畢業(yè)設(shè)計（論文）-太陽能追蹤裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖書分類號：密 級： 畢業(yè)設(shè)計(論文)太陽能追蹤裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計THE STRUCTURE DESIGN OF SOLAR TRACKING DEVICES XXX畢業(yè)設(shè)計(論文)XXX學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名： 日期： XXX學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解XXX關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸XXX所擁有。XXX有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本影本和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。XXX可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要我們現(xiàn)在使用的能源大部分是煤炭等化石能源。但是隨著時間的增長，天然氣、煤炭、石油是非再生能源，瀕臨枯竭。而且會產(chǎn)生環(huán)境污染的問題，當(dāng)我們面臨這種狀況時，我們更應(yīng)該開發(fā)并使用可再生資源。太陽作為自然界的一種天然可再生能源，它的優(yōu)秀特點有：散布領(lǐng)域廣、儲量無限以及清潔沒有污染，它的開發(fā)和利用已經(jīng)成為再生資源的開發(fā)的熱點，是人類最為理想的替代品。其中最為重要的問題是我們怎么樣才能快速地提高太陽能使用效率。當(dāng)太陽能效率的提高后我國能源利用也會相應(yīng)的受到影響，它對我國的可持續(xù)發(fā)展有很大的作用，也對資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的形成有很大的幫助。當(dāng)我看到太陽能利用效率時，我就覺得這個設(shè)計應(yīng)該選擇太陽能自動跟蹤裝置，使得太陽能板能夠時刻對著太陽光線，讓這個跟蹤裝置最大限度的發(fā)揮太陽能的作用。這個裝置是由一個名為單片機控制的自動跟蹤系統(tǒng)，在考慮了某一個地方的經(jīng)緯度或者光照強度等因素后，單片機會輸出控制系統(tǒng)的一些相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣一來就可以控制電動機，與此同時也是由機械傳動機構(gòu)來讓太陽能電池板能夠?qū)μ柟膺M行自動追蹤的目的。并且對該系統(tǒng)采用二維跟蹤方式，以實現(xiàn)太陽能電池板東西方向和南北方向共同調(diào)整跟蹤，從而使利用效率更高、跟蹤精度更高。 關(guān)鍵字： 太陽能 ；自動跟蹤 ；步進電機 ；二維運動。AbstractThe energy we use today is mostly fossil energy, such as coal. But with the increase of time, natural gas, coal, oil is non renewable energy, the verge of exhaustion. And the problem of environmental pollution, in which the development of renewable energy becomes more and more important. Sun as the nature of a kind of natural renewable energy, its outstanding features are: the scattered fields, unlimited reserves and clean without pollution, its development and use has become the hotspot in regenerative resources development, is the ideal substitute for human beings.How to make the use of solar energy efficiency rapid and rapid growth has become the top priority of all issues. The improvement of solar energy efficiency will directly affect the energy utilization of our