太陽(yáng)能熱水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
太陽(yáng)能熱水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),太陽(yáng)能熱水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),太陽(yáng)能熱水器,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
目 錄
1緒論 1
1.1本課題的來源及研究的目的和意義 1
1.2 太陽(yáng)能熱水器的概況 1
1.3本課題所涉及的問題及國(guó)內(nèi)（外）研究現(xiàn)狀及分析 1
1.4 國(guó)外研究現(xiàn)狀及分析 2
1.5國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析 2
1.6對(duì)課題所涉及的任務(wù)要求及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 3
1.7完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法 3
1.8完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃 3
2太陽(yáng)熱水器能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 4
2.1 機(jī)型 4
2.2 機(jī)具工作原理 4
2.3 總體配置 4
2.4 基本設(shè)計(jì)參 5
2.5確定傳動(dòng)方案 6
2.6電動(dòng)機(jī)的選擇 6
3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8
3.1齒輪及齒盤的設(shè)計(jì) 8
3.2軸的計(jì)算 11
3.3凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 12
小 結(jié) 15
致 謝 16
參考文獻(xiàn) 17
附 錄 18
1緒論
1.1本課題的來源及研究的目的和意義
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著石油、煤、天然氣等這些不可再生自然能源價(jià)格的上漲，能源危機(jī)再次引起了人們的注意，如何很好的節(jié)約和利用能源，特別是可持續(xù)性能源，一直是人類所面臨的問題。在本次設(shè)計(jì)中我將從我國(guó)目前面臨的能源現(xiàn)狀出發(fā)，分析太陽(yáng)能的基本特性的基礎(chǔ)上，對(duì)目前收集太陽(yáng)能最成功的裝置太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的核心是采用高品質(zhì)、高轉(zhuǎn)換率的太陽(yáng)能集熱器。未來的太陽(yáng)能熱利用發(fā)展趨勢(shì)是太陽(yáng)能與建筑結(jié)合，太陽(yáng)能平板集熱器是與建筑結(jié)合最佳方式的太陽(yáng)集熱器。但我國(guó)幅員遼闊，各地日照時(shí)間，日照角度等參數(shù)各不相同，因此可根據(jù)環(huán)境需要做成靈活多變的結(jié)構(gòu)形式和形體尺寸。
太陽(yáng)能熱水器雖然在國(guó)內(nèi)用的比較多，但是在結(jié)構(gòu)方面有不少的不足之處，不能盡可能滿足用戶的使用，本次設(shè)計(jì)旨在提出一些可以優(yōu)化的方面。
一是提出集熱器旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，二是提出集熱器日照角度變換的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，三是提出在熱水器自動(dòng)控制方面的改進(jìn)方案。
1.2 太陽(yáng)能熱水器的概況
目前太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)尚未納入建筑給排水設(shè)計(jì),工程中較常用的熱水供應(yīng)是采用換熱站提供的合適溫度的熱水,再通過室外管網(wǎng)向用戶供水。該供水方式存在供熱效率低, 經(jīng)濟(jì)效益差等缺點(diǎn)。而家用太陽(yáng)能熱水器就是一個(gè)節(jié)約能源，有效利用能源的典型。隨著人類生活的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，如何更高效的利用太陽(yáng)能必將成為小型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在這方面做了很多有益的探索和研究，在我國(guó)，隨著人民生活水平的日益提高，高效便捷的太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)也必將在我國(guó)興起、發(fā)展和完善。所以如何提高民用設(shè)備的利用率也就成了一種有益的、必要的、積極的探索和研究。