立柱式跟踪太阳光伏发电装置设计

第 1 页1. 绪论：1.1 课题背景能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作 [1] 。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计 [2] ， 20世纪 90 年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长 l%，而太阳能发电每年增长达 20%，风力发电的年增长率更是高达 26%。 预计在未来 5 至 10 年内， 可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。1.2 太阳能利用的国内外发展现状日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太阳热能的利用， [12] 从 1979 年第二次石油危机后开始， 1990 年进入普及高峰。 太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。从 2000 年起，日本太阳能发电量一直居世界首位， 2003 年太阳能发电装机容量约为 86 万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的 49.1%，并计划到 2010 年达到 482 万千瓦，增加约 6 倍。德国对太阳能资源的利用可追溯到 20 世纪 70 年代， 现在德国已经在太阳能系统的开发、 生产、 规划和安装等方面积累了大量经验， 发明了一系列高效的太阳能系统。 1990年德国政府推出了“一千屋顶计划” [13] ，至 1997 年已完成近万套屋顶系统，每套容量 1～ 5 千瓦，累计安装量已达 3.3 万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了 5 倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运第 2 页营。这家太阳能发电厂投资 7000 万欧元，占地 77 万平方米，发电总容量达 12 兆瓦，能为 3500 多个家庭供电。截至 2005 年年底，德国共有 670 万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产 4700 兆瓦的热量。已用 4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约 2.7 亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。 2005 年， 美国光伏发电总容量达到 100 万千瓦， 排在日本和德国之后，居世界第 3 位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材料的研发， 提高太阳能光伏电池的光电转化效率。 目前， 美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到 2015 年， 美国光伏发电成本将从现在的 21～ 40 美分 / 千瓦时降到 6 美分 / 千瓦时，届时，太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到 2050 年后，核能将占第一位，太阳能占第二位， 21 世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视 [14] 。意大利 1998 年开始实行“全国太阳能屋顶计划” ，将于 2002 年完成，总投入 5500亿里拉，总容量达 5 万千瓦。印度也于 1997 年 12 月宣布，将在 2002 年前推广 150 万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神 2006”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入 3000 万法郎资金，到 2006 年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2 万家。我国由建设部制定的《建筑节能“九五”计划和 2010 年规则》中已将太阳能热水系统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速 [15] ， 1997 年销售面积近 300 万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达 1000 余家，年产值 20 亿元。根据我国 1996～ 2020 年太阳能光电 PV（光伏发电） 发展计划， 在 2000 年和 2020 年的太阳能光电总容量将分别达到 6.6 万千瓦和 30万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划 2020 年前建成 5 座 MW级阳光电站。