country, and directly affect the sustainable development of our country and have a lot of significance for the construction of the resource-saving and environment-friendly society. Taking into account the utilization efficiency of solar energy, this design choice for solar automatic tracking device, the solar panels can constantly facing the sun light, let this tracking device to maximize the use of solar energy. The device is controlled by a single chip microcomputer automatic tracking system by latitude and longitude consider somewhere, light according to such factors as the strength, system is controlled by the microcontroller output data to control the motor and through a mechanical transmission mechanism to make solar panels to the sunlight automatic tracking purposes. And the system uses the two-dimensional tracking mode, in order to achieve the solar panel and the direction of the east-west direction and the direction of the common tracking, so that the use of higher efficiency, higher tracking accuracy.Key words：solar energy automatic track stepping motor two-dimensional movement.II目 錄摘要IAbstractII目 錄11緒論11.1概述11.1.1能源使用的狀況及未來發(fā)展情況11.1.2太陽能利用背景及意義11.2太陽能裝置在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢21.3論文研究內(nèi)容22 太陽能自動追蹤裝置的設(shè)計方案32.1 太陽圍繞地轉(zhuǎn)動的規(guī)律32.1.1地平坐標系32.1.2赤道坐標系32.1.3太陽位置的確定42.2 太陽能自動跟蹤裝置性能分析52.3 太陽能跟蹤方式的比較和選擇52.3.1 跟蹤方式的比較62.3.2 本課題跟蹤方式的選用72.4本章小結(jié)73 機械設(shè)計部分83.1 太陽能電池板及收放裝置83.1.1太陽能電池板的設(shè)計 83.1.2電池板收放裝置的設(shè)計93.2 行星輪減速器的設(shè)計103.2.1齒形及精度103.2.2齒輪材料及性能103.2.3傳動比分配113.2.4 第一級行星輪系設(shè)計113.2.5第二級行星輪系部分設(shè)計計算153.2.6 軸上部件的設(shè)計計算與校核203.3 水平方向角跟蹤裝置的設(shè)計233.3.1 蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計233.4 俯仰角調(diào)節(jié)的裝置設(shè)計313.5電機的選擇323.5.1步進電動機323.5.2步進電機的主要特性333.5.3步進電機的選擇343.6 底座的設(shè)計343.7 本章小結(jié)354 結(jié)論364.1總結(jié)364.2展望36致謝37參考文獻3821緒論1.1概述1.1.1能源使用的狀況及未來發(fā)展情況能源是我們現(xiàn)在也是祖先、子孫后代生存和發(fā)展中不可缺少的基礎(chǔ)，我們也可以這樣理解，現(xiàn)在展現(xiàn)在我們面前的這樣一個文明社會的形成與能源有緊密的聯(lián)系。如今像天然氣、石油這種礦物燃料已經(jīng)被很多國家使用，并將它們作為主要能源。由于化石燃料變得越來越少加上全世界環(huán)境變差，世界各國人民越來越重視開發(fā)可循環(huán)再生能源和綠色新能源這項工作。在以后可以預(yù)想到的很長時間中，天然氣、石油、煤炭等一些礦石燃料仍然會在以后的生活中被人類主要使用，然而隨著人們對風(fēng)、太陽、地?zé)?