緒論II某太陽能追蹤機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u20604某太陽能追蹤機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例 1197701.1結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理 130221.2方位軸裝置的設(shè)計(jì) 2230041.2.1方位軸蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) 365931.2.2渦輪軸承的選用 4178151.2.3蝸桿軸承的選用 56331.2.4方位軸裝置的外殼設(shè)計(jì) 6168531.3高度軸裝置的設(shè)計(jì) 6153971.1.1高度角蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) 753041.1.2渦輪軸承的選用 788091.1.3蝸桿軸承的選用 8105741.1.4高度軸裝置的外殼設(shè)計(jì) 8251241.4太陽能面板支架的設(shè)計(jì) 9304001.4.1大支撐梁的設(shè)計(jì) 9175391.4.2小支撐梁的選用 1075861.4.3大梁與小梁的連接件 10234171.5立柱的設(shè)計(jì) 101.1結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理整體裝置為立柱型，回轉(zhuǎn)裝置安裝在一個(gè)立柱上，太陽能兩個(gè)面板分別由支撐架固定在下方的大梁上，大梁的軸端連接著太陽能高度軸回轉(zhuǎn)裝置上，其下方安裝著太陽方位軸裝置，上述的機(jī)構(gòu)都安裝在一根立柱上，立柱固定在地面上，以上是太陽能回轉(zhuǎn)裝置的整體構(gòu)造。裝置的運(yùn)動(dòng)原理如下，太陽的光線照射到裝置的光敏原件上，光敏原件接收型號(hào)轉(zhuǎn)換成電路信號(hào)發(fā)送到放大器件上，也就是中央處理器通過處理器的運(yùn)算處理將處理后的信號(hào)發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)上，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，安裝在裝置上步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一系列的傳動(dòng)構(gòu)件帶動(dòng)光伏組件，光伏組件上安裝的是太陽能面板，因此使太陽面板一直垂直與太陽光線，由以上運(yùn)動(dòng)過程完成對(duì)太陽的追蹤。其裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7太陽能回轉(zhuǎn)裝置總圖①C型梁；②固定支板；③大梁；④支桿；⑤太陽能面板；⑥電動(dòng)機(jī)；⑦豎軸軸承端蓋；⑧方位軸裝置；⑨仰角軸裝置；⑩立柱；?蝸桿軸承端蓋；?仰角軸裝置端蓋。圖8跟蹤裝置示意圖1.2方位軸裝置的設(shè)計(jì)方位軸裝置用于調(diào)節(jié)太陽能面板方位角度，其結(jié)構(gòu)的組成是已蝸輪蝸桿為核心傳動(dòng)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，其它的是步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)軸的軸承，外殼和端蓋。其運(yùn)動(dòng)的原理是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)，渦輪軸端定位在立柱上，外殼上有四個(gè)螺栓孔連接高度軸裝置，高度軸是與太陽能面板間接連接的，因此控制著面板的方位軸方向的調(diào)節(jié)。因?yàn)槭撬轿佪單仐U減速裝置，其軸向承載著整個(gè)上端結(jié)構(gòu)的重量。在設(shè)計(jì)過程中也要考慮到裝置的穩(wěn)定性，能夠有足夠的承載，運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。裝置的外觀圖和內(nèi)部透視圖如圖9所示。(a)整體圖(b)透視圖圖9蝸輪蝸桿減速器三維模型圖1.2.1方位軸蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)1.蝸桿參數(shù)根據(jù)國(guó)標(biāo)推薦，選擇（ZA）蝸桿傳動(dòng)。