同時(shí)，自 1985年以來我國(guó)太陽(yáng)能利用取得了舉世矚目的成績(jī)，太陽(yáng)能熱水器是太陽(yáng)能熱利用中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的領(lǐng)域，并且隨著大眾文明意識(shí)的提高、人民生活水平的不斷提高以及對(duì)生活熱水需求的日益增長(zhǎng)和擁有9億人口的農(nóng)村潛在市場(chǎng)的開發(fā)，研究、開發(fā)與太陽(yáng)能熱水器相配套的控制系統(tǒng)，也就有著重大意義，同時(shí)會(huì)創(chuàng)造良好的社會(huì)效益。而目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能熱水器，存在著太陽(yáng)能利用率不高、穩(wěn)定性差、通用性差等缺陷。本設(shè)計(jì)就是針對(duì)這些，開發(fā)具有高太陽(yáng)能利用率、通用性、穩(wěn)定性好的太陽(yáng)能熱水器。
1.3本課題所涉及的問題及國(guó)內(nèi)（外）研究現(xiàn)狀及分析
當(dāng)前我國(guó)自主開發(fā)的全玻璃真空管太陽(yáng)能熱水器在世界上處于領(lǐng)先平，并出口到日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到1998年底，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)廠有1000多家，年產(chǎn)量在250萬平方米以上，年產(chǎn)值35億元，從業(yè)人員1.5萬人，用戶達(dá)3000多萬人，年產(chǎn)量及擁有量均居世界首位，成為我國(guó)節(jié)能領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)，已引起國(guó)際能源界的關(guān)注，發(fā)展勢(shì)頭很好。進(jìn)入90年代，中國(guó)在改革開放政策指引下，隨著太陽(yáng)能熱水器的不斷改進(jìn)、大眾文明意識(shí)的提高、人民生活水平的不斷提高以及對(duì)生活熱水需求的日益增長(zhǎng)和擁有9億人口的農(nóng)村潛在，市場(chǎng)的開發(fā)，更是促進(jìn)了太陽(yáng)熱水工業(yè)的迅速發(fā)展，太陽(yáng)能熱水器應(yīng)用同時(shí)也得到了一個(gè)大規(guī)模進(jìn)展，并且形成了與空調(diào)、彩電、冰箱等一樣的大規(guī)模市場(chǎng)。太陽(yáng)能熱水器是利用集熱器吸收太陽(yáng)光，將光能轉(zhuǎn)化成熱能，并通過儲(chǔ)水箱將熱水儲(chǔ)存的裝置。目前，技術(shù)水平最高的太陽(yáng)能熱水器是真空集熱管太陽(yáng)能熱水器。真空集熱管的內(nèi)、外管之間是真空夾層，確保冬季管內(nèi)不結(jié)冰，能夠正常使用，內(nèi)管上有一層選擇性吸收鍍膜，膜層能充分吸收太陽(yáng)光。真空管里的水，吸收熱量后，通過溫差循環(huán)，加熱儲(chǔ)箱內(nèi)的水。太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)采取以太陽(yáng)能為主，電能為輔的能源利用方式。一般情況下全年90%的熱水來自太陽(yáng)能，只需10%的電能作補(bǔ)充，365天全天候可以供應(yīng)熱水。太陽(yáng)能熱水器可在全國(guó)大部分地區(qū)使用，并被廣泛應(yīng)用于家庭，在賓館沐浴、工業(yè)用水等方面獲得利用。同時(shí)，由于其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。不用煤油電而用太陽(yáng)能熱水器洗浴的城鄉(xiāng)居民全國(guó)有3000多萬，年節(jié)約能源200萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽(yáng)熱水不但為廣大城鄉(xiāng)用戶所接受，而且建設(shè)部已將它列入建筑節(jié)能新技術(shù)，準(zhǔn)備推廣，太陽(yáng)熱水系統(tǒng)將與被動(dòng)太陽(yáng)采暖、光伏器件一起成為21世楊太陽(yáng)能建筑結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分。太陽(yáng)熱水要擴(kuò)展到為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。
太陽(yáng)能產(chǎn)品本身還存在著使用不方便、不配套、質(zhì)量檔次不高的狀況。同時(shí)，由于受自身?xiàng)l件的限制，隨著春夏秋冬四季的變化，以及不同季節(jié)不同天氣的變化，由于真空集熱管太陽(yáng)能熱水器的單一性能，出水溫度和熱水存量的不確定性給使用中帶來眾多不便，同時(shí)也造成了對(duì)太陽(yáng)能的利用效率低下，太陽(yáng)能熱水器也就在一定程度上滿足不了不同用戶的不同需要，從而影響了太陽(yáng)能熱水器的長(zhǎng)期發(fā)展。
1.4 國(guó)外研究現(xiàn)狀及分析
在世界范圍內(nèi),太陽(yáng)能熱水器技術(shù)已很成熟,并已形成行業(yè),正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)。國(guó)外的太陽(yáng)能熱水器發(fā)展很早,但80 年代的石油降價(jià),加之取消對(duì)新能源減免稅優(yōu)惠的政策導(dǎo)向,使工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家太陽(yáng)能熱水器總銷售量徘徊在幾十萬平方米。