由国家投资 1700 万元修建的西藏第三座太阳能电站——安多光伏电站，总装机容量 100 千瓦，于 1998 年 12 月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。第 3 页1.3 太阳能利用的发展趋势据测算，到 2000 年、 2050 年、 2100 年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为 65.11 万平方公里、 186.79 万平方公里、 829.19 万平方公里。 829.19 万平方公里才占全部海洋面积 2.3 ％或全部沙漠的 51.4 ％，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5 ％ 。因此这一方案是有可能实现的。另一是天上发电方案。早在 1980 年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想， 准备在同步轨道上放一个长 10 公里、宽 5 公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供 500 万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。随着我国技术的发展，在 2006 年，中国有三家企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上太阳能光伏的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需要将技术推广的同时，必须采用新的技术，以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力！2. 太阳能自动跟踪系统总体设计：第 4 页2.1 设计传动原理示意图立柱式太阳光伏发电装置工作示意图如图（ 1）（１）1 - 光源跟踪探测器 ; 2 - 亮度传感器 ;3 - 光电池阵列 ; 4 - 光电池阵列支架 ; 5 - 防尘罩 ; 6 - 垂直旋转轴瓦 ; 7 - 垂直驱动涡杆 ; 8 - 垂直驱动齿轮减速电机 ; 9 - 垂直驱动涡杆 ; 10 - 光电池阵列横担支架 ; 11 - 光电池阵列横担 ; 12 - 平面推力轴承 ; 13 - 水平旋转轴 ; 14 – 联轴器15 – 联轴器 ;16 - 水平驱动蜗轮蜗杆减速电机 ; 17 - 水平驱动减速箱体 ;18 - 整体支撑立柱 ;19 - 控制箱整个装置的整体结构如上图所示，其中有电机 8 带动一组锥齿轮 9 传动，并通过齿轮轴带动蜗杆 7 从而驱动电池组阵列横担上的涡轮，使电池板转动，满足整个装置在垂直方向上的跟踪性能。第 5 页而在水平方向上的传动结构由电机 16 来驱动，电机轴带动减速箱做减速传动，并通过减速轴 3 带动水平驱动蜗杆 15，驱动涡轮 14 做减速减振的转动。涡轮带动轴筒使支撑台和整个电池板转动，以满足水平方向的跟踪要求。另外整个装置的控制有光敏传感器和压力传感器来感知信号传递给控制箱 19， 而控制电机的转动。当光敏传感器感知光照强度后会向控制箱发出信号，来控制电机的转动追踪光源。这个系统采用反馈控制结构，直至电池板以最大功率接受太阳光。当一天结束后即光照强度很弱接近于 0，这时机构会自动感知信号，是整个装置回到原始位置。在初始位置有一限位控制开关， 当轴转动到此处是， 压住开关切断信号， 使电机停止转动，是装置保持在此位置。 （当遇到下雨和阴天的时候我们设定其运动和夜间的运动相同） 。压力传感器是在装置遇到强风时，压力传感器会向控制器传递信号，而使电机驱动整个装置，根据压力传感器的信号调整位置，使其承受的压力最小。2.2 工作原理简述太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用 . 通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术， 光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。光生伏特效应简称为光伏效应， 指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以 P-N结为例说明。当 P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因 P 区产生的光生空穴， N 区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有 P 区的光生电子和 N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向 N区，光生空穴被拉向 P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在 N区边界附近有光生电子积累，在 P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡 P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由 P区指向 N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差， P 端正， N端负。