【《可实现太阳光线实时跟踪功能的机械的回转装置结构设计案例》4900字】

可实现太阳光线实时跟踪功能的机械的回转装置结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u286681.1太阳运行规律 1249301.3跟踪机构 2313751.2跟踪方式 3169832回转装置的结构设计 3242572.1结构运动原理 3259042.2方位轴装置的设计 4230522.1.1方位轴蜗轮蜗杆的设计 5208452.1.2涡轮轴承的选用 7240912.1.3蜗杆轴承的选用 7167862.1.4方位轴装置的外壳设计 853392.3高度轴装置的设计 849682.2.1高度角蜗轮蜗杆的设计 967152.2.2涡轮轴承的选用 10315532.2.3蜗杆轴承的选用 10166052.2.4高度轴装置的外壳设计 1167672.4太阳能面板支架的设计 1185062.4.1大支撑梁的设计 12231092.4.2小支撑梁的选用 12284302.4.3大梁与小梁的连接件 12144342.5立柱的设计 131.1太阳运行规律太阳相对于地球每天做一周自转运动，每年做一周公转运动，定位在地球上的某一个坐标点，一年中每时每刻的照射角度都会不同，照射角度的变化分别是方位角和高度角的变化。方位角：太阳每天东方日出西方日落，假设以地球为参照对象，在水平方向太阳围绕地球做了一定角度范围的环绕运动，以一年为一个周期，太阳每次从东方升起和西方日落水平角度都会不同，绕转的角度范围也会不同。角度变化范围在0°～180°之间。高度角：太阳每天早晨、中午、晚上的太阳高度都会有变化，再次假设以地球为参照对象，以一年为一个周期，从早晨到中午再到太阳的高度是升高由下降的过程，以每个中午太阳的高度为时间点，从春季到夏季再冬季到太阳的高度也是升高由下降的过程，角度变化范围在0°～90°之间，如图3所示。图3太阳的运行轨迹1.3跟踪机构双轴回转结构，通过对太阳运动轨迹的研究得出结论，太阳运动的轨迹有两个方位，分别是太阳的方位角和太阳的高度角的变化，都是回转角度变化，而能做到使太阳能面板一直垂直面对着太阳，装置机构至少需要两个自由度，来控制的太阳能面板的使其对应着太阳运动的变化方位角。两个自由度分别使用回转轴的机构来解决。两个回转轴可以对应着太阳运动的两个方位角，这样一来，无论太阳以任何角度照射着太阳能面板，回转装置都能运动到面板所需要的方位角，即太阳能面板垂直与太阳能照射的角度。实现装置上的面板对太阳的实时全方位的跟踪。其装置运动的关键还在是两个回转轴上，考虑到装置在调整方位角还是高度角，运动的角度都很小，因此装置的回转轴选择机械结构减速装置，原计划采用星型减速器作为两个方位轴的回转装置，其有传动比大的优点，但是考虑到星型减速器的运动构件过多，所占空间和面积还有重量一定会很大，就结构设计而言会产生不必要的材料使用，出于结构简单的设计原则，没有选择其结构来进行设计；然后也考虑到采用直齿齿轮减速器的原理，虽然结构上要比星型减速器简单许多，但是出于星型减速器一样的考虑，体积空间上会需要很多。如图4所示。图4结构简图①电机；②联轴器；③轴承；④涡轮；⑤蜗杆。回转轴机构选择采用涡轮蜗杆减速器原理，相较于其它加速器而言有其特质，具有自锁性，这对于太阳板能定位自锁有及其大的适用性，是其它回转轴装置所无法相比的，采用两个涡轮蜗杆传动装置也是有所区别，分别是水平放置式涡轮蜗杆，竖立放置式蜗轮蜗杆，因为其完成的功能不同，其两个装置在机构上有所差异。两个轴分别使用在方位角的控制和高度方位角的控制。初期方案设计的太阳能双轴回转装置的简图。如图5所示。图5双轴跟踪装置结构简图1.2跟踪方式机械装置的闭环控制系统：太阳的光线照射到装置的光敏原件上，光敏原件接收型号转换成电路信号发送到放大器件上，也就是中央处理器通过处理器的运算处理将处理后的信号发送到步进电机上，实现步进电机的运转，安装在装置上步进电机带动一系列的传动构件带动光伏组件，光伏组件上安装的是太阳能面板，因此太阳能面板做运动，太阳能面板运动后的状态又被光敏原件检测到反馈给处理器继续调整，直到调整到正确的位置。