻炼强度的需求，特设计了档位控制装置，可以自行调节蹬车的难易程度，从而达到设计的人性化。转速与输出电压的数值关系齿轮比踏板圈数交流电压平均值直流电压平均值低速档506.10786.737606.95917.523708.1968.698
13、809.0359.5879010.13210.67410011.077811.7143中速档507.26867.8495608.64829.2867010.048710.62928011.296711.86379012.645213.26510014.042714.6397高速档508.51049.12946010.29510.7037011.963812.5168013.504314.19769015.27515.85910017.19417.8043.关键部分设计时的理论与计算分析3.1固定装置设计分析在动态特性分析中, 通常利用弹性力学有限单元法建立结构动力学模型。结构动力学特性取决于各
14、阶固有频率、主振型和阻尼比等, 也就是所谓的模态参数。设整个结构的有限元动力学方程为M&q&+ Cq&+ Kq = f式中,M为总体质量矩阵;C 为总体阻尼矩阵;K 为总体刚度矩阵; q 为节点位移; f 为结构所受外力。有限元分析的主要步骤有:( 1) 建模。创建结构的三维实体模型及有限元模型。( 2) 加载及求解。根据研究对象的受力和约束情况,对所建模型施加载荷, 并施加符合实际的边界条件, 然后完成求解运算和扩展模态。( 3) 结果后处理。通过后处理, 可将结果列表、绘制图形、作变形动画等。通过计算结果分析, 可对设计的模型作出评价, 进而进行修改, 直至满意为止。3.2 稳压整流装置理
15、论分析将稳压斩波及逆变器接入电路后, 以实验者55100r/min 的速度带动发电机,经整流滤波电路产生1314V 的直流电压,经稳压斩波及逆变电路后,空载时输出电压稳定在227228V。稳压斩波及逆变器直流输入电压与交流输出电压的数值。本实验根据稳压斩波电路输出结果,选取匹配的逆变器技术参数如下:输出电压:220V,频率:502Hz,波形:方波输入电压1015V欠压报警: 1 0 . 4 1 1 . 0 V ,低压关断:9.710.3V,过压关断:14.515.5V空载消耗:12V 输入,空载电流:90%输出功率的数据分析在逆变器输出端用数字功率表测量多组数据,最后取平均值得表,得出在不同的
16、转速下, 自行车发电机的输出功率。4.创新点和应用1.充分利用各高校的废弃自行车，校园内自行车的“脏乱多”现象便可以轻松解决，清理出更多的空间的同时又美化了校园环境，同时大量减少了资源的浪费。2.发电装置便于装卸，操作过程十分简单。人们便可以很方便地把自行车改装成发电健身车，轻松健身。3.本产品通过在简单的设备上安装上废旧自行车，将人们健身时的动能通过传输带转化成电能，存储在蓄电池里，实现了能源再生，为解决资源枯竭问题添了一份力量。4.固定装置和发电系统的循环利用设计，使整个体系所消耗的成本降到最低，而且可以实现多辆自行车在不同的时间段使用同一套这样的装置，大大降低了使用成本。5.该装置采用交
17、流发电，使装置使用寿命加长，电量较大，可以满足一般电器的基本需要。6.经过长时间的健身运动，蓄电池能够存储一定的电量，在特殊情况下可以作为应急电源，一定程度上减小了对电力公司的依赖程度。7.本产品设计了速度控制装置，可以按照使用者的需要适当调节蹬车的难易程度，体现了设计的人性化。5.可行性分析总述：本创意设计主要来源于对生活的观察，构建在我们对生活的思考之上。它不仅结合了我们所学的专业知识，通过实际测量，逻辑计算，实验分析等科学方法来进行技术创新和不断地技术改进，而且还有效地结合了现实社会状况，是一个着眼于现实的创意设计。5.1 生态环境分析发展是硬道理。而现在社会谋求发展必须根据社会生态系统