于是有结电流由 P 区流向 N 区，其方向与光电流相反。2.3 工作环境要求2.3.1 该设计的太阳能发电系统要求能输出 1KW的功率 . 第 6 页2.3.2 太阳能自动跟踪系统体现出了 , 该系统必须完成全天候的自动跟踪太阳的能力 . 达到最大功率的接受太阳光的目的 . 2.3.3 因为输出功率较大 , 所用到的太阳能电池板较多 , 整个装置的面积很大 . 所以考虑到其所用的环境比较恶劣 , 要求其有抗风 6 级能力和遇到强风时能回平 , 保证以最小的面积来迎风 . 2.3.4 设计要求此装置能使用 15 年左右2.3.5 太阳能发电的基础是阳光 , 所以根据太阳的运动规律要在一天的结束后 , 使电池板自动回到原始位置 . 2.4 设计内容要求2.4.1 动力源的选择以电力 380/220V 的电动机带动 , 驱动整个装置的运动2.4.2. 减速器的简单设计和蜗杆减速装置的参数计算2.4.3. 传感器的选择2.4.4. 整个装置的装配图和主要部件的零件图 . 2.4.5. 箱体的设计和参数的确定2.4.6. 文献综述和文献翻译一份2.4.7. 编写设计说明说一份3. 电池板的选择及布局分析3.1 太阳能电池的种类及选择3.1.1 太阳能电池板的发展及种类第 7 页太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件， 这种光电转换过程通常叫做“光生伏特效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有 4 个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号 P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号 N 代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个 P－ N结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上， P－ N结就像一堵墙， 阻碍着电子和空穴的移动。 当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向 N型区移动，使 N型区带负电，同时空穴向P 型区移动，使 P 型区带正电。这样，在 P－ N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏特效应”。如果这时分别在 P 型层和 N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。（ 1）单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 15%左右， 最高的达到 24％， 这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达 15 年，最高可达 25 年。（ 2）多晶硅太阳能电池多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多， 但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约 12％左右 (2004 年 7 月 1 日日本夏普上市效率为 14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池 ) 。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些， 材料制造简便， 节约电耗， 总的生产成本较低， 因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，第 8 页单晶硅太阳能电池还略好。（ 3）非晶硅太阳能电池非晶硅太阳电池是 1976 年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为 10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。（ 4）多元化合物太阳电池多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。 现在各国研究的品种繁多， 大多数尚未工业化生产， 主要有以下几种： a) 硫化镉太阳能电池 b) 砷化镓太阳能电池 c) 铜铟硒太阳能电池 ( 新型多元带隙梯度 Cu(In, Ga)Se2 薄膜太阳能电池 ) 3.1.2 电池板的参数和选择根据以上太阳能的介绍和比较，并综合网上各厂家的发布的信息，以及所产的太阳能电池板的性能参数，我选择有由三门峡华豫新能源科技有限公司提供的 HSM125系列的电池板，其参数如下：根据设计的要求时期能用较长的时间，并能够达到较高的使用效率，并根据市场和厂家的查阅，我选择使用由三门峡华豫新能源科技有限公司的产品。