太阳能热水器结构设计 毕业设计

目录1绪论111本课题的来源及研究的目的和意义112太阳能热水器的概况113本课题所涉及的问题及国内（外）研究现状及分析114国外研究现状及分析215国内研究现状及分析216对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析317完成本课题所必须的工作条件及解决的办法318完成本课题的工作方案及进度计划32太阳热水器能结构设计方案421机型422机具工作原理423总体配置424基本设计参525确定传动方案626电动机的选择63传动机构的设计831齿轮及齿盘的设计832轴的计算1133凸轮机构的设计及计算12小结15致谢16参考文献17附录181绪论11本课题的来源及研究的目的和意义进入21世纪，随着石油、煤、天然气等这些不可再生自然能源价格的上涨，能源危机再次引起了人们的注意，如何很好的节约和利用能源，特别是可持续性能源，一直是人类所面临的问题。在本次设计中我将从我国目前面临的能源现状出发，分析太阳能的基本特性的基础上，对目前收集太阳能最成功的装置太阳能热水器进行结构设计。太阳能热转换技术的核心是采用高品质、高转换率的太阳能集热器。未来的太阳能热利用发展趋势是太阳能与建筑结合，太阳能平板集热器是与建筑结合最佳方式的太阳集热器。但我国幅员辽阔，各地日照时间，日照角度等参数各不相同，因此可根据环境需要做成灵活多变的结构形式和形体尺寸。太阳能热水器虽然在国内用的比较多，但是在结构方面有不少的不足之处，不能尽可能满足用户的使用，本次设计旨在提出一些可以优化的方面。一是提出集热器旋转的结构改进方案，二是提出集热器日照角度变换的结构改进方案，三是提出在热水器自动控制方面的改进方案。12太阳能热水器的概况目前太阳能热水系统尚未纳入建筑给排水设计,工程中较常用的热水供应是采用换热站提供的合适温度的热水,再通过室外管网向用户供水。该供水方式存在供热效率低,经济效益差等缺点。而家用太阳能热水器就是一个节约能源，有效利用能源的典型。随着人类生活的不断进步，科学技术的不断发展，电子技术在各个领域的广泛应用，如何更高效的利用太阳能必将成为小型太阳能结构的发展趋势。美国、日本等发达国家已经在这方面做了很多有益的探索和研究，在我国，随着人民生活水平的日益提高，高效便捷的太阳能结构也必将在我国兴起、发展和完善。所以如何提高民用设备的利用率也就成了一种有益的、必要的、积极的探索和研究。同时，自1985年以来我国太阳能利用取得了举世瞩目的成绩，太阳能热水器是太阳能热利用中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域，并且随着大众文明意识的提高、人民生活水平的不断提高以及对生活热水需求的日益增长和拥有9亿人口的农村潜在市场的开发，研究、开发与太阳能热水器相配套的控制系统，也就有着重大意义，同时会创造良好的社会效益。而目前市场上的太阳能热水器，存在着太阳能利用率不高、稳定性差、通用性差等缺陷。本设计就是针对这些，开发具有高太阳能利用率、通用性、稳定性好的太阳能热水器。13本课题所涉及的问题及国内（外）研究现状及分析当前我国自主开发的全玻璃真空管太阳能热水器在世界上处于领先平，并出口到日本、美国等发达国家。据统计，截止到1998年底，我国太阳能热水器生产厂有1000多家，年产量在250万平方米以上，年产值35亿元，从业人员15万人，用户达3000多万人，年产量及拥有量均居世界首位，成为我国节能领域的新兴产业，已引起国际能源界的关注，发展势头很好。进入90年代，中国在改革开放政策指引下，随着太阳能热水器的不断改进、大众文明意识的提高、人民生活水平的不断提高以及对生活热水需求的日益增长和拥有9亿人口的农村潜在，市场的开发，更是促进了太阳热水工业的迅速发展，太阳能热水器应用同时也得到了一个大规模进展，并且形成了与空调、彩电、冰箱等一样的大规模市场。太阳能热水器是利用集热器吸收太阳光，将光能转化成热能，并通过储水箱将热水储存的装置。目前，技术水平最高的太阳能热水器是真空集热管太阳能热水器。真空集热管的内、外管之间是真空夹层，确保冬季管内不结冰，能够正常使用，内管上有一层选择性吸收镀膜，膜层能充分吸收太阳光。真空管里的水，吸收热量后，通过温差循环，加热储箱内的水。太阳能中央热水系统采取以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式。一般情况下全年90的热水来自太阳能，只需10的电能作补充，365天全天候可以供应热水。太阳能热水器可在全国大部分地区使用，并被广泛应用于家庭，在宾馆沐浴、工业用水等方面获得利用。同时，由于其经济和社会效益显著。不用煤油电而用太阳能热水器洗浴的城乡居民全国有3000多万，年节约能源200万吨标准煤。