世界環(huán)境發(fā)展大會(huì)之后,許多國(guó)家又開始重視太陽(yáng)能熱水器在節(jié)約常規(guī)能源和減少排放二氧化碳方面的潛力,僅據(jù)美國(guó)加州首府薩克門托市的計(jì)劃,到2000 年太陽(yáng)能熱水器將取代該州47000 套家用電熱水器;到2000 年日本太陽(yáng)能熱水器的擁有量將翻一番;以色列更是明文規(guī)定,所有新建房屋必須配備太陽(yáng)能熱水器。目前,我國(guó)是世界上太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國(guó)家。1992 年銷售量為50萬m2 ,為世界其他各國(guó)銷售量之和;1995 年銷售量翻番,達(dá)100萬m2 。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),1997 年我國(guó)太陽(yáng)能熱水器銷售量300萬m2 ,目前,我國(guó)從事太陽(yáng)能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達(dá)到1000 余家,年產(chǎn)值20 億元,從業(yè)人數(shù)115 萬人。但從房屋的熱水器安裝率來說,以色列已達(dá)80% ,日本為11% ,臺(tái)灣達(dá)217 %,我國(guó)在千分之幾左右,其太陽(yáng)能熱水器的推廣應(yīng)用潛力仍很大。國(guó)際上,太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品經(jīng)歷了悶曬式、平板式、全玻璃真空管式的發(fā)展,目前其產(chǎn)品的發(fā)展方向仍注重提高集熱器的效率,如將透明隔熱材料應(yīng)用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層,以減少熱量損失;聚脂薄膜的透明蜂窩已在德國(guó)和以色列批量生產(chǎn)。隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的普遍提高,太陽(yáng)能熱水器必將逐步替代電熱水器和燃?xì)鉄崴?。雖然太陽(yáng)能熱水器目前仍存在市場(chǎng)價(jià)格高、受季節(jié)和天氣影響的不利因素,但太陽(yáng)能熱水器具有不耗能、安全性、無污染性等優(yōu)勢(shì),而且隨著技術(shù)的發(fā)展其經(jīng)濟(jì)性也逐漸顯露出來。有關(guān)專家對(duì)三種熱水器的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較結(jié)果表明，太陽(yáng)能熱水器在經(jīng)濟(jì)上已具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
1.5國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析
我國(guó)的太陽(yáng)能熱水器發(fā)展趨勢(shì)十幾年來 ，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器行業(yè)從無到有，由小變大，發(fā)展非常迅速，但其普及率仍然很低，產(chǎn)品的品種、功能和質(zhì)量也都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。今后，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器將怎樣發(fā)展，這里僅從產(chǎn)品和技術(shù)的角度，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做個(gè)介紹。
1.4.1太陽(yáng)能熱水器將與建筑結(jié)合
在許多工業(yè)化國(guó)家中，太陽(yáng)能熱水器早己列為建筑配套設(shè)備的一部分。從節(jié)能、環(huán)保和改善人民生活條件等因素考慮，在住宅設(shè)計(jì)中采用太陽(yáng)能熱水器提供生活熱水己是大勢(shì)所趨。為要使太陽(yáng)能熱水器盡早步入建筑行業(yè)，我們首先要研究太陽(yáng)能熱水器與建筑外觀相協(xié)調(diào)的總體方案(依據(jù)南方或北方、城鎮(zhèn)或農(nóng)村、樓房或平房等不同情況)，設(shè)計(jì)出與建筑結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的各種太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品(依據(jù)平屋頂、斜屋頂、陽(yáng)臺(tái)等不同條件);其次要重視熱水器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化以及熱水器施工安裝的規(guī)范化，加強(qiáng)與建筑設(shè)計(jì)部門的合作，使太陽(yáng)能熱水器列入建筑標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)，真正成為建筑的配套設(shè)備。
1.4.2太陽(yáng)能熱水器將逐步完善功能