其市场报价相对较第 9 页低， 并且其产品 HSM-125单晶硅系列太阳能电池板功率从 1 峰瓦到 260 峰瓦的多种规格系列，从而满足客户的各种需求。HSM-125单晶硅太阳能电池板产品通过了 ISO9001（ 2000）质量体系认证，同时也通过了国际权威认证机构的 IEC61215， TUV， CE的认证。符合国际电气和防火规范，从而确保了产品在世界各地的安全可靠运行。 根据布局设计我选择了该公司的 HSM125-60 一款太阳能电池作为我所用的电池板。3.2 太阳能电池板的布局和分析3.2.1 电池板的参数分析HSM125-60系列的技术参数有上表可得， 其功率 60W 基本尺寸 556*946*35mm 重量为5.7KG。根据设计要求，需满足输出功率为 1KW以上的发电装置，则有1000/60=16.67 则有其设计需要，可设定需要 24 块电池板，满足其输出功率的要求。其总的功率为60*24=1440W,总的重量为 M板 ＝ 24*5.7=136.8KG。其布局的分布图如下 ：3.2.2 边框及其固定结构设计电池板需要一定的支撑和边框，其中涉及到材料的选择和其与电池板的配合问题。第 10 页电池板之间通过高标准的焊接工艺要求，焊接在一起，需放在有一定的支撑上面，保证其稳定性。首先，次出设计要求没有固定的特殊要求，所以我初步选定用 45 钢或铝合金材料来做为材料来源。因为这两种材料应用比较广泛，相对来说购买方便，并且其性能都能满足需求。其次，是这两种材料无需太过复杂加工，其型号和产品的种类较多，可以很好的满足需求。45 钢是优质的碳素钢， 有很好的热加工性能， 经热处理后可满足各种条件下的用途。其结构有易切削加工的特点和其价格相对较低，因此在工业领域得到广泛的应用。而铝合金做为一种综合性能较高的材料，具有一定的强度和硬度，可加工性能较好，另外还有较好的抗氧化、 腐蚀和防锈的特点， 并且因其质轻和外观美观大方而备受大众的青睐。首先考虑到，该设计为太阳能发电装置，要求其用到的条件相对恶劣。这样来说选择铝合金材料相对较好。其次是 45 号钢的焊接性能不是太好，随着碳元素含量的增加其焊接性能有所下降。而太阳能电池板的焊接工艺要求很严格，必须要求其能很好的连接起来。最后是考虑到其价格和总体设计的要求，在材料选择时我们应该尽可能的选择性能合适而价格低廉的材料。而 45 号钢和铝合金在价格方面是铝合金明显要贵的很多，但考虑到其用量不大的情况下，还是可以接受。另外从实用角度分析，我们要求整个装置能实用 15 年左右，期间采用 45 号则要求能很好的抵抗外界环境的侵蚀，这样增加更高的维护成本。所以我认为采用铝合金可以有效的改善这方面的不足，综合比较这两种材料，我决定用铝合金材料作为电池板的结构框架。3.2.3 铝合金材料选择please contact Q 3053703061 give you perfect drawings铝合金材料有很多的型号，我所用到的是铝合金方管。据我收集的比较常用的方管铝合金：38*25*1=0.249kg/m 38*25*1.2=0.394kg/m 38*38*1=0.401kg/m 38*38*1.2=0.479kg/m 50*25*1=0.396kg/m 50*25*1.2=0.472kg/m 50*25*1.5=0.585kg/m 50*50*1=0.531kg/m 50*50*1.2=0.635kg/m 第 11 页50*50*1.4=0.738kg/m 76*25*1=0.537kg/m 76*25*1.2=0.641kg/m 76*25*1.5=0.797kg/m 76*44*1=0.639kg/m 76*44*1.2=0.765kg/m 76*44*1.5=0.951kg/m 76*76*1=0.813kg/m 76*76*1.4=1.132kg/m 100*25*1=0.667kg/m 100*25*1.2=0.797kg/m 100*44*1=0.77kg/m 100*44*1.2=0.921kg/m 100*44*1.5=1.146kg/m 100*50*2=1.883kg/m 根据电池板的尺寸 556*946*35，我选择的方管为 50*50*1=0.531KG 的型号。因为我认为，管应该比电池板的厚度要大一点，使其可以放入到框架内，便于安装固定。另外管材不能太薄， 需要有一定的支撑能力， 和抗意外撞击的能力， 所以我选择其厚度为 1mm的方管。由此可得所用到的铝合金管材的重量为：电池板框架的尺寸为长 L 长 =946× 4=3784mm 电池板的宽为 L 宽 =556× 6=3336mm 再加上其框架内的支撑筋板其总长为 L please contact Q 3053703061 give you perfect drawings第 12 页4. 电动机的选择4.1 电动机功率的确定4.1.1 工作机各传动部件的传动效率及总效率查《机械设计课程设计手册》表 9.2 可知蜗杆传动的传动比为：I 蜗杆 =8～ 40；又根据《机械设计基础》表 4-2 可知蜗杆头数为 Z1=1，由表 4-4 可知蜗杆传动的总效率为： η 蜗杆 =0.70～ 0.75 查《机械设计课程设计指导书》表 9.1 可知各传动部件的效率分别为：)(97.0 一对轴承 ；联轴器效率 η c=0.99 工作机的总效率为：η 总 =（ 0.70 ~ 0.75 ）× 0.99 × 0.97 =0.69 ～ 0.72 4.1.2 电动机的功率确定此装置要求其转速不能太高，并且转动的机构的转角不是太大，是该装置的速度为V＝ 1m/s。