太阳热水不但为广大城乡用户所接受，而且建设部已将它列入建筑节能新技术，准备推广，太阳热水系统将与被动太阳采暖、光伏器件一起成为21世杨太阳能建筑结构的一个组成部分。太阳热水要扩展到为工农业生产服务。太阳能产品本身还存在着使用不方便、不配套、质量档次不高的状况。同时，由于受自身条件的限制，随着春夏秋冬四季的变化，以及不同季节不同天气的变化，由于真空集热管太阳能热水器的单一性能，出水温度和热水存量的不确定性给使用中带来众多不便，同时也造成了对太阳能的利用效率低下，太阳能热水器也就在一定程度上满足不了不同用户的不同需要，从而影响了太阳能热水器的长期发展。14国外研究现状及分析在世界范围内,太阳能热水器技术已很成熟,并已形成行业,正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。国外的太阳能热水器发展很早,但80年代的石油降价,加之取消对新能源减免税优惠的政策导向,使工业发达国家太阳能热水器总销售量徘徊在几十万平方米。世界环境发展大会之后,许多国家又开始重视太阳能热水器在节约常规能源和减少排放二氧化碳方面的潜力,仅据美国加州首府萨克门托市的计划,到2000年太阳能热水器将取代该州47000套家用电热水器到2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番以色列更是明文规定,所有新建房屋必须配备太阳能热水器。目前,我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。1992年销售量为50万M2,为世界其他各国销售量之和1995年销售量翻番,达100万M2。据初步统计,1997年我国太阳能热水器销售量300万M2,目前,我国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到1000余家,年产值20亿元,从业人数115万人。但从房屋的热水器安装率来说,以色列已达80,日本为11,台湾达217,我国在千分之几左右,其太阳能热水器的推广应用潜力仍很大。国际上,太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展,目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减少热量损失聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高,太阳能热水器必将逐步替代电热水器和燃气热水器。虽然太阳能热水器目前仍存在市场价格高、受季节和天气影响的不利因素,但太阳能热水器具有不耗能、安全性、无污染性等优势,而且随着技术的发展其经济性也逐渐显露出来。有关专家对三种热水器的经济指标比较结果表明，太阳能热水器在经济上已具有较强的竞争力。15国内研究现状及分析我国的太阳能热水器发展趋势十几年来，我国太阳能热水器行业从无到有，由小变大，发展非常迅速，但其普及率仍然很低，产品的品种、功能和质量也都远远不能满足需要。今后，我国太阳能热水器将怎样发展，这里仅从产品和技术的角度，对其发展趋势做个介绍。141太阳能热水器将与建筑结合在许多工业化国家中，太阳能热水器早己列为建筑配套设备的一部分。从节能、环保和改善人民生活条件等因素考虑，在住宅设计中采用太阳能热水器提供生活热水己是大势所趋。为要使太阳能热水器尽早步入建筑行业，我们首先要研究太阳能热水器与建筑外观相协调的总体方案依据南方或北方、城镇或农村、楼房或平房等不同情况，设计出与建筑结构相适应的各种太阳能热水器产品依据平屋顶、斜屋顶、阳台等不同条件其次要重视热水器产品的标准化、系列化以及热水器施工安装的规范化，加强与建筑设计部门的合作，使太阳能热水器列入建筑标准图册，真正成为建筑的配套设备。142太阳能热水器将逐步完善功能人们对住宅中获取生活热水的要求正在日趋提高。为了能与电热水器、燃气热水器等产品竞争，太阳能热水器除了在节能和环保两方面具有优势之外，还应当具有防冻或抗冻功能人们希望洗浴时热水犹如自来水那样喷淋，太阳能热水器就应当采用顶水法取出热水人们希望供热水设备不要因水垢而堵塞，热水器就应当将集热回路与生活热水回路分开人们希望即使阴雨天也能用上热水，太阳能热水器就应当跟辅助能源配套等等。由此可见，全年用热水器、承压水箱、双循环系统、辅助电加热等技术改进都将是我国太阳能热水器发展的必然趋势。16对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析成功设计出小型太阳能结构机械部分应有以下几个任务要求（1）采用齿轮传动，驱动为电机；（2）选择合适的传动装置，来达到小型太阳能结构的设计目标。