控制系统形成一个严谨的闭环。图6光电跟踪闭环跟踪系统框架2回转装置的结构设计2.1结构运动原理整体装置为立柱型，回转装置安装在一个立柱上，太阳能两个面板分别由支撑架固定在下方的大梁上，大梁的轴端连接着太阳能高度轴回转装置上，其下方安装着太阳方位轴装置，上述的机构都安装在一根立柱上，立柱固定在地面上，以上是太阳能回转装置的整体构造。装置的运动原理如下，太阳的光线照射到装置的光敏原件上，光敏原件接收型号转换成电路信号发送到放大器件上，也就是中央处理器通过处理器的运算处理将处理后的信号发送到步进电机上，实现步进电机的运转，安装在装置上步进电机带动一系列的传动构件带动光伏组件，光伏组件上安装的是太阳能面板，因此使太阳面板一直垂直与太阳光线，由以上运动过程完成对太阳的追踪。其装置的结构如图7所示。图7太阳能回转装置总图①C型梁；②固定支板；③大梁；④支杆；⑤太阳能面板；⑥电动机；⑦竖轴轴承端盖；⑧方位轴装置；⑨仰角轴装置；⑩立柱；⑪蜗杆轴承端盖；⑫仰角轴装置端盖。图8跟踪装置示意图2.2方位轴装置的设计方位轴装置用于调节太阳能面板方位角度，其结构的组成是已蜗轮蜗杆为核心传动构件的结构，其它的是步进电机两个轴的轴承，外壳和端盖。其运动的原理是步进电机带动蜗杆做旋转运动，蜗轮蜗杆传动，涡轮轴端定位在立柱上，外壳上有四个螺栓孔连接高度轴装置，高度轴是与太阳能面板间接连接的，因此控制着面板的方位轴方向的调节。因为是水平蜗轮蜗杆减速装置，其轴向承载着整个上端结构的重量。在设计过程中也要考虑到装置的稳定性，能够有足够的承载，运转的稳定性。装置的外观图和内部透视图如图9所示。(a)整体图(b)透视图图9蜗轮蜗杆减速器三维模型图2.1.1方位轴蜗轮蜗杆的设计1.蜗杆参数根据国标推荐，选择（ZA）蜗杆传动。转速n1材料为45号钢，表面淬火处理。蜗杆的头数Z1=1，涡轮的齿数为Z1.传动零件的设计计算确定许用应力，查表。许用接触应力σHP许用弯曲应力σFP齿轮应力循环次数Nl=60n查得Zn=1.45Yn=1许用接触应力σHP许用弯曲应力σFP2.齿面接触疲劳强度校核验算公式σH=Z查表得ZE=155Nmm2KA=0.9Kβ带入公式σ即校核通过。4.涡轮齿根弯曲强度校核验算公式σ则ZV得YFS=8.55Yσ即校核通过5.蜗轮蜗杆表1蜗轮蜗杆参数参数蜗杆涡轮齿数182模数88传动比3131分度圆直径80248齿顶圆26499.2齿根圆228.864导程角5°42′36″5°42′36″压力角20°20°旋向右旋右旋6.蜗轮轴计算涡轮轴的阻力距为T2=5N∙设蜗轮上的力Ft=2.8NFr=0.21N确定轴的最小直径材料为45号钢,查表得A0代入公式dmin=A03T图10平蜗轮蜗杆图2.1.2涡轮轴承的选用该轴承根据工作条件的要求决定选用51140推力球轴承，粗略计算轴向载荷为Fa=2700N，转速n=100r/min。使用寿命为Lh=5000h查表，当量动载荷P=fd轴承的的基本额定动量载荷C=Pε验算轴承寿命L即高于预计寿命。图1151140推力球轴承2.1.3蜗杆轴承的选用该轴承根据工作条件的要求决定选用30211圆锥滚子轴承，粗略计算轴向载荷为Fa=2700N，径向载荷为Fr=1000N轴承转速n=100r/min。使用寿命为Lh=5000he=0.4,Y=1.5。计算轴承支反力水平支反力RH1=514N垂直支反力RV1=608N合成支反力R1R2计算轴承派生轴向力SS2Fa轴向载荷AA当量动载荷x1=0.4y1=1.5P1P2寿命的计算因为P1>P2，取P2Lh=10即高于预计寿命。图1230211圆锥滚子轴承2.1.4方位轴装置的外壳设计装置的外壳是用于支撑和固定轮系零件并且保证传动件的传动精度和良好的稳定性，材料选择铸铁，上端以4个M20螺栓孔连接俯仰角回转装置，下端以12个M10螺栓孔连接轴承端盖。