人們對(duì)住宅中獲取生活熱水的要求正在日趨提高。為了能與電熱水器、燃?xì)鉄崴鞯犬a(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)，太陽(yáng)能熱水器除了在節(jié)能和環(huán)保兩方面具有優(yōu)勢(shì)之外，還應(yīng)當(dāng)具有防凍或抗凍功能;人們希望洗浴時(shí)熱水猶如自來水那樣噴淋，太陽(yáng)能熱水器就應(yīng)當(dāng)采用頂水法取出熱水;人們希望供熱水設(shè)備不要因水垢而堵塞，熱水器就應(yīng)當(dāng)將集熱回路與生活熱水回路分開;人們希望即使陰雨天也能用上熱水，太陽(yáng)能熱水器就應(yīng)當(dāng)跟輔助能源配套;等等。由此可見，全年用熱水器、承壓水箱、雙循環(huán)系統(tǒng)、輔助電加熱等技術(shù)改進(jìn)都將是我國(guó)太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的必然趨勢(shì)。
1.6對(duì)課題所涉及的任務(wù)要求及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析
成功設(shè)計(jì)出小型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)機(jī)械部分應(yīng)有以下幾個(gè)任務(wù)要求：
（1）采用齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)為電機(jī)；
（2）選擇合適的傳動(dòng)裝置，來達(dá)到小型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
（3）本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路
本課題重點(diǎn)研究的是怎樣設(shè)計(jì)小型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)的機(jī)械部分，采用適合的傳感器以及傳動(dòng)裝置來達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)的目標(biāo)。
（1）根據(jù)小型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)需要旋轉(zhuǎn)和升降的要求和自動(dòng)化程度來選擇適合的動(dòng)力源；
（2）確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；
（3）根據(jù)小型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)的大小，通過手里要求計(jì)算出機(jī)構(gòu)中各個(gè)零件尺寸的大小、型號(hào)等并畫出裝配圖；
（4）對(duì)受力部件，零件尺寸進(jìn)行校核計(jì)算。
1.7完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法
(1) 了解小型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，上網(wǎng)和圖書館查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料；
（2）確定設(shè)計(jì)方案，參考資料，進(jìn)行設(shè)計(jì)，詢問老師和同學(xué)；
(3) 了解小型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸以及傳動(dòng)速度，上網(wǎng)和去圖書館查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料；
（4）設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)輸出輸入速度，計(jì)算并設(shè)計(jì)出減速器；
（5）利用AutoCAD軟件畫出裝配圖；
（6）計(jì)算校核，參考資料書中的計(jì)算方法和公式等進(jìn)行計(jì)算交合。
1.8完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃
完成本課題的方案：本方案采用電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，利用減速器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成設(shè)計(jì)
第1-2周 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，撰寫開題報(bào)告。
第3-4周 確定總體方案，明確相關(guān)內(nèi)容。
第5-6周 根據(jù)設(shè)計(jì)要求查閱相關(guān)手冊(cè)，對(duì)各部份機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
第7-9周 繪制零件圖和裝配圖
第10周 完成對(duì)產(chǎn)品的校核工作及設(shè)計(jì)說明書。
第11周 整理資料，做好答辯準(zhǔn)備。
2太陽(yáng)熱水器能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