轉(zhuǎn)速n1材料為45號(hào)鋼，表面淬火處理。蝸桿的頭數(shù)Z1=1，渦輪的齒數(shù)為Z22.傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算確定許用應(yīng)力，查表。許用接觸應(yīng)力σHP許用彎曲應(yīng)力σFP齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nl=60n查得Zn=1.45Yn許用接觸應(yīng)力σHP許用彎曲應(yīng)力σFP1.齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核驗(yàn)算公式σH=Z查表得ZE=155Nmm2KA=0.9Kβ帶入公式σ即校核通過。4.渦輪齒根彎曲強(qiáng)度校核驗(yàn)算公式σ則ZV得YFS=8.55Yσ即校核通過5.蝸輪蝸桿表1蝸輪蝸桿參數(shù)參數(shù)蝸桿渦輪齒數(shù)182模數(shù)88傳動(dòng)比3131分度圓直徑80248齒頂圓26499.2齒根圓228.864導(dǎo)程角5°42′36″5°42′36″壓力角20°20°旋向右旋右旋6.蝸輪軸計(jì)算渦輪軸的阻力距為T2=5N?設(shè)蝸輪上的力Ft=1.8NFr=0.21N確定軸的最小直徑材料為45號(hào)鋼,查表得A0代入公式dmin=A03T圖10平蝸輪蝸桿圖1.2.2渦輪軸承的選用該軸承根據(jù)工作條件的要求決定選用51140推力球軸承，粗略計(jì)算軸向載荷為Fa=2700N，轉(zhuǎn)速n=100r/min。使用壽命為L(zhǎng)h=5000h查表，當(dāng)量動(dòng)載荷P=fd軸承的的基本額定動(dòng)量載荷C=Pε驗(yàn)算軸承壽命L即高于預(yù)計(jì)壽命。圖1151140推力球軸承1.2.3蝸桿軸承的選用該軸承根據(jù)工作條件的要求決定選用30211圓錐滾子軸承，粗略計(jì)算軸向載荷為Fa=2700N，徑向載荷為Fr=1000N軸承轉(zhuǎn)速n=100r/min。使用壽命為L(zhǎng)h=5000he=0.4,Y=1.5。計(jì)算軸承支反力水平支反力RH1=514N垂直支反力RV1=608N合成支反力R1R2計(jì)算軸承派生軸向力S1S2Fa軸向載荷AA當(dāng)量動(dòng)載荷x1=0.4y1=1.5P1P2=壽命的計(jì)算因?yàn)镻1>P2，取P2Lh=10即高于預(yù)計(jì)壽命。圖1230211圓錐滾子軸承1.2.4方位軸裝置的外殼設(shè)計(jì)裝置的外殼是用于支撐和固定輪系零件并且保證傳動(dòng)件的傳動(dòng)精度和良好的穩(wěn)定性，材料選擇鑄鐵，上端以4個(gè)M20螺栓孔連接俯仰角回轉(zhuǎn)裝置，下端以12個(gè)M10螺栓孔連接軸承端蓋。如圖13所示。圖13方位軸裝置的外殼1.3高度軸裝置的設(shè)計(jì)方位軸裝置用于調(diào)節(jié)太陽能面板高度角度，其結(jié)構(gòu)的組成是已蝸輪蝸桿為核心傳動(dòng)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，其它的是步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)軸的軸承，外殼和端蓋。其運(yùn)動(dòng)的原理是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)，外殼下端有四個(gè)螺栓孔連接水平軸裝置，渦輪兩側(cè)軸端連接太陽能面板下的大梁端面，因此高度軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制著面板的高度軸方向的調(diào)節(jié)。因?yàn)槭撬轿佪單仐U減速裝置，其徑向承載著整個(gè)上端結(jié)構(gòu)的重量。在設(shè)計(jì)過程中也要考慮到裝置的穩(wěn)定性，能夠有足夠的承載，運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。裝置的外觀圖和內(nèi)部透視圖如圖14所示。(a)整體外觀圖(b)透視圖圖14蝸輪蝸桿減速器三維模型圖1.1.1高度角蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)豎立蝸輪蝸桿裝置在支撐和承載與豎立蝸輪蝸桿裝置在同一范圍，在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作的原則下，采用和豎立蝸輪蝸桿裝置相同的蝸輪蝸桿的基本數(shù)據(jù)，其中包括選定蝸輪蝸桿類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。