如图13所示。图13方位轴装置的外壳2.3高度轴装置的设计方位轴装置用于调节太阳能面板高度角度，其结构的组成是已蜗轮蜗杆为核心传动构件的结构，其它的是步进电机两个轴的轴承，外壳和端盖。其运动的原理是步进电机带动蜗杆做旋转运动，蜗轮蜗杆传动，外壳下端有四个螺栓孔连接水平轴装置，涡轮两侧轴端连接太阳能面板下的大梁端面，因此高度轴的回转运动控制着面板的高度轴方向的调节。因为是水平蜗轮蜗杆减速装置，其径向承载着整个上端结构的重量。在设计过程中也要考虑到装置的稳定性，能够有足够的承载，运转的稳定性。装置的外观图和内部透视图如图14所示。(a)整体外观图(b)透视图图14蜗轮蜗杆减速器三维模型图2.2.1高度角蜗轮蜗杆的设计竖立蜗轮蜗杆装置在支撑和承载与竖立蜗轮蜗杆装置在同一范围，在简化设计工作的原则下，采用和竖立蜗轮蜗杆装置相同的蜗轮蜗杆的基本数据，其中包括选定蜗轮蜗杆类型、精度等级、材料及齿数。表2蜗轮蜗杆参数参数蜗杆涡轮齿数182模数88传动比3131分度圆直径80248齿顶圆26499.2齿根圆228.864导程角5°42′36″5°42′36″压力角20°20°旋向右旋右旋图15高度角蜗轮蜗杆2.2.2涡轮轴承的选用该轴承根据工作条件的要求决定选用32040圆锥滚子轴承，粗略计算轴向载荷为Fa=3000N，径向载荷为Fr=3000N轴承转速n=100r/min。使用寿命为e=0.4,Y=1。1.计算轴承支反力水平支反力RH1=1500N垂直支反力RV1=1500N合成支反力R1R2计算轴承派生轴向力SS2S2轴向载荷A当量动载荷x1=1y1=1.5P1P21.轴承寿命的计算因为P1=P2，取PLh=10即高于预计寿命。图1532040圆锥滚子轴承2.2.3蜗杆轴承的选用竖立蜗轮蜗杆装置在支撑和承载与水平蜗轮蜗杆装置在同一范围，在简化设计工作的原则下，采用和竖立蜗轮蜗杆装置相同的蜗轮蜗杆的基本数据，其中包括选定蜗轮蜗杆类型、精度等级、材料及齿数。因此采用和水平蜗轮蜗杆装置的蜗杆配套轴承，选用30211圆锥滚子轴承。2.2.4高度轴装置的外壳设计装置的外壳是用于支撑和固定轮系零件并且保证传动件的传动精度和良好的稳定性，材料为铸铁，上端以左右各以12个M10螺栓孔连接轴承端盖，下端4个M20螺栓孔连接俯仰角回转装置。如图16所示。图16高度轴装置的外壳2.4太阳能面板支架的设计太阳能面板支架用于连接固定回转装置与太阳能面板的中间结构，承载着太阳能面板的所有重量，并且在装置在做回转运动时有工作冲击与振动，还有室外环境的考验，因此在设计时保证太阳能面板支架结构的可靠性十分重要。由于左右支架结构呈对称设计，各个零部件一样，所以举左侧结构展示，如图17所示。图17太阳能面板支架①太阳能面板；②c型结构梁；③方型支撑杆；④大梁；⑤大梁下固定挡板；⑥c型梁卡扣。2.4.1大支撑梁的设计大梁用于连接固定回转装置与太阳能面板的中间结构，承载着太阳能面板的所有重量，并且在装置在做回转运动时有工作冲击与振动，还有室外环境的考验，因此在设计时保证大梁的可靠性尤为重要。大梁的形状横截面为正方形的柱体，材料为铝合金，整体尺寸为170mm×170mm×14000mm,厚度为5mm，连接装置端有M16螺栓打孔，端部加固5mm围墙，每面各一个的四个厚度5mm。如图18所示。（a）整体图（b）端面图图18大支撑梁2.4.2小支撑梁的选用小支撑梁用于连接固定大梁与太阳能面板的中间结构，承载着部分太阳能面板的重量，在装置在做回转运动时起支撑的重要作用。选用c型结构梁，材料为铝合金，截面为厚度1.5mmc型结构梁，整体尺寸为52mm×41mm×1600mm。如图19所示。（a）整体图（b）端面图图19小支撑梁2.4.3大梁与小梁的连接件连接件在结构中起连接和支撑的功能，所占的角色十分重要，所有在设计时在结构和选材上都优选强度够用的。材料都为铝合金。如图20所示。（c型梁卡扣）