（3）本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路本课题重点研究的是怎样设计小型太阳能结构的机械部分，采用适合的传感器以及传动装置来达到设计任务的目标。（1）根据小型太阳能结构需要旋转和升降的要求和自动化程度来选择适合的动力源；（2）确定传动机构和执行机构；（3）根据小型太阳能结构的大小，通过手里要求计算出机构中各个零件尺寸的大小、型号等并画出装配图；（4）对受力部件，零件尺寸进行校核计算。17完成本课题所必须的工作条件及解决的办法1了解小型太阳能结构的应用及在国内外发展的现状，上网和图书馆查阅相关文献资料；（2）确定设计方案，参考资料，进行设计，询问老师和同学；3了解小型太阳能结构的结构尺寸以及传动速度，上网和去图书馆查阅相关文献资料；（4）设计传动机构，根据输出输入速度，计算并设计出减速器；（5）利用AUTOCAD软件画出装配图；（6）计算校核，参考资料书中的计算方法和公式等进行计算交合。18完成本课题的工作方案及进度计划完成本课题的方案本方案采用电动机为动力源，利用减速器等传动机构完成设计第12周查阅相关文献，撰写开题报告。第34周确定总体方案，明确相关内容。第56周根据设计要求查阅相关手册，对各部份机构进行设计。第79周绘制零件图和装配图第10周完成对产品的校核工作及设计说明书。第11周整理资料，做好答辩准备。PLEASECONTACTQ3053703061GIVEYOUMOREPERFECTDRAWINGS2太阳热水器能结构设计方案表21太阳能集热器安装倾角速查表城市纬度/（）安装倾角/（）和田370935阿克苏410940哈密425040乌鲁木齐434540伊犁435545塔城464645注太阳能集热器单位面积得热量与所在地经纬度、大气透明系数、集热器倾角等因素有关，在安放时应选择合理倾角。21机型我国人口众多，基本上各家各户都需要安装太阳能热水器，因此，对小型太阳能热水器的需求量很大，因此本次的机型当与此相适应才较为恰当。虽然定位为小型机具，但其结构尺寸还要根据具体的配套太阳能热水器来定。国内集热器型号有很多，考虑到热水器需要转动和升降，要求有较大的驱动力，因此尽量减少热水器质量，优先考虑非承压分离式热水器，先选SLL581825型集热器。22机具工作原理工作过程机器开始工作时，机架上的电机带动其同轴的齿轮转动，与其相啮合的底座齿盘带动整个机构转动。从而保证整个集热器始终正对阳光。同时，在电机的输出轴上连接凸轮，利用顶杆使其与集热器架连接。当电机转动时，带动凸轮转动，从而可以控制机架的升降，改变机架的水平角度，以达到最大限度利用太阳能的目的。23总体配置经过多次的讨论和研究，确定小型太阳能的总体结构，包括转动装置和动力传送系统及升降装置。其中动力源为电动机，考虑到旋转时需要控制旋转角度，初步考虑选用步进电机，以便于更准确的控制旋转角度，使其向阳面面积保持最大。升降系统初步考虑用凸轮机构完成，以便于尽可能的简化机构，降低成本。其结构如图21所示图21太阳能热水器结构示意图1底盘2集热器三角架3集热器4导轨5电机底座6电机7齿轮8推杆9凸轮10转向轮24基本设计参配套集热器SLL581825集热器的外形如图22所示图22SLL581825型集热器具体参数见下表表22规格型号表产品型号SLL581825晒乐系列SLL581825速乐系列集热器件58MM1800MM“晒乐”真空管58MM1800MM“晒乐”真空管真空管数量及间距25支75MM25支75MM集热面积轮廓面积4M2轮廓面积4M2内胆材料SUS304不锈钢SUS304不锈钢外壳材料镀铝锌板不锈钢镀铝锌板不锈钢保温材料45MM厚聚氨酯发泡45MM厚聚氨酯发泡密封材料硅橡胶密封硅橡胶密封外形尺寸140M920M140M920M安装螺钉518M58M重量KGKG与其配套使用的三角架如图23图23三角架241三角架主要用于固定集热器并与底座装置、升降装置连接。（1）该支架适用于SLL5818系列集热器。（2）适用于集热器一层放置，倾角30度。（3）采用4国标角钢或4热镀锌角钢现场焊接制成。242传动装置整体结构（1）传动装置的组成传动装置由电机、齿轮、凸轮等组成。（2）传动装置的特点与齿轮啮合的齿盘上齿呈弧线分布，故沿轴向载荷分布不均匀，要求齿轮有较大的刚度。25确定传动方案考虑到电机转速低，传动功率大，其传动方案如下图24图24传动装置设计图26电动机的选择选择步进电机，型号MPMST57C2P1201L。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。电动机的外形如下图25图25电机表23步进电动机参数电动机型号步距角相数最大静转矩定位转矩转动惯量MPMST57C2P1201L7541,500GCM425GCM125GCM注其中，电压12VDC电流06A电阻21引线规格UL1007AWG26。