、潮汐等一系列可再生能源的開發(fā)和利用的越來越重視，所以在整個能源消耗中這一系列的綠色可再生能源所占的比重也變得越來越多。根據(jù)相關(guān)資料可以統(tǒng)計出在二十世紀九十年代的時候，全世界每年風(fēng)力所發(fā)電的增長量為百分之二十七左右，太陽能所發(fā)的電內(nèi)能增長百分之二十左右，與此同時例如煤炭、石油等化石燃料每年發(fā)電的增長量卻僅有1.2%，通過這些數(shù)據(jù)資料我們也可以猜測在以后的幾年中，綠色可再生能源在未來能源的使用比重的加大，它們和化石燃料使用機會的次數(shù)有很強的競爭性，因此也有利于結(jié)束大量使用化石燃料的局面。因此，相比這種不可再生并且會對我們的環(huán)境帶來很大壓力的化石能源，太陽能這種取之不盡、綠色環(huán)保、并對環(huán)境無污染的新能源讓人們看到了一個充滿希望、充滿正能量的未來世界。1.1.2太陽能利用背景及意義作為新能源中的一種，太陽能和一般能源相比較有三個特點：第一，它不會像煤炭一樣有用光的時候，是再生能源；第二，太陽可以照射到地球的每一個角落，太陽能的利用很便捷，在任何有太陽的地方都可以將其開發(fā)利用，完全不用擔(dān)心關(guān)于運輸商的問題，所以對那些偏遠地區(qū)或者交通不便的地方來說太陽能利用的價值尤為重大；第三，太陽能綠色環(huán)保沒有污染?，F(xiàn)在的光熱轉(zhuǎn)換、光化轉(zhuǎn)換以及光電轉(zhuǎn)換是太陽能主要能運用到的三個技術(shù)領(lǐng)域。因為能源稀少，環(huán)境污染，溫室效應(yīng)，人類對于再生能源的需求，在石化原料即將耗盡的同時倍受重視。太陽能是個極好的替代能源，因為每天太陽投射到地球表面的能量極大，甚至超過地球所需的一萬倍。開發(fā)和研究太陽能追蹤系統(tǒng)對太陽能電池板發(fā)電效率方面有了很大的提高，達到了低成本、高精度、使用靈活、運行穩(wěn)定的效果。為大規(guī)模使用太陽能發(fā)電，合理利用能源進行了有益探索。（權(quán)威試驗測定，在同樣的狀況下，固定式太陽能發(fā)電設(shè)備發(fā)電量比只能追蹤系統(tǒng)的太陽能發(fā)電設(shè)備低35%）1.2太陽能裝置在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢 世界上開發(fā)利用太陽能最成功最廣泛的國家是日本，日本也毫無例外的成為了太陽能應(yīng)用的最強者。當(dāng)太陽能技術(shù)得到了不斷地發(fā)展后，能量運用的轉(zhuǎn)換率也會毋庸置疑的得到相應(yīng)的提高，最最讓人感到欣慰的是，在所有的新能源中太陽能的成本最低。到1997年為止，德國政府在1990年推出的“一千屋頂計劃”已經(jīng)完成了將近萬套，其中每套屋頂?shù)娜萘渴?5千瓦，這樣算下來他們的累積安裝量差不多為3.3萬千瓦。美國太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了相對比較完備的生產(chǎn)體系，在這個體系中包括多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)及發(fā)電系統(tǒng)制造。在2005年，美國光伏發(fā)電總?cè)萘渴侨澜绲牡谌_到了100萬千瓦時，排在美國前兩個國家分別是日本和德國。1998年的時候意大利總投入5500億里拉開始實行總?cè)萘窟_5萬千瓦的“全國太陽能屋頂計劃”，并且在2002年完成。1997年12月的時候，印度就宣布了他們會在2002年之前推廣太陽能屋頂系統(tǒng)，數(shù)量會達到150萬套。法國將每年將投入3000萬法郎資金來實行一個一個已經(jīng)被批準的太陽能利用計劃，這個計劃名為“太陽神2006”。中國研制了一個關(guān)于太陽能跟蹤方面的跟蹤器，名為單軸太陽跟蹤器，單軸太陽跟蹤器是通過自動追蹤東西方向及手動調(diào)節(jié)南北方向的這個方法來增長接收器的接受效率的。最近幾年中國不少研究這方面的專家、學(xué)者對太陽能跟蹤方面進行了更加深入的研究，并且退出來太陽自動跟蹤系統(tǒng)，其中能夠完成單向追蹤的一種跟蹤器是1994年太陽能雜志介紹單軸液壓自動跟蹤器。當(dāng)前，光電追蹤方式和根據(jù)視日運動軌跡追蹤方式是在太陽追蹤系統(tǒng)實現(xiàn)追蹤太陽的方法中尤為突出的兩種方式光電追蹤方式是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，而根據(jù)視日運動軌跡追蹤方式是開環(huán)的程控系統(tǒng)。