另有上述太阳能电池板的结构可计算得其参数。电池板的总长 L1=946× 4=3784mm 电池板的总宽 L2=556× 6=3336mm 则由此可得，所用到的铝合金管材的长度为 L 第 13 页L＝ (L 1＋ L2) × 3 ＝ (3784＋ 3336) × 3 ＝ 21260mm 根据方管的参数可知，所用到的管材的总的管重量 M管M管 ＝ L× 0.531 ＝ 21260× 0.531 ＝ 11.28906Kg 还有一些辅助的加强的筋板，此处讲管材的重量控制在 15KG。加上电池板自身的重量，由此可得电动机所要带动的电池框架的总的重量为 M M＝ M板 ＋ M管＝ 15＋ 136.8 ＝ 151.8 ≈ 155KG 由此可得 F 板 ＝ Mg ＝ 155× 10 ＝ 1550N P 板 ＝ F 板 V／ 1000 ＝（ 1550× 1）／ 1000 ＝ 1.55KW 则电动机的工作传动功率为 P电P 电 ＝ P板／ η 总＝ 1.55 ／ 0.71 ＝ 2.183KW 由此可得垂直驱动率可选择为 2.2KW 而由水平驱动电机所驱动的载荷较大，其总的效率较低 ηη =η 总 × η 联轴器=0.71 × 0.99 =0.7029 驱动的重量为 M=M总 ＋ M1＋ M部件第 14 页=155 ＋ 63＋ 100 =318KG 则 F ＝Ｍｇ＝ 318× 10 ＝ 3180N 其功率 P=FV/1000 =3180 × 1/1000 =3.18KW 则电动机的功率为 P电 =P/η=3.18/0.7029 =4.524KW 考虑到其部件见的摩擦及阻力选择的电机的功率为 P=5.5ＫＷ。4.1.3 确定电动机的转速1) 传动装置的传动比的确定：查《机械设计课程设计指导书》书中表 9.2 得各级齿轮传动比如下：40~10蜗杆i理论总传动比：i 总＝ i 蜗杆 × i ＝（ 10 ~40）× 1.25 ＝ 12.5 ~502) 电动机的转速：涡轮轴的工作转速：n1 ＝（ 60× 1000V）／ π D ＝（ 60× 1000× 1）／（ 3.14 × 272）＝ 70.25r/min 则电机的转速为 n 电第 15 页n 电 ／ n1＝ i 即得 n 电 ＝ n1× i 总＝ 70.25 ×（ 12.5 ~50 ）＝ 878.125 ~3512.5r/min 所以电动机转速的可选范围为：n 电＝ 878.125 ~3512.5r/min 根据上面所算得的原动机的功率与转速范围，符合这一范围的同步转速有 1000 r/min 和 1500 r/min 两种。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、质量及价格等因素，为使传动装置结构紧凑，决定选用同步转速为 1000 r/min 的电动机。其主要功能表如下：电动机型号额定功率kW 满 载 转 速/r/min 起动转矩 / 额定转矩最大转矩 / 额定转矩Y132M2-6 5.5 960 2.0 2.0 转速的计算取电机 Y132M2-6的输出转速为 960r/min i 总 ＝ 960／ 70.25 ＝ 13.67 取 i 总＝ 14 n＝ 960÷ 14＝ 68.57r/min 其中取齿轮的减速比 i 1 齿轮 ＝ 1.25 i 2 蜗杆 ＝ 14÷ 1.25 ＝ 11.2 则齿轮减速轴的转速为 n1 出n1出 ＝ n 电 ／ i 1＝ 960／ 1.25 ＝ 768r/min 第 16 页功率的计算有 P电＝ 5.5KW 则齿轮减速轴的功率为 P1 P1＝ P电× η 齿轮＝ 5.5 × 0.97 ＝ 5.335KW 蜗杆减速轴的功率为 P2 P2＝ P1× 0.8 ＝ 5.335 × 0.8 ＝ 4.268KW 转矩的计算T 电 ＝ 9.55 × 106× P电 ／ n 电＝ 9.55 × 106× 5.5 ／ 960 ＝ 5.47 × 104N/mm T1＝ 9.55 × 106× P1／ n1 ＝ 9.55 × 106× 5.335 ／ 960 ＝ 5.304 × 104N/mm T2＝ 9.55 × 106× P2／ n2 ＝ 9.55 × 106× 4.268 ／ 54.86 ＝ 7.43 × 105N/mm 第 17 页5. 蜗杆减速装置设计及参数计算5.1 蜗轮蜗杆的设计及其参数计算5.1.1 传动参数蜗杆输入功率 P=5.335 kW，蜗杆转速 n1＝ 768r/min ，蜗轮转速 n2＝ 68.57r/min ，理论传动比 i=11.2 ，实际传动比 i=13 ，蜗杆头数 Z1＝ 1，蜗轮齿数为 Z2＝ i × Z1＝ 13× 1＝ 13，蜗轮转速 n2＝ n1／ i ＝ 768／ 13＝ 59.1r/min. 5.1.2 蜗轮蜗杆材料及强度计算减速器的为闭式传动，蜗杆选用材料 45 钢经表面淬火，齿面硬度 >45 HRC,蜗轮缘选用材料 ZCuSn10Pb1,砂型铸造。