表2-1 太陽(yáng)能集熱器安裝傾角速查表
城市 緯度/（°） 安裝傾角/（°）
和田 37.09 35
阿克蘇 41.09 40
哈密 42.50 40
烏魯木齊 43.45 40
伊犁 43.55 45
塔城 46.46 45
注：太陽(yáng)能集熱器單位面積得熱量與所在地經(jīng)緯度、大氣透明系數(shù)、集熱器傾角等因素有關(guān)，在安放時(shí)應(yīng)選擇合理傾角。
2.1 機(jī)型
我國(guó)人口眾多，基本上各家各戶都需要安裝太陽(yáng)能熱水器，因此，對(duì)小型太陽(yáng)能熱水器的需求量很大，因此本次的機(jī)型當(dāng)與此相適應(yīng)才較為恰當(dāng)。
雖然定位為小型機(jī)具，但其結(jié)構(gòu)尺寸還要根據(jù)具體的配套太陽(yáng)能熱水器來定。國(guó)內(nèi)集熱器型號(hào)有很多，考慮到熱水器需要轉(zhuǎn)動(dòng)和升降，要求有較大的驅(qū)動(dòng)力，因此盡量減少熱水器質(zhì)量，優(yōu)先考慮非承壓分離式熱水器，先選SLL5818—25型集熱器。
2.2 機(jī)具工作原理
工作過程：機(jī)器開始工作時(shí)，機(jī)架上的電機(jī)帶動(dòng)其同軸的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與其相嚙合的底座齒盤帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。從而保證整個(gè)集熱器始終正對(duì)陽(yáng)光。同時(shí)，在電機(jī)的輸出軸上連接凸輪，利用頂桿使其與集熱器架連接。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以控制機(jī)架的升降，改變機(jī)架的水平角度，以達(dá)到最大限度利用太陽(yáng)能的目的。
2.3 總體配置
經(jīng)過多次的討論和研究，確定小型太陽(yáng)能的總體結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和動(dòng)力傳送系統(tǒng)及升降裝置。其中動(dòng)力源為電動(dòng)機(jī)，考慮到旋轉(zhuǎn)時(shí)需要控制旋轉(zhuǎn)角度，初步考慮選用步進(jìn)電機(jī)，
以便于更準(zhǔn)確的控制旋轉(zhuǎn)角度，使其向陽(yáng)面面積保持最大。升降系統(tǒng)初步考慮用凸輪機(jī)構(gòu)完成，以便于盡可能的簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，降低成本。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示
圖2-1 太陽(yáng)能熱水器結(jié)構(gòu)示意圖
1. 底盤 2.集熱器三角架 3.集熱器 4.導(dǎo)軌 5.電機(jī)底座 6.電機(jī) 7齒輪 8.推桿
9.凸輪 10.轉(zhuǎn)向輪
2.4 基本設(shè)計(jì)參
配套集熱器SLL5818—25集熱器的外形如圖2-2所示：
圖2-2 SLL5818—25型集熱器
具體參數(shù)見下表：
表2-2 規(guī)格型號(hào)表
產(chǎn)品型號(hào)
SLL5818—25曬樂系列
SLL5818—25速樂系列
集熱器件
58mm×1800mm“曬樂”真空管
58mm×1800mm“曬樂”真空管
真空管數(shù)量及間距
25支×75mm
25支×75mm
集熱面積
輪廓面積4m2
輪廓面積4m2
內(nèi)膽材料
SUS304不銹鋼
SUS304不銹鋼
外殼材料
鍍鋁鋅板不銹鋼
鍍鋁鋅板不銹鋼
保溫材料
45mm厚聚氨酯發(fā)泡
45mm厚聚氨酯發(fā)泡
密封材料
硅橡膠密封
硅橡膠密封
外形尺寸
安裝螺釘
重量
與其配套使用的三角架如圖2-3
圖2-3 三角架
2.4.1三角架主要用于固定集熱器并與底座裝置、升降裝置連接。
（1） 該支架適用于SLL5818系列集熱器。
（2）適用于集熱器一層放置，傾角30度。
（3）采用4#國(guó)標(biāo)角鋼或4#熱鍍鋅角鋼現(xiàn)場(chǎng)焊接制成。
2.4.2傳動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)
（1）傳動(dòng)裝置的組成 傳動(dòng)裝置由電機(jī)、齒輪、凸輪等組成。
（2）傳動(dòng)裝置的特點(diǎn) 與齒輪嚙合的齒盤上齒呈弧線分布，故沿軸向載荷分布不均勻，要求齒輪有較大的剛度。
2.5確定傳動(dòng)方案
考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速低，傳動(dòng)功率大，其傳動(dòng)方案如下圖2-4：
圖2-4 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)圖
2.6電動(dòng)機(jī)的選擇
選擇步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)：MPM-ST57C-2P-12.01L?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。
電動(dòng)機(jī)的外形如下圖2-5：
圖2-5 電機(jī)
表 2-3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)