1.3論文研究內(nèi)容（1）通過查找文獻來觀察、考慮并且分析太陽的運行規(guī)律，而且也可以結(jié)合國內(nèi)外的幾種不同方法來看從而提出一些相對比較合理的跟蹤方法，完成以上幾步之后就可以設(shè)計跟蹤裝置了；（2）廣泛的查閱太陽能追蹤裝置的相關(guān)文獻，根據(jù)追蹤裝置的特點，整理、分、比對太陽能跟蹤裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理或者是外觀形象等，確定太陽追蹤裝置的最終設(shè)計方法；（3）計算方位角回轉(zhuǎn)機構(gòu)，俯仰角調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)的尺寸，對齒輪，連接軸關(guān)鍵零部件進行強度計算和校核,研究機械系統(tǒng)、驅(qū)動裝置等部分相關(guān)問題，查找文獻理解工作原理，給出解決方案；（4）根據(jù)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，使用proe、wildfire進行三維設(shè)計；2 太陽能自動追蹤裝置的設(shè)計方案。3 機械設(shè)計部分3.1 太陽能電池板及收放裝置 3.1.1太陽能電池板的設(shè)計 如圖3.1所示，太陽能電池板分類：晶體硅電池板分為多晶硅和單晶硅太陽能電池；非晶硅電池板分為薄膜和有機太陽能電池；化學(xué)染料電池板有染料敏化太陽能電池。 圖3.1 太陽能電池板太陽能電池板發(fā)電系統(tǒng)：（1）離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（2）并網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)（3）分布式發(fā)電系統(tǒng)。離網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)的組成部分：太陽能電池組件、控制器、蓄電池（如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器），分布式發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜組成，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，所發(fā)的電能由電網(wǎng)調(diào)配發(fā)往各用戶。但這種電站投入資金大、建設(shè)時間長、占地面積大，還沒有太大發(fā)展。分散式小型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是并網(wǎng)發(fā)電的主要發(fā)電系統(tǒng)。分布式發(fā)電系統(tǒng)是指在用電現(xiàn)場或者周圍極小的范圍內(nèi)配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，以滿足特定用戶的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。 太陽能電池板材料：目前，晶體硅材料是最主要的光伏材料，市場中九成以上在使用,而且在以后很長一段時間太陽能電池的主要材料會是晶體硅。單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是所有太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換率最高的，能達到24%，但制作成本太大了，所以它還不能被廣泛的使用。單晶的使用壽命能高達25年是因為用鋼化玻璃和防水樹脂進行封裝，從而堅固耐用。多晶硅太陽電池和單晶硅太陽電池的制作工藝都差不多，但是多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率卻只有12%，比單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換率小很多。不過從制作成本上來講，多晶硅比單晶硅太陽能電池要便宜一些，并且考慮到在制造時材料方面比較簡便，節(jié)省了各種能源消耗，總體成本都比較少，所以多晶硅的發(fā)展比較廣。太陽能電池板原理：太陽電池就是利用"光伏效應(yīng)”（光電轉(zhuǎn)換）制成的。太陽能的光電轉(zhuǎn)換就是太陽的輻射能通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。要產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率，就要把一個個電池元件串聯(lián)或者并聯(lián)起來。太陽能發(fā)電有以下幾種途徑：第一個是通過光熱電轉(zhuǎn)換這種方法：在這種方法中發(fā)電通過太陽光照射的熱能來產(chǎn)生的，一般情況下都是蒸汽是由太陽能集熱器吸收的熱能轉(zhuǎn)換而來的，這是一種用蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電。