蜗轮材料的许用接触应力，由《机械设计基础》表 4-5 可知 , H =180MPa. 估取啮合效率： 1 0 . 8蜗轮轴转矩：T2＝ 9.55 × 106× P2η 1／ n2 ＝ 9.55 × 106× 4.268 × 0.8 ／ 59.1 ＝ 5.52 × 105N· mm 载荷系数：载荷平稳，蜗轮转速不高，取 K=1.1. 计算21m d 值221 22480m dHKT Z=1.1× 5.52 × 105×（ 480／ 13× 180） 2=2554mm3模数及蜗杆分度圆直径由《机械设计基础》表 4-1 取标准值，分别为：模数 m=8 mm 第 18 页蜗杆分度圆直径 1d 8 0 m m5.1.3 计算相对滑动速度与传动效率蜗杆导程角 γ ＝ arctan(mz1 ／ d1) ＝ arctan(8 × 1) ／ 80 ＝ 5.71 0蜗杆分度圆的圆周速度1 11d n 80 960 m / s 4.02m / s60 1000 60 1000相对活动速度vs＝ v1 ／ cosγ ＝ 4.02 ／ cos5.71 0＝ 4.05m/s 当量摩擦角 取 v 2 30 2.5验算啮合效率η 1＝ tan γ ／ tan( γ ＋ ρ v) ＝ tan5.71 0／ tan ﹙ 5.71 0＋ 2.5 0﹚＝ 0.693 传动总效率10 . 9 6 0 . 9 6 0 . 8 1 0 . 7 8总 （在表 4-4 所列范围内） 。5.1.4 确定主要集合尺寸蜗轮分度圆直径：d1＝ mz2＝ 8× 13＝ 104mm 中心距a＝（ d1＋ d2）／ 2 ＝ (80 ＋ 104) ／ 2 ＝ 92mm 第 19 页5.2 蜗杆传动的几何尺寸计算蜗 杆 分 度 圆 直 径蜗 杆 齿 顶 圆 直 径蜗 杆 齿 根 圆 直 径蜗 杆 导 程 角蜗 杆 齿 宽蜗 轮 分 度 圆 直 径蜗 轮 喉 圆 直 径蜗 轮 齿 根 圆 直 径蜗 轮 外 圆 直 径蜗轮咽喉母圆半径蜗 轮 螺 旋 角蜗 轮 齿 宽中 心 距名 称1 80d mm1 1 12 2 80 2 8 96a ad d h d m mm1 1 1 12 2.4 80 2.4 8 60.8f fd d h d m mmtan γ ＝ mz1／ d1＝ 8× 1／ 80＝ 0.1 所以 γ ＝ 5.71 0 b1≥ (11.5 ＋ 0.08z2)m＝﹙ 11.5 ＋ 0.08 × 13﹚× 8＝100.32(mm) d2＝ mz2＝ 8× 13＝ 104﹙ mm﹚da2＝ d2＋ 2ha＝ m﹙ z2＋ 2﹚＝ 8×﹙ 13＋ 2﹚＝ 120﹙ mm﹚df2 ＝ d2－ 2hf ＝ m﹙ z2－ 2.4 ﹚＝ 8×﹙ 13－ 2.4 ﹚＝84.8(mm) d ξ 2≤ da2＋ 1.5m＝ 104＋ 1.5 × 8＝ 116﹙ mm﹚rg2 ＝ a－ da2／ 2＝ 92-120/2 ＝ 32(mm) β =γ =5.71 与蜗杆螺旋线方向相同2 10.7 0.7 96 67.2ab d mma＝ (d1 ＋ d2) ／ 2＝﹙ d1＋ mz2﹚／ 2＝﹙ 80＋ 8× 13﹚／ 2＝ 92(mm) 公式说明及结果第 20 页6. 箱体的结构尺寸设计6.1 箱体的设计计算6.1.1 箱体的结构形式和材料采用下置单级 wpo型涡轮蜗杆减速器（由于 V=4.2m/s）减速器箱体采用 HT200铸造，必须进行去应力处理。规格减速比 A AB BB BC CC M N E E1 E2 G Z 输入轴 输出轴 质量m/kg HS U T× V LS S W× Y 40 1/10 1/15 1/20 1/25 1/30 1/40 1/50 143 87 74 45 40 94 184 70 74 86 10 10 25 12 4× 2.5 28 14 5× 3 5 50 175 107 97 50 50 116 220 90 93 102 15 12 30 12 4× 2.5 40 17 5× 3 6 60 198 122 112 55 60 126 260 100 105 120 20 12 40 15 5× 3 50 22 6× 3.5 10 70 231 140 131 65 70 156 295 120 120 135 20 15 40 18 6× 3.5 60 28 8× 4 15 80 261 160 142 70 80 175 320 140 130 150 20 15 50 22 6× 3.5 65 32 10× 5 20 100 322 190 169 90 100 224 375 190 155 180 26 15 50 25 8× 4 75 38 10× 5 35 120 381 229 190 100 120 266 450 220 185 215 30 18 65 30 8× 4 85 45 14× 5.5 50 第 21 页135 1/60 433 260 210 110 135 306 495 260 210 235 30 18 75 35 10× 5 95 55 16× 6 75 155 504 302 252 140 155 350 590 290 245 295 35 21 85 