用微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,可以根据系统需要通过软件编程的方法任意设定步进电机的转速、旋转角度、换向、转动次数和控制步进电机的运行状态。通过控制程序，这样可简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。图26为单片机控制步进电机接口原理图。软件法形成脉冲序列的程序流程、主程序流程图、定时器中断服务程序流程图及其相关程序,时间的设定见附录。图26单片机控制步进电机接口电路原理图根据电机轴径的大小及转动惯量，选取联轴器，选择GY型凸缘联轴器，型号GY2,工称转矩/（NM）63，许用转速/（R/MIN）10000，转动惯量/（00015，质量/KG172，符合要求。联轴2MKG器的外形如下图27图27凸缘联轴器3传动机构的设计31齿轮及齿盘的设计311齿轮的材料及定义（1）选用直齿圆柱齿轮（2）材料选择，选择小齿轮材料为优质碳素结构钢，牌号（GB/T699199920MN）硬度为197HBW（3）选齿轮齿数，齿盘齿数42Z142Z312按齿面接触强度设计由计算公式计算32HE11Z（UDKT2TD确定公式内的各计算数值试选载荷系数13K计算齿轮传递的转矩MN107N91095T551选取齿宽系数D查得材料的弹性影响系数2189MPZE按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限，齿A160MPHMIN盘的接触疲劳强度极限A250MPHMIN1）计算应力循环次数7828110465095N102951）38（JLH6N2）取接触疲劳寿命系数,9KHN1095KHN23）计算接触疲劳用应力取失效概率为1，安全系数S152MPA095SLIM1KHN460X214）试计算齿轮分度圆直径，代入中较小的值1DH05Z（U1TK23D2HE15）计算圆周速度V016M/S160485160NDV6）计算齿宽B5TDB17）计算载荷系数由V0166M/S，7级精度，查得动载系数，直齿轮12KVKHAKFA1用插值法查得7级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时KHB1423由，KHB1423KFB135，故载荷系数124HB159423KHBAV313按齿根弯曲强度计算得弯曲强度计算公式为3SAF21Y（DZKTM（1）确定公式内的各计算数1）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；齿轮的弯曲强A150MPFE度极限A2380MPFE2）取弯曲疲劳寿命系数08K85K11FNFN3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S14PLEASECONTACTQ3053703061GIVEYOUMOREPERFECTDRAWINGS4）计算齿轮及底盘齿的并加以比较FYSA0164238796FY351SA1F2大齿轮的数值大（2）设计计算ERRORNOBOOKMARKNAMEGIVEN2050164241985M34对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数M大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数M的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取弯曲强度算得的模数205并就近圆整为标准值M25MM，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿数105MD齿盘这样设计出的齿轮传动，既满足齿面接触疲42510MDZ42Z劳强度，又满足了齿根弯曲强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。314几何尺寸计算（1）计算分度圆直径10524MZD22计算中心距1052A3）计算齿轮宽度105DB1取MB2齿轮一端连接电动机的输出轴，并与转盘上的齿啮合，当电动机转动时，带动整个机构旋转。表31齿轮的基本参数齿数模数齿全高压力角齿轮42251820齿盘42251820齿轮结构如下图31图31齿轮32轴的计算321轴的结构设计取轴颈处的直径为19MM，与标准GY型凸缘联轴器型号GY2的孔径相同。各轴段配合及表面粗糙度选择如下轴颈处,H9/F齿轮处配合处为，联轴器与传动轴的配合。