上面所說的第一個方法是將光轉(zhuǎn)換成熱；第二種方法是將熱變?yōu)殡?，像平常的那種火力發(fā)電一樣，但是將太陽能熱發(fā)電的這種方法的最不足的一個地方就是它的效率低但是它所要用到的金額卻很高。第二個方法是通過光電直接轉(zhuǎn)換的方法：這種方式中所涉及到的一個方面是光電效應(yīng)，它把太陽的輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，而在光能電能轉(zhuǎn)換中最為原始的一個裝置就是太陽能電池。太陽能電池是的一個最能體現(xiàn)他本質(zhì)的功能是將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，并且它是一個半導(dǎo)體光電二極管，太陽能電池是這樣產(chǎn)生電流的：一旦太陽光直接照射到光電二極管上的時候，這個裝置中的光電二極管就會把我們?nèi)粘Ｋ姷奶柕墓饽茏兂呻娔?。輸出功率相對比較大的太陽能電池組是由許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來而成的。3.1.2電池板收放裝置的設(shè)計本次設(shè)計中使用的太陽能電池板由兩塊m2和一塊m2的電池板組成，如圖3-2所示。圖3-2太陽能電池板 如果太陽能板完全伸展開，太陽能電池板所形成的面積比較大，當(dāng)它碰到大風(fēng)或者是雷雨等天氣狀況非常不好的情況下，電池板所受到的風(fēng)力等一系列的力會相對比較大，這一整套跟蹤裝置也會因為這樣或那樣的自然原因變得非常脆弱，很容易受到破壞整個跟。為了減小惡劣天氣下的受力面積，起到保護太陽能電池板的作用，我們采用收放裝置實現(xiàn)兩側(cè)兩塊板的自由收放。為了實現(xiàn)收放功能，兩側(cè)的太陽能電池板要比中間電池板低一些，在兩側(cè)板上裝上滑輪，相應(yīng)的在支架上設(shè)置有軌道。在整個支架的下方裝上絲桿通過減速器與步進電機相連接。該絲桿兩端螺紋的旋向相反，在絲杠轉(zhuǎn)動的時候，兩側(cè)的電池板可以實現(xiàn)同步同速率但方向相反的伸展或者收縮運動，以實現(xiàn)電池板的收放功能。圖3-2電池板收放裝置如圖3-2所示為電池板收放功能裝置。步進電機通過減速器將動力傳到絲桿上，絲桿的兩側(cè)與電池板相連接。由于絲桿的選項是相反的，所以絲桿在轉(zhuǎn)動的時候可以實現(xiàn)兩側(cè)板的同時同速率反向的運動。為了使減速器在相同減速比的條件下結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小其尺寸，所以在此採用兩級行星輪減速器。3.2 行星輪減速器的設(shè)計3.2.1齒形及精度3.2.2齒輪材料及性能高速級太陽輪和行星輪采用硬齒面，以提高承載能力，減低尺寸，內(nèi)齒輪用軟齒面。高速級部分采用軟齒面。兩級材料性能如表3-1。疲勞極限Hlim 和Flim 查書選取，行星輪的Flim 是乘以0.7后的數(shù)值。表3-1 齒輪材料及性能3.2.3傳動比分配根據(jù)傳動要求分配第級與第級的傳動比，第級傳動比i=5,第二級傳動比i=43.2.4 第一級行星輪系設(shè)計（1）配齒數(shù) （2）按彎強度曲初算模數(shù)m因為取和中的較小值=則=292.25N/mm則齒數(shù)模數(shù)的出算公式為：查書取模數(shù)m=1.26mm.計算出第一級各齒輪的基本參數(shù)如下表所示：表3-2 第一級行星輪系基本幾何尺寸 單位：mm（3）進行接觸和彎曲疲勞強度校核計算表3-3 接觸強度有關(guān)系數(shù)齒輪疲勞強度校核外嚙合查書計算接觸應(yīng)力,用式6-21計算其需用應(yīng)力,式中的參數(shù)和數(shù)值如表3-4表3-4外嚙合接觸強度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)代號名稱說明取值使用系數(shù)按中等沖擊1.25 動載系數(shù) 6級精度，1.01 齒向載荷分布系數(shù)=0.311.065 齒間載荷分布系數(shù)六級精度1 行星輪間載 荷分布系數(shù)行星架浮動1.20 節(jié)點區(qū)域系數(shù)2.5 彈性系數(shù)189.8 重合度系數(shù)0.90 螺旋角系數(shù)直齒，=01 分度圓上切向力 685.7Nb工作齒寬17 u 齒數(shù)比1.526壽命系數(shù)按工作15年，每年工作300天，每天12小時計算 ，按HRC=60,v=0.9571 潤滑油系數(shù) 1.03速度系數(shù) 0.95粗超度最小安全系數(shù)1.01工作硬化系數(shù)內(nèi)齒輪均為硬齒面1尺寸系數(shù)1 最小安全系數(shù)按高可靠度1.25接觸應(yīng)力基本值接觸應(yīng)力許用接觸應(yīng)力: / =故,接觸強度通過齒根彎曲疲勞強度齒根彎曲疲勞應(yīng)力及許用應(yīng)力計算并分別對太陽輪和行星輪進行校核。