【正文】 數(shù) ≈ 則大齒輪齒數(shù) ,取 。 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )查得 a a 。 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )查得 a a 。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 m= mm. (3) 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 m √ T a a ○ 1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1) 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限 2) 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 ( 第 八 版 第 十 章 ) 取 彎 曲 疲 勞 壽 命 系 數(shù) ， ； 3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲安全疲勞系數(shù) S=，由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )得 4) 計(jì)算載荷系數(shù) K。 根據(jù) v=,7級(jí)精度，由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )查得載荷系數(shù) 直齒輪， ； 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )查得使用系數(shù) ； 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )使用插值法查得 7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)， 。 b= t=1 mm mm 4) 計(jì)算齒寬與齒高之比 。 t √ T = √ ( ) mm mm 2) 計(jì)算圓周速度 v。 8) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 5) 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 i i 。 2) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T n n mm 3) 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )選取齒寬系數(shù) 。 ○ 4 選小齒輪齒數(shù)為 ,大齒輪齒數(shù) 取 。 ○ 3 材料選擇。； 電機(jī)功率，單位 w； T 轉(zhuǎn)矩，單位 N m 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) ○ 1 按傳動(dòng)方案，選用 直齒 圓柱齒輪。但考慮到對(duì)太陽能的利用率問題，太陽從上午 8:00到下午 16:00為日照強(qiáng)度高時(shí)段，所以為充分利用太陽能，從早上 6:00到 8:00使步進(jìn)電機(jī)空載，不加任何脈沖頻率；從 8:00到 16:00設(shè)定輸入電機(jī)的脈沖頻率為 100HZ；從 16:00到 18:00電動(dòng)機(jī)繼續(xù)空載。電機(jī) 18通過齒輪 1 13帶動(dòng)蝸桿 17轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)減蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 速箱體、電池板支架轉(zhuǎn)動(dòng)，完成東西方向的跟蹤。跟蹤方位角即東西方向的跟蹤，在減速箱體 3內(nèi)安裝由電機(jī) 1齒輪 12和 1蝸輪1蝸桿 17構(gòu)成的 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 。 表 31 步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 步距角 （ 176。所以本系統(tǒng)選用 56BYG250D024 56BYG250C0241 兩相 混合式 步進(jìn)電機(jī)。 電機(jī) 19 輸出軸上的慣量為 : J ≈ kg m 電機(jī) 19 輸出軸的加速轉(zhuǎn)矩為： Ta ≈ kg m ≈ m 因此電機(jī) 18 和電機(jī) 19 帶載運(yùn)行所需要的轉(zhuǎn)矩分別為 m和 m。方位角帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)架采用鐵（ ρ kg m ? ）作為原材料，轉(zhuǎn)動(dòng)架為一長(zhǎng)方形的框架 (圖 32)，采用厚 2cm的鐵板，兩側(cè)壁、底 部寬為 10cm，框架底部長(zhǎng) 40cm，兩壁高 20cm，蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 其慣量經(jīng)計(jì)算圓柱體的慣量公式近似計(jì)算得 : J π ρl(D D ) ≈ kg m 折算到電機(jī) 18 輸出軸上的慣量為： J J ≈ kg m 電機(jī) 18 輸出軸上的加速轉(zhuǎn)矩為 : Ta 176。在參考了步進(jìn)電機(jī)廠家的相關(guān)資料后，決定選用細(xì)分后步距角為 176。 T＝ 驅(qū)動(dòng)物體的慣量 步距角 電機(jī)希望的脈沖頻率 加速時(shí)間 在設(shè)計(jì)中，考慮到裝置的摩擦很小，采光板的質(zhì)量相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)架很小，且在后面利用求圓柱體的慣量公式近似估算轉(zhuǎn)動(dòng)架的慣量時(shí)已有很大的冗余，因此設(shè)定Ti ，采光板的慣量為 0。 ①負(fù)載轉(zhuǎn)矩由實(shí)測(cè)得到或用相關(guān)計(jì)算式估算。 Ti一負(fù)載轉(zhuǎn)矩， kg m。 然后要計(jì)算需要的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的細(xì)分功能，我們?cè)诟┭鲚S與電機(jī) 19 的輸出軸之間采用了減速 比為1:80 裝置。時(shí)間要素是指加速時(shí)間 和 (即從 開始加速到 )，運(yùn)行時(shí)間 t。 步進(jìn)電機(jī)的選擇 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)首先要知道機(jī)械和時(shí)間二個(gè)方面的要素。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)指完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)則是綜合了反應(yīng) 式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，即不僅定子和轉(zhuǎn)子上開了很多小槽，同時(shí)其磁路內(nèi)含有 永久磁鋼，這使得混合式步進(jìn)電機(jī)不僅可以像反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)那樣小步距的轉(zhuǎn)動(dòng)， 也具有永磁式控制功率小動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材 料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，步距角可以很小，但動(dòng)態(tài)性能 較差。 從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型，電 磁式 步進(jìn)電機(jī)最為常見。而且如果停機(jī)后某些相仍 保持通電狀態(tài)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還具有自鎖能力。這種精確的角度運(yùn)動(dòng)可隨每一個(gè)輸入步進(jìn)指令重復(fù)， 從而使其轉(zhuǎn)子可在任一方向上精確定位。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。 圖 31 機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)圖 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的概述 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的控制電機(jī)。 