表2蝸輪蝸桿參數(shù)參數(shù)蝸桿渦輪齒數(shù)182模數(shù)88傳動(dòng)比3131分度圓直徑80248齒頂圓26499.2齒根圓228.864導(dǎo)程角5°42′36″5°42′36″壓力角20°20°旋向右旋右旋圖15高度角蝸輪蝸桿1.1.2渦輪軸承的選用該軸承根據(jù)工作條件的要求決定選用32040圓錐滾子軸承，粗略計(jì)算軸向載荷為Fa=3000N，徑向載荷為Fr=3000N軸承轉(zhuǎn)速n=100r/min。使用壽命為e=0.4,Y=1。1.計(jì)算軸承支反力水平支反力RH1=1500N垂直支反力RV1=1500N合成支反力R1R2計(jì)算軸承派生軸向力SS2S2軸向載荷A當(dāng)量動(dòng)載荷x1=1y1=1.5P1P22.軸承壽命的計(jì)算因?yàn)镻1=P2，取PLh=10即高于預(yù)計(jì)壽命。圖1532040圓錐滾子軸承1.1.3蝸桿軸承的選用豎立蝸輪蝸桿裝置在支撐和承載與水平蝸輪蝸桿裝置在同一范圍，在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作的原則下，采用和豎立蝸輪蝸桿裝置相同的蝸輪蝸桿的基本數(shù)據(jù)，其中包括選定蝸輪蝸桿類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。因此采用和水平蝸輪蝸桿裝置的蝸桿配套軸承，選用30211圓錐滾子軸承。1.1.4高度軸裝置的外殼設(shè)計(jì)裝置的外殼是用于支撐和固定輪系零件并且保證傳動(dòng)件的傳動(dòng)精度和良好的穩(wěn)定性，材料為鑄鐵，上端以左右各以12個(gè)M10螺栓孔連接軸承端蓋，下端4個(gè)M20螺栓孔連接俯仰角回轉(zhuǎn)裝置。如圖16所示。圖16高度軸裝置的外殼1.4太陽能面板支架的設(shè)計(jì)太陽能面板支架用于連接固定回轉(zhuǎn)裝置與太陽能面板的中間結(jié)構(gòu)，承載著太陽能面板的所有重量，并且在裝置在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)有工作沖擊與振動(dòng)，還有室外環(huán)境的考驗(yàn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)保證太陽能面板支架結(jié)構(gòu)的可靠性十分重要。由于左右支架結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱設(shè)計(jì)，各個(gè)零部件一樣，所以舉左側(cè)結(jié)構(gòu)展示，如圖17所示。圖17太陽能面板支架①太陽能面板；②c型結(jié)構(gòu)梁；③方型支撐桿；④大梁；⑤大梁下固定擋板；⑥c型梁卡扣。1.4.1大支撐梁的設(shè)計(jì)大梁用于連接固定回轉(zhuǎn)裝置與太陽能面板的中間結(jié)構(gòu)，承載著太陽能面板的所有重量，并且在裝置在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)有工作沖擊與振動(dòng)，還有室外環(huán)境的考驗(yàn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)保證大梁的可靠性尤為重要。大梁的形狀橫截面為正方形的柱體，材料為鋁合金，整體尺寸為170mm×170mm×14000mm,厚度為5mm，連接裝置端有M16螺栓打孔，端部加固5mm圍墻，每面各一個(gè)的四個(gè)厚度5mm。如圖18所示。（a）整體圖（b）端面圖圖18大支撐梁1.4.2小支撐梁的選用小支撐梁用于連接固定大梁與太陽能面板的中間結(jié)構(gòu)，承載著部分太陽能面板的重量，在裝置在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)起支撐的重要作用。選用c型結(jié)構(gòu)梁，材料為鋁合金，截面為厚度2.5mmc型結(jié)構(gòu)梁，整體尺寸為52mm×41mm×1600mm。如圖19所示。（a）整體圖（b）端面圖圖19小支撐梁1.4.3大梁與小梁的連接件連接件在結(jié)構(gòu)中起連接和支撐的功能，所占的角色十分重要，所有在設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)和選材上都優(yōu)選強(qiáng)度夠用的。材料都為鋁合金。如圖20所示。（c型梁卡扣）（大梁支撐板）（支撐桿）圖20連接件1.5立柱的設(shè)計(jì)立柱用于連接固定回轉(zhuǎn)裝置與地面