各項參數(shù)如表3-5表3-5 外嚙合齒根彎曲強度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)代號名稱說明取值齒向載荷分布系數(shù) 1.054齒間載荷分布系數(shù)1行星輪載荷分布系數(shù)1.3太陽輪齒形分配敘述x=0,z=192.84行星輪齒形分布系數(shù)x=0,2.54太陽輪應(yīng)力修正系數(shù)1.57太陽輪應(yīng)力修正系數(shù)1.72重合度系數(shù)0.72彎曲壽命能夠系數(shù)N>31試驗齒輪應(yīng)力修正系數(shù)按所給區(qū)域圖取2太陽輪齒根圓角敏感系數(shù)0.96行星齒輪齒根圓角敏感系數(shù)0.97齒根表面形狀系數(shù)1.045最小安全系數(shù)按高可靠度1.6太陽輪： 彎曲應(yīng)力基本值： 彎曲應(yīng)力： =.Y=故<, 彎曲強度通過 行星輪 =/bm=103.79N/mm=./ =.=故<,彎曲強度通過內(nèi)嚙合 齒輪接觸疲勞強度、計算，其中與外齧合取值，不同的參數(shù)為u=77/29=2.655 , =0.87, =1.03,=0.97, =1.11=.Z=mm故 <齒根彎曲疲勞強度只需計算內(nèi)齒輪，其中取值與外嚙合不同的系數(shù)：，=0.683 = 1.02 =1.045 =/ =故<,彎曲強度通過3.2.5第二級行星輪系部分設(shè)計計算（1）配齒數(shù)查機械設(shè)計手冊表17.2-4，配齒結(jié)果：Za=28， Z=27，Z=82, i=3.9286（2）按彎曲強度初算模數(shù)m因為取和中的較小值=則=293.25N/mm則齒數(shù)模數(shù)的出算公式為：查書取模數(shù)m=1.5mm.則第二級各齒輪的基本參數(shù)如下表示：表3-6 第二級行星輪系基本幾何尺寸 單位：mm（3）進行接觸和彎曲疲勞強度校核計算表3-7 接觸強度有關(guān)系數(shù)齒輪疲勞強度校核外齧合表3-8外嚙合接觸強度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)代號名稱說明取值使用系數(shù)按中等沖擊1.25 動載系數(shù) 6級精度，1.01 齒向載荷分布系數(shù)=0.311.065 齒間載荷分布系數(shù)六級精度1 行星輪間載 荷分布系數(shù)行星架浮動1.20 節(jié)點區(qū)域系數(shù)2.5 彈性系數(shù)189.8 重合度系數(shù)0.90 螺旋角系數(shù)直齒，=01 分度圓上切向力 1547Nb工作齒寬30u齒數(shù)比 0.96壽命系數(shù)按工作15年，每年工作300天，每天12小時計算 ，按HRC=60,v=0.9571 潤滑油系數(shù) 1.03速度系數(shù) 0.95粗超度最小安全系數(shù)1.01工作硬化系數(shù)內(nèi)齒輪均為硬齒面1尺寸系數(shù)1 最小安全系數(shù)按高可靠度1.25接觸應(yīng)力基本值接觸應(yīng)力許用接觸應(yīng)力: / =故,接觸強度通過齒根彎曲疲勞強度齒根彎曲疲勞應(yīng)力及許用應(yīng)力計算并分別對太陽輪和行星輪進行校核。各項參數(shù)如表3-9：表3-9 外嚙合齒根彎曲強度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)代號名稱說明取值齒向載荷分布系數(shù) 1.054齒間載荷分布系數(shù)1行星輪載荷分布系數(shù)1.3太陽輪齒形分配敘述x=0,z=19,查6-252.84行星輪齒形分布系數(shù)x=0,2.54太陽輪應(yīng)力修正系數(shù)1.57太陽輪應(yīng)力修正系數(shù)1.72重合度系數(shù)0.72彎曲壽命能夠系數(shù)N>31試驗齒輪應(yīng)力修正系數(shù)按所給區(qū)域圖取2太陽輪齒根圓角敏感系數(shù)0.96行星齒輪齒根圓角敏感系數(shù)0.97齒根表面形狀系數(shù)1.045最小安全系數(shù)按高可靠度1.6太陽輪： 彎曲應(yīng)力基本值： =彎曲應(yīng)力： =.Y=故<, 彎曲強度通過行星輪 =./bm=N/mm=./ =.=故<,彎曲強度通過內(nèi)嚙合 齒輪接觸疲勞強度、計算，其中與外嚙合取值，不同的參數(shù)為u=82/27=3.04 ,=0.87, =1.03,=0.97, =1.11=.Z =mm故 <齒根彎曲疲勞強度只需計算內(nèi)齒輪其中取值與外嚙合不同的系數(shù)：，=0.683 = 1.02 =1.045 = =.= =./ = 故<,彎曲強度通過表3-10 行星輪系各齒輪幾何參數(shù)匯總3.2.6 軸上部件的設(shè)計計算與校核（1）軸的計算電動機轉(zhuǎn)矩輸入軸3.