在介紹步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)之前，先討論一下步進(jìn)電機(jī)的特性。并且 ，太陽的角度控制要求精確，要合理的選取渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比 。連軸器選用的是普遍使用的彈性聯(lián)軸器，耐沖擊，經(jīng)久耐用。 在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的組成中，底座主要由普通的鋼材加工而成，便于拆卸和移動(dòng)。此結(jié)構(gòu)在東西向和南北向都有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)空間，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗材較少，比較適合小型的太陽能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)。機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上要做到結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，選件不能過大臃腫，在同等條件下，盡量選用小型的構(gòu)件。 本設(shè)計(jì)中通過 用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的跟蹤 ， 達(dá)到使太陽能電池板能夠始終正對(duì)太陽照射角，從而達(dá)到提高太陽能利用率的目的。這兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置可以沿方位方向和高度方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置沿這兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的全自動(dòng)跟蹤，使太陽能板自動(dòng)準(zhǔn)確的跟蹤太陽運(yùn)動(dòng)， 這 就必須使太陽能板裝置具有跟蹤功能。 一天中可能的日照時(shí)間由下式給出 o n n （ 210） 利用太陽高度角和方位角的數(shù)學(xué)模型，就可以在固定緯度，固定時(shí)段計(jì)算出太陽在此條件下的方位。負(fù)為日出時(shí)角。 (3) 日照時(shí)間 太陽在地平線的出沒瞬間，其太陽高度角 。 正午時(shí) ， ， o ， (23)式可以簡(jiǎn)化為： 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 n n n o o o 因?yàn)椋? o n ，所以 ： n n （ 24） 正午時(shí)，若太陽在天頂以南，即 ，取 n n 從而有 : （ 25） 在南北回歸線內(nèi)，有時(shí)正午時(shí)太陽正對(duì)天頂，則有 = ，從而 。上午為正，下午為負(fù)。 太陽赤緯隨季節(jié)變化，按照 Coper方程，計(jì)算 ： n n ? (21) 式中， n為一年中的天數(shù)，如 :在春分， n=81，則 =0，自春分日起的第 d天的太陽赤緯為 : n ? (22) 太陽角的計(jì)算 如圖 21所示，指向太陽的向量 S? 與天頂 Z的夾角定義為天頂角，用 表示；向量 S? 與地平面的夾角定義為太陽高度角，用 h表示； S? 在地面上的投影線與南北方向線之間的夾角為太陽方位角，用 表示。夏天最大變化到夏至日的+ ′ 。 太陽高度角和方位角的確定 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 Coper方程 太陽光線與地球赤道面的交角就是太陽的赤緯角，以占表示。冬至日 (12月 2日 )，太陽正午高度達(dá)最小值 ′ ，黑夜最長(zhǎng)，這時(shí)地球北半球天文冬季開始。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽多出于正東而沒 于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。夏至過后，太陽正午高度逐日降低，同時(shí)白晝縮短，太陽的升落又趨向正東和正西。春分過后，太陽的生落點(diǎn)逐日移向北方，白晝時(shí)間增長(zhǎng)，黑夜時(shí)間縮短，正午時(shí)太陽的高度逐日增加。在周日視運(yùn)動(dòng) 中，太陽出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。 假設(shè)觀察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對(duì)太陽在天球上的周年視運(yùn)動(dòng)情況做如下描述。的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面 (黃道面 )法線傾斜成 23176。每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為 24h，所以地球每個(gè)小時(shí)自轉(zhuǎn) 15176。在小型光伏發(fā)電、太陽能熱利用裝置、農(nóng)村小型民用太陽能灶等方面，采用此裝置不僅方便實(shí)用、能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高，而且跟蹤系統(tǒng)自身的功耗相對(duì)雙軸驅(qū)動(dòng)時(shí)將明顯減少。本文采用的跟蹤方式是視日軌跡跟蹤控制策略，用較為簡(jiǎn)單的凸輪 推桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) “ 二維 驅(qū)動(dòng)，雙向跟蹤 ” 。目前太陽跟蹤裝置主要有電子跟蹤類、機(jī)械跟蹤類、還有 GPS 追蹤類。 1994年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單軸跟蹤，國(guó)家氣象局計(jì)量站在 1990 年研制了 FST型全自動(dòng)太陽跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽輻射 觀測(cè) 。 近幾年來國(guó)內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究。 1994年在德國(guó)北部，太陽能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽能跟蹤裝置 1321。 1998年美國(guó)加州成功的研究了八 JM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可 以使小塊的太陽能面板硅收集更多能量，使熱收率進(jìn)一步提 研制了活動(dòng)太陽能方位跟蹤裝置，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個(gè)方位跟蹤器具有大直徑的軌跡，通風(fēng)窗體是白晝光照鼓膜結(jié)構(gòu)窗體，窗體上面是圓頂結(jié)構(gòu)，成排的太陽能收集器可以從東到西跟蹤太陽，以提高夏季能量的獲 取率。這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟蹤精度高，而且太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比 較容易 。太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計(jì)比較困難。極軸式全跟蹤原理如圖 12所示，太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸 ； 另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的主光軸平行，接收太陽能的效果并不理想。 圖 11是第 3種跟蹤方式的原理，跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸 (或焦線 )東西向布置，根據(jù)事先計(jì)算的太陽方位的變化 ， 太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)跟 蹤太陽。 (1) 單軸跟蹤一般采用 ： 傾斜布置東西跟蹤 ； 焦線南北水平布置，東西跟蹤 ；焦線東西水平布置，南北跟蹤。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏系統(tǒng)的成本會(huì)越來越低，性能會(huì)越來越好，應(yīng)用的領(lǐng)域會(huì)越來越 寬廣 。從國(guó)家發(fā)改委制定的中長(zhǎng)期規(guī)劃看， 20212020年每年的平均裝機(jī)容量約 60MW。近來一些幾瓦到幾百瓦的中小型光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)也出現(xiàn)在生活中，如太陽