電動(dòng)機(jī)型號(hào) 步距角 相數(shù) 最大靜轉(zhuǎn)矩 定位轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
MPM-ST57C-2P-12.01L 7.5° 4 1,500g.cm 425 g.cm 12.5 g.cm
注：其中，電壓:12VDC 電流:0.6A
電阻:21Ω 引線規(guī)格:UL1007 AWG26 。用微機(jī)控制系統(tǒng)代替脈沖發(fā)生器和脈沖分配器,可以根據(jù)系統(tǒng)需要通過軟件編程的方法任意設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、換向、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過控制程序，這樣可簡(jiǎn)化控制電路,降低生產(chǎn)成本,提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和靈活性。圖2-6為單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)接口原理圖。(軟件法形成脈沖序列的程序流程、主程序流程圖、定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖及其相關(guān)程序,時(shí)間的設(shè)定見附錄。)
圖2-6 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)接口電路原理圖
根據(jù)電機(jī)軸徑的大小及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選取聯(lián)軸器，選擇GY型凸緣聯(lián)軸器，型號(hào)：GY2,工稱轉(zhuǎn)矩/（N.M）63，許用轉(zhuǎn)速/（r/min）10000，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/（)0.0015，質(zhì)量/kg1.72，符合要求。聯(lián)軸器的外形如下圖2-7：
圖2-7 凸緣聯(lián)軸器
3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1齒輪及齒盤的設(shè)計(jì)
3.1.1齒輪的材料及定義
（1） 選用直齒圓柱齒輪
（2）材料選擇，選擇小齒輪材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，牌號(hào)：（GB/T 699-1999 20Mn）硬度為197HBW
（3）選齒輪齒數(shù)，齒盤齒數(shù)
3.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由計(jì)算公式計(jì)算
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
試選載荷系數(shù)
計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
選取齒寬系數(shù)
查得材料的彈性影響系數(shù)
按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，齒盤的接觸疲勞強(qiáng)度極限
1） 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
2） 取接觸疲勞壽命系數(shù),
3） 計(jì)算接觸疲勞用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1
4）試計(jì)算齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
5）計(jì)算圓周速度V
6）計(jì)算齒寬b
7）計(jì)算載荷系數(shù)
由V=0.166m/s ， 7級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)，直齒輪KHa=Kfa=1
用插值法查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支撐非對(duì)稱布置時(shí)KHB=1.423
由，KHB=1.423KFB=1.35，故載荷系數(shù)
3.1.3按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算
得彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為
（1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)
1） 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；齒輪的彎曲強(qiáng)度極限
2） 取彎曲疲勞壽命系數(shù)
3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4
4） 計(jì)算載荷系數(shù)
5） 查取齒形系數(shù)
查表得
6） 查取應(yīng)力校正系數(shù)
查得
7） 計(jì)算齒輪及底盤齒的并加以比較
大齒輪的數(shù)值大
（2） 設(shè)計(jì)計(jì)算Error! No bookmark name given.