確定軸的最小直徑選取軸的材料為45號鋼,調(diào)質(zhì)處理取,于是得 圖3-3輸出軸的簡圖第一級行星輪軸的設(shè)計與校核 第二級太陽輪軸的設(shè)計與校核 圖3-4 第二級太陽輪軸的結(jié)構(gòu)第二級行星輪軸的設(shè)計與校核 行星輪減速器的輸出軸的設(shè)計與校核圖3-5 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.3 水平方向角跟蹤裝置的設(shè)計 3.3.1 蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計取推力圓柱磙子軸承的摩擦系數(shù)為0.004，所以步進電機要克服的摩擦力為F=11.2N，要克服的摩擦阻力距為Mf=560N.mm=0.56N.m，考慮超載情況等，將要克服的摩擦阻力距擴大二倍得 旋轉(zhuǎn)立柱需要克服的摩擦阻力距為，所以電機輸出的最小轉(zhuǎn)矩應(yīng)該為 蝸輪蝸桿的基本數(shù)據(jù)傳動零件的設(shè)計計算3) 蝸桿的頭數(shù)，渦輪的齒數(shù)為，傳動比為，模數(shù)為，無變位系數(shù)，導(dǎo)程角為 確定許用應(yīng)力渦輪許用接觸應(yīng)力 渦輪許用彎曲應(yīng)力 其中查機械設(shè)計手冊表16.5-14，有 查機械設(shè)計手冊圖16.5-4得 則許用接觸應(yīng)力 許用彎曲應(yīng)力 =70N/ 齒面接觸疲勞強度校核查機械設(shè)計手冊表16.5，齒面接觸強度驗算公式查表16.5中,有 查表16.5使用系數(shù) 載荷分布系數(shù) 載荷系數(shù) 渦輪克服的摩擦阻力距為將上述數(shù)據(jù)代入齒面接觸強度驗算公式所以齒面接觸強度校核通過。渦輪齒根彎曲強度校核查機械設(shè)計手冊表16.5，得驗算公式 則 查機械設(shè)計手冊圖 16.5，得渦輪齒根彎曲強度校核通過蝸桿幾何尺寸計算渦輪幾何尺寸計算 表3-11 蝸輪蝸桿的基本參數(shù)蝸輪軸的設(shè)計與計算渦輪軸上的阻力距為 初步確定軸的最小直徑選取軸的材料為45號鋼,調(diào)質(zhì)處理 取,于是得 渦輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3-6 渦輪軸的結(jié)構(gòu)校核軸的強度圖3-7 渦輪軸的校核A) 軸的計算簡圖，3-7（a）。B) 水平面內(nèi)彎矩，3-7（b）。兩支承端的約束反力為截面C處的彎矩為C) 垂直面內(nèi)彎矩圖，3-7（c） 兩支承端的約束反力為截面C左側(cè)的彎矩為D) 合成彎矩圖，3-7（d）。截面C左側(cè)的合成彎矩為截面C右側(cè)的合成彎矩為E) 扭矩圖，3-7（e）。蝸輪與聯(lián)軸器之間的扭矩為F) 當(dāng)量彎矩圖，3-7（f）。由公式 可得 渦輪軸承的選擇計算查機械設(shè)計手冊，圓錐磙子軸承30212的主要性能：， 計算軸承支反力圖3.8水平支反力：，垂直支反力：，合成支反力：3）計算軸承所受的當(dāng)量動載荷軸承工作時有中等沖擊，由表得載荷系數(shù)當(dāng)量動載荷計算公式： 因 查表10.5 所以： 因 查表得，所以： 蝸桿軸承的校核及計算查機械設(shè)計手冊，圓錐磙子軸承30207的主要性能：，1）計算軸承支反力圖3.9水平支反力：，垂直支反力：，合成支反力：4）計算軸承所受的當(dāng)量動載荷軸承工作時有中等沖擊，載荷系數(shù)當(dāng)量動載荷計算公式：因 所以： 因 查表得，所以： 所以： 3.4 俯仰角調(diào)節(jié)的裝置設(shè)計風(fēng)力對電池板產(chǎn)生的扭矩為：風(fēng)載荷作用于電池板的正壓力為： 3.5電機的選擇3.5.1步進電動機在一些專家以前的研究中可以知道步進電機和伺服電機兩者中步進電機比較簡單，所以這個裝置我們就可以決定用步進電機來使齒輪傳動起來，步進電機是通過轉(zhuǎn)換脈沖信號的一定角位信號，從而可以讓它本身可以轉(zhuǎn)動一定的角度。所以，當(dāng)科學(xué)家們了解到它的這個性質(zhì)以后就覺得步進電動機其實特別適合運動單片機來控制，這一系列的觀察研究都為步進電動機的發(fā)展提供了一個非常好的前提基礎(chǔ)，與此同時也讓我們發(fā)現(xiàn)它在以后生活中的良好應(yīng)用前景。3.5.2步進電機的主要特性1.步距角當(dāng)我們查閱一些相關(guān)資料后可以發(fā)現(xiàn)，步進角指的是電機轉(zhuǎn)子在電脈沖信號的作用下電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。步進角大小其實最終是由電機的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和決定的。