08MRAH8/T7H8322键连接的强度校核键主要是为了实现轴上零件的轴向定位来传递转距，键的形式用多种，根据传动的要求，键的选择应根据轴的直径选择不同型号的键，轴的直径D19MM选用A型平键（GB/T10962003摘录），与联轴器连接处键的尺寸与凸轮连接处键的尺寸206LHB轴的材料是45号钢，且属于静联接机械设计第八版206LHB表62查得许用挤压应力为P120150MPA,取其平均值P135MPA。键的工作长度为,键与联轴器键槽14M620MBLL的接触高度为。由机械设计第八版式61可得3605HKLD102TP3P135MPA2714972T传递的转矩（NM）D轴的直径（MM）L键的工作长度（MM）；A型，LLBK键与轮毂的接触高度（MM）；KHT，H为键的高度，B键的宽度（MM）T切向键工作面宽度（MM）键的许用切应力（MPA）P键连接的许用挤压应力，/MPA可见联接的挤压强度满足，即该键可以正常工作。键的标记为（GB/T10962003）键，圆头普通平键（A型），206B6、H6、L20轴的结构如下图32图32传动轴322按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面，即危险截面C与D其中一个截面，。根据式及以上数据，WTM22CA以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的06计算应力为，前已选定5126MPA50103866127WTM232322CA轴的材料为，调质处理，查表151得许应弯曲应力。40CR70MPA1因此，故安全。1CA33凸轮机构的设计及计算331凸轮机构形式的确定根据常用凸轮机构形式及需要传递较大力的要求，在此设计对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较大的动力。332推杆的运动规律的确定根据机架需要上升十五度角，可确定推杆的推程H200MM，然后确定推杆的推程运动角，远休止角180，回程运动角270，近休止角90010360。2表32凸轮运动规律表运动规律最大速度最大加速度最大跃度适用场合）（H/V0MAX）（H20/MAX/（HJ30MAX等速运动100低速轻载等加速等减速200400中速轻载余弦加速度157493中低速重载正弦加速度200628397中高速轻载五次多项式188577600高速中载由表中可知余弦加速度的运动规律适用于中低速重载的场合，因此，在此选用余弦加速度运动规律，因为加速度曲线连续。行程始末加速度等于零，跃度为有限值的突变。启动平稳。导路侧压力小，冲击、磨损较轻。适用中、高速轻载。根据以上数据可得到以下的运动规律曲线如图33图33推杆运动规律曲线333凸轮轮廓曲线的设计设计凸轮的轮廓曲线必须知道基圆半径RB，根据公式RB（推程角，弧度值推程最大线速度2HTANVM11HMV最大压力角,一般取30）查阅现代机械传动手册P763,则RB，RR40MM132MHTAN0189045334作图法画出凸轮的轮廓曲线根据基圆半径及上述的推杆轮廓曲线作出凸轮的工作廓线如下图34123456789001002图34凸轮工作廓线由此可得凸轮的轮廓曲线如图35图35凸轮335推杆的设计推杆的结构如图36图36推杆由于需要传递较大的力所以选用滚子推杆。这种推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可以传递较大的力。推杆一端连接凸轮，一端与三角架的横梁接触，凸轮转动时，就可推动横梁，从而达到升降的目的。根据推杆需要顶到三角架的横梁上，选定顶杆长203MM，直径30MM。滚子直径40MM，宽度20MM。336支撑柱考虑到底盘前半部分受力过大，需要加装支撑柱。支撑柱采用合金结构钢，外形如下图37图37支撑柱注支撑柱后半部分50MM浇注在房顶平面以下。小结脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识有很大的帮助，所以在这里非常感谢帮助我的同学。在此更要感谢我的导师和专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业设计。在我的学业和设计的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师李老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。致谢PLEASECONTACTQ3053703061GIVEYOUMOREPERFECTDRAWINGS参考文献1毕文峰,王侃宏,乔华,崔坚平板集热器冬季工况集热性能分析煤矿现代化,2005,012周子成,田军用于太阳能热泵的真空管集热器的研究制冷学报,1990,023郁道光,宋可生,焦小浣真空管平板集热器最小阳光入射角的一种证明及光学性能分析太阳能学报,1991,