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2.05并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.5mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒數(shù)齒盤這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲強(qiáng)度，并做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
3.1.4幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
(2)計(jì)算中心距
(3）計(jì)算齒輪寬度
取
齒輪一端連接電動(dòng)機(jī)的輸出軸，并與轉(zhuǎn)盤上的齒嚙合，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。表3-1 齒輪的基本參數(shù)：
齒數(shù) 模數(shù) 齒全高 壓力角
齒輪 42 2.5 18 20
齒盤 42 2.5 18 20
齒輪結(jié)構(gòu)如下圖3-1
圖3-1 齒輪
3.2軸的計(jì)算
3.2.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
取軸頸處的直徑為19mm，與標(biāo)準(zhǔn)GY型凸緣聯(lián)軸器(型號(hào)：GY2)的孔徑相同。各軸段配合及表面粗糙度選擇如下：軸頸處,;齒輪處配合處為，聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸的配合。
3.2.2 鍵連接的強(qiáng)度校核
鍵主要是為了實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向定位來傳遞轉(zhuǎn)距，鍵的形式用多種，，根據(jù)傳動(dòng)的要求，鍵的選擇應(yīng)根據(jù)軸的直徑選擇不同型號(hào)的鍵，軸的直徑d=19mm選用A型平鍵（GB/T1096—2003摘錄），與聯(lián)軸器連接處鍵的尺寸與凸輪連接處鍵的尺寸軸的材料是45號(hào)鋼，且屬于靜聯(lián)接機(jī)械設(shè)計(jì)第八版表6-2查得許用擠壓應(yīng)力為[σp]=120-150MPa,取其平均值[σp]=135MPa。鍵的工作長(zhǎng)度為,鍵與聯(lián)軸器鍵槽的接觸高度為。由機(jī)械設(shè)計(jì)第八版式6-1可得
T—傳遞的轉(zhuǎn)矩（N.M）
d—軸的直徑（mm）
l—鍵的工作長(zhǎng)度（mm）；A型，l=L－b
k—鍵與輪轂的接觸高度（mm）；k=h－t，h為鍵的高度，
b—鍵的寬度（mm）
t—切向鍵工作面寬度（mm）
—鍵的許用切應(yīng)力（MPa）
—鍵連接的許用擠壓應(yīng)力，/ MPa
可見聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度滿足，即該鍵可以正常工作。
鍵的標(biāo)記為：（GB/T1096-2003） 鍵，圓頭普通平鍵（A型），b=6、h=6、L=20
軸的結(jié)構(gòu)如下圖3-2
圖3-2 傳動(dòng)軸
3.2.2 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面，，即危險(xiǎn)截面C與D其中一個(gè)截面，。根據(jù)式及以上數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，軸的計(jì)算應(yīng)力為
，前已選定軸的材料為，調(diào)質(zhì)處理，查表15—1得許應(yīng)彎曲應(yīng)力。因此，故安全。
3.3凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.3.1凸輪機(jī)構(gòu)形式的確定
根據(jù)常用凸輪機(jī)構(gòu)形式及需要傳遞較大力的要求，在此設(shè)計(jì)對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)，由于滾子與凸輪輪廓之間為滾動(dòng)摩擦，所以磨損較小，故可用來傳遞較大的動(dòng)力。
3.3.2推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定
根據(jù)機(jī)架需要上升十五度角，可確定推桿的推程h=200mm，然后確定推桿的推程運(yùn)動(dòng)角
，遠(yuǎn)休止角=180°，回程運(yùn)動(dòng)角=270°，近休止角=360°。
表3-2 凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律表
運(yùn)動(dòng)規(guī)律 最大速度 最大加速度 最大躍度 適用場(chǎng)合
等速運(yùn)動(dòng) 1.00 低速輕載
等加速等減速 2.00 4.00 中速輕載
余弦加速度 1.57 4.93 中低速重載
正弦加速度 2.00 6.28 39.7 中高速輕載
五次多項(xiàng)式 1.88 5.77 60.0 高速中載