在日常的應(yīng)用中我們最常用的一種步進電機是混合式步進電機，混合式步進電機是一種擁有相步，并且它的步距角為的步進電機，如果我們要選擇步進電機，那么步距角的大小是由對負載精度的要求直接決定的。當(dāng)我們把一個負載的最小解析度放到電機的軸上面時，我們只要經(jīng)過一系列的測量就可以知道，其實每個當(dāng)量電機運行的角度必定是大于或者等于步進電機的步距角。2.矩角特性我們把不改變各相繞組的通電的現(xiàn)象稱為矩角特性，換一句話就是說當(dāng)一相或幾相繞組同時被通入直流電流時，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間所產(chǎn)生的一系列關(guān)系。3.回應(yīng)頻率在研究實踐中我們可以知道，在某一個固定的頻率范圍內(nèi)，步進電機是可以根據(jù)自己做的節(jié)奏任意的運動卻又可以做到?jīng)]有失誤，由此我們就可以將這個我們認為的最大臨界頻率稱為步進電機的回應(yīng)頻率。在通常情況下，我們都會把啟動頻率f來當(dāng)做一個度量它的模板。也可以用來展現(xiàn)我們已經(jīng)知道一個明確的負載情況下，開始直接的啟動時，并且能夠做到讓電機完全沒有失誤情況發(fā)生的極限頻率。4.啟動矩頻特性當(dāng)我們已經(jīng)知道設(shè)定的驅(qū)動條件的情況下，要是負載的慣量永遠維持在一個值時，那么在這樣一種情況下我們就能夠把負載轉(zhuǎn)矩和啟動頻率之間的關(guān)系稱為牽入特性。3.5.3步進電機的選擇步進電機選擇我們在粗略估算的一些數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，在步進電機1所要用到的最大靜力矩應(yīng)該要小于，因此，這里我們確定為混合式步進電機。型號 電壓 （V） 電流 （A） 電阻（） 最大靜力矩（N.cm）機身長（mm） 輸出軸直徑（mm）轉(zhuǎn)動慣量（g.cm2）重量（kg）接線圖57BYGH1001531.4200100101.56504.6表3-12 57BYGH1001混合式步進電機圖3.10步進電機示意圖3.6 底座的設(shè)計 底座材料選用45鋼，底座必須要有足夠的支撐強度，同時也要滿足盡可能節(jié)省材料，所以，選擇用焊接法組合底座，設(shè)計結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3.113.7 本章小結(jié) 4 結(jié)論4.1總結(jié)本文設(shè)計的主要內(nèi)容是控制太陽能光電轉(zhuǎn)換的自動跟蹤裝置，太陽能電池板準確追蹤太陽光線這件事得以圓滿完成，主要內(nèi)容有：(1)上面我們分析了一系列有關(guān)于能源的方方面面的問題，并且通過此次分析認識到開發(fā)和利用太陽能是一項極為嚴峻的任務(wù)，以上還仔仔細細的解說了一些國內(nèi)外太陽能的使用概況；(2)當(dāng)我們認認真真的觀察分析一樣的運動規(guī)律后，我們就可以知道太陽的位置，比較裝置所需要的性能指標，最終對其運行軌跡進行追蹤的方式是雙軸跟蹤的太陽能跟蹤方式；(3)傳動機構(gòu)的選型，關(guān)于兩種齒輪嚙合的一些計算，各種方面強度的校核，軸的選擇計算等，以及步進電機的選擇與確定都包含咋愛追蹤系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中；(4)追蹤裝置的整個模型有一個比較完整的輪廓，并關(guān)于這個追蹤裝置模型的裝配圖及零件圖都要繪制完成。4.2展望然而因為在這個系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)上有較高的要求，而且研究課題的時間不是那么充足，并且本人能力上的不足之處，所以在這個方面還存在著很多的缺陷：(1)更加完善功能方面：設(shè)計報警裝置在本系統(tǒng)中沒有，如果系統(tǒng)發(fā)生了故障，就不能很快速的做出報警動作，這樣也會對系統(tǒng)的追蹤質(zhì)量產(chǎn)生影響。(2)在陰天的時候是不能準確追蹤的。(3)因為時時的追隨方式并沒有運用到太陽高度角和方位角的跟蹤上，所以在每一次記錄中都會有一個時間段，以至于在某種程度上來說太陽能的利用率是相對會有所減少的。太陽能自動追蹤系統(tǒng)已經(jīng)因為解決能源危機這個重大事項而成為世界范圍內(nèi)的研究重點。經(jīng)過研究之后，本人在一定程度上對其有了充分的了解，并且相信到很多年很多年以后太陽能將會被人類廣泛地運用。因此太陽能自動追蹤系統(tǒng)這項研究對我們?nèi)祟惿鐣碚f是非常重要的。希望能研究出更好性能、更高精度、更低成本的太陽自動追蹤系統(tǒng)。致謝參考文獻1 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