18、的特性和演替动力，遵照自然法则和社会发展规律，利用现代科学技术和系统自身控制规律，合理分配资源，积极协调社会关系和生态关系，实现生物圈稳定和繁荣。我们这套设计方案就是本着和谐发展的原则，追求人与自然的共同发展，以社会创造最大经济效益为宗旨，充分利用废弃的自行车，减少了金属材料的浪费，并使能源再生，为人类的可持续发展和创造和谐社会营造了良好环境，带来了巨大的生态效益。因此我们的方案是可行的。5.2经济效益分析以河南理工大学为例，以低碳理念为倡导，本着回收再利用的基准，仅河南理工大学500辆用来健身发电的自行车，每年将产生25万元经济效益。目前，全国大约有1500所高校，若都安装这种健身装置，每年
19、将创造3.75亿元的经济效益，若在全国157个大中城市居民小区中推广，将为社会带来一笔非常可观的财富。因此，在经济上，我们的方案是可行的。5.3 社会认可分析一直以来，高校废弃自行车的无处安置，居民小区废弃自行车的杂乱，不仅浪费了资源，还影响高校和城市环境的美观。对于废弃自行车的改造，各个院校都有着不同的尝试。然而效果并不理想。原因是多方面的。首先是一些企业的环保经济意识不强，对这一新产品创意只限于欣赏上，没有想到自己去参与。第二是商家不主动，担心市场接受程度差。一些商家认为，尽管废旧自行车设计新颖而且实用，价格还很低，但因为是用旧自行车改造的，消费者恐怕很难接受，担心市场销售受阻。随着环境问
20、题的不断恶化，人们对环保越来越重视，环保节能措施也会更加多种多样。相信不久的将来，废旧自行车的改造一定会在商业占据重要地位。我们的设计方案不仅解决了废弃自行车难题，产生了经济效益，还达到了健身的效果，响应了全国全民健身的号召，为提高全国人民身体素质做出了应有的贡献。6.闲置自行车回收利用的效益分析按照我们的设计方案，中档时每辆自行车产生的功率为300瓦，按每天八小时算，每辆自行车能产生2.4度电，以在河南理工大学放置500辆健身发电自行车计算，一年将会节省438000度电，创造将近25万元的经济效益。目前全国大约有1500所高校，若都安装这种自行车健身装置，将创收3.75亿元。若在全国157个
21、大中城市居民小区中推广，将为社会带来一笔非常可观的财富。而且相对于现在市面上的健身车，我们所使用的成本是低廉的，一辆废弃自行车和一套可以批量生产的发电装置。在产品想要渗透发展的时候在价格上占据了据对优势。除此之外，废物再利用能够减轻当今工业生产的压力，减少了钢铁等资源的浪费，是完全符合和谐发展和低碳生活的要求。我们设计的方案在社会上的普及基本能够解决现在废弃自行车所呈现的“多乱脏”现象，腾出更多的空间资源给新的产品，而且也美化了我们的环境。这种装置在市场渗透之后，可以使更多的人能够更加快捷高效地健身，符合当代的健康生活和高效生活理念。综上所述，我们的设计方案在经济效益方面利润较高，在成本效益方
22、面成本较低，在环境效益方面节约资源，在投资效益方面具有远大前景。随着社会的节能环保意识的加强和产品自身技术的提高，在未来的发展上一定能够取得良好的成绩。参考文献1 汤蕴璆,罗应立,梁艳萍. 电机学（第三版）. 北京：机械工业出版社,2008.52 杨可桢,程光蕴,李仲生. 机械设计基础. 北京：高等教育出版社. 20063 蔡增基.龙天渝.流体力学泵与风机.北京：中国建筑工业出版社.20094 曲学基,曲敬铠,于明扬. 逆变技术基础与应用. 北京：电子工业出版社. 20075 高亮.发电机组微机继电保护及自动装置 .中国电力出版社 (2009-04出版)6 南景富.机械基础实训(机械机电类专业
23、用).中国农业出版社 (2004-09出版)7 王之栎,王大康.机械设计综合课程设计(第2版) .机械工业出版社8 朱松然.蓄电池手册.天津大学出版社,1998-07 舒正芳.电动机的转速控制.水利电力出版社,1958-4 9 时运来, 赵淳生, 黄卫清. 一种轮式直线型超声电机J. 中国电机工程学报 , 2010,(09) :68-7310 杨淋, 丁庆军, 黄卫清, 赵淳生. 一种新型模态转换压电钻压电与声光 , 2010,(05) :770-77311 赵凯华，陈熙谋.电磁学M .北京：高等教育出版社.12 赵植保.变压器原理及应用M.北京：化学工业出版社.13 崔弈，郝寿义.低碳经济引发的可再生资源思考J.2010(5):64-67