40 12× 5 110 60 18× 7 115 175 545 325 262 150 175 394 640 320 267 323 40 21 85 45 14× 5.5 110 65 18× 7 140 200 587 350 305 175 200 440 710 370 290 360 40 24 95 50 14× 5.5 125 70 20× 7.5 200 250 705 420 360 200 250 510 860 440 350 440 45 28 110 60 18× 7 155 90 25× 9 340 表 6.1 箱体的结构尺寸设计内容 计 算 公 式 计算结果箱座壁厚度 δ8304.0 a =0.04× 125+3=8mm a 为蜗轮蜗杆中心距取 δ =8mm 箱盖壁厚度 δ 1 85.01 =0.85 × 8=6.8mm 取 δ 1=6.8mm 机座凸缘厚度 b b=1.5 δ =1.5 × 8=12mm b=12mm 机盖凸缘厚度 b1 b1=1.5δ 1=1.5 × 6.8=10.5mm b1=10.5mm 机盖凸缘厚度 P P=2.5δ =2.5 × 8=20mm P=20mm 地脚螺钉直径 d? 5.1612125036.012036.0 ad f d?=18mm 地脚沉头座直径 D0 D0==36mm D0==36mm 地脚螺钉数目 n 取 n=4 个 取 n=4 底脚凸缘尺寸（扳手空间）L1=30mm L1=30mm L2=26mm L2=26mm 轴承旁连接螺栓直径 d1 d1= 13.5mm d1=14mm 轴承旁连接螺栓通孔直径 d` 1 d` 1=15.5 d` 1=15.5 轴承旁连接螺栓沉头座直径 D0 D0=30mm D0=30mm 剖分面凸缘尺寸（扳手空间）C1=18mm C1=18mm C2=30mm C2=30mm 上下箱连接螺栓直径 d2 d2 =9mm d2=9mm 上下箱连接螺栓通孔直径 d` 2 d` 2=10.5mm d` 2=10.5mm 上下箱连接螺栓沉头座直径 D0=20mm D0=20mm 箱缘尺寸（扳手空间）C1=16mm C1=16mm C2=14mm C2=14mm 轴承盖螺钉直径和数目 n,d 3 n=4, d 3=7.2mm n=4 第 22 页d3=7.2mm 检查孔盖螺钉直径 d4 d4=0.4d=8mm d4=8mm 圆锥定位销直径 d5 d5= 0.8 d 2=8mm d5=8mm 减速器中心高 H H=225mm H=225mm 轴承旁凸台半径 R R=C2=15mm R1=15mm 轴承旁凸台高度 h 由低速级轴承座外径确定，以便于扳手操作为准。取 50mm 轴承端盖外径 D2 D2=轴承孔直径 +(5~5.5) d 3 取 D2=120mm 箱体外壁至轴承座端面距离 K K= C1+ C2+(8~10)=44mm K=54mm 轴承旁连接螺栓的距离 S 以 Md1 螺栓和 Md3 螺钉互不干涉为准尽量靠近一般取 S=D2 S=120 蜗轮轴承座长度（箱体内壁至轴承座外端面的距离）L1=K+δ =56mm L1=56mm 蜗轮外圆与箱体内壁之间的距离2.11 =15mm 取 1 =15mm 蜗轮端面与箱体内壁之间的距离2 =12mm 取 2 =12mm 机盖、机座肋厚 m1,m m1=0.85 δ 1=5.78mm, m=0.85δ =10mm m1=5.78mm, m=7mm 第 23 页7 传感器的基本原理及选择7.1 传感器的分类传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出， 以满足信息的传输、 处理、 存储、 显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准 GB7665-87对传感器下的定义是： “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置， 通常由敏感元件和转换元件组成”。可以用不同的观点对传感器分类： 它们的转换原理 ( 传感器工作的基本物理或化学效应 ) ；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，传感器分类可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题 等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。7.1.1 传感器分类：传感器分类 1：按照其用途，传感器可分类压力敏和力敏传感器位置传感器 液面传感器 液面传感器能耗传感器 速度传感器 加速度传感器射线辐射传感器 热敏传感器传感器分类 2：按照其原理，传感器可分类振动传感器 磁敏传感器湿敏传感器 气敏传感器第 24 页真空度传感器7.1.2 选择分析根据本设计要求，我们将用到的传感器是光敏传感器和压力传感器。首先，我们要满足此装置能自动跟踪太阳，就必须有传感器来感知光照的强弱从而传出信号，控制电动机的运转来达到跟踪的目的。其次，我们要求其能感知风力的大小，保证其以最小的面积迎风。此处我设计为，在支撑柱上设置压力传感器，