由表中可知余弦加速度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用于中低速重載的場(chǎng)合，因此，在此選用余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因?yàn)榧铀俣惹€連續(xù)。行程始末加速度等于零，躍度為有限值的突變。啟動(dòng)平穩(wěn)。導(dǎo)路側(cè)壓力小，沖擊、磨損較輕。適用中、高速輕載。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得到以下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線如圖3-3：
圖3-3 推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線
3.3.3凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線必須知道基圓半徑Rb，根據(jù)公式：Rb=（—推程角，弧度值; —推程; —最大線速度; —最大壓力角,一般取30°）;查閱現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)P763, 則Rb=，Rr=40mm
3.3.4作圖法畫出凸輪的輪廓曲線
根據(jù)基圓半徑及上述的推桿輪廓曲線作出凸輪的工作廓線如下圖3-4：
圖3-4 凸輪工作廓線
由此可得凸輪的輪廓曲線如圖3-5：
圖3-5 凸輪
3.3.5推桿的設(shè)計(jì)
推桿的結(jié)構(gòu)如圖3-6
圖3-6 推桿
由于需要傳遞較大的力所以選用滾子推桿。這種推桿由于滾子與凸輪輪廓之間為滾動(dòng)摩擦，所以磨損較小，故可以傳遞較大的力。
推桿一端連接凸輪，一端與三角架的橫梁接觸，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就可推動(dòng)橫梁，從而達(dá)到升降的目的。根據(jù)推桿需要頂?shù)饺羌艿臋M梁上，選定頂桿長(zhǎng)203mm，直徑30mm。滾子直徑40mm，寬度20mm。
3.3.6支撐柱
考慮到底盤前半部分受力過大，需要加裝支撐柱。支撐柱采用合金結(jié)構(gòu)鋼，外形如下圖3-7：
圖3-7 支撐柱
注：支撐柱后半部分50mm澆注在房頂平面以下。
小 結(jié)
腳踏實(shí)地，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難、堅(jiān)持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計(jì)中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對(duì)我實(shí)際能力的一次提升，也會(huì)對(duì)我未來的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí)有很大的幫助，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。在此更要感謝我的導(dǎo)師和專業(yè)老師，是你們的細(xì)心指導(dǎo)和關(guān)懷，使我能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在我的學(xué)業(yè)和設(shè)計(jì)的研究工作中無不傾注著老師們辛勤的汗水和心血。老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、無私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的導(dǎo)師李老師致以最衷心的感謝和深深的敬意。
致 謝
四年的讀書生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào)，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào)，我將面對(duì)又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在師長(zhǎng)、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在設(shè)計(jì)即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。本次設(shè)計(jì)是在李宜峰老師的悉心指導(dǎo)與嚴(yán)格要求下進(jìn)行的。從設(shè)計(jì)（論文）的選題、方案的設(shè)計(jì)、具體的繪圖到說明書撰寫的每個(gè)環(huán)節(jié)，都凝聚著李老師的心血和汗水。李老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、開拓創(chuàng)新的工作作風(fēng)及對(duì)事業(yè)的奮進(jìn)執(zhí)著精神，都將使我銘記在心，并時(shí)刻激勵(lì)著我不斷追求勇往直前。此外，本文最終得以順利完成，也是與機(jī)電院其他老師的幫助分不開的，他們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中給我提供了不少的意見和建議，使我少走了許多彎路，在此向他們表示深深的感謝！
大學(xué)時(shí)光已經(jīng)接近尾聲，在此我想對(duì)我的母校，我的老師和同學(xué)們、表達(dá)我由衷的謝意。感謝我的母校塔里木大學(xué)給了我在大學(xué)的本科四年深造機(jī)會(huì)，讓我能繼續(xù)學(xué)習(xí)和提高。塔里木大學(xué)四季如春的校園，美麗如詩(shī)的風(fēng)景都深深的留在了我的記憶里。四年珍貴的學(xué)習(xí)期間，讓我的知識(shí)體系更加完善，思想觀念更加成熟，整體素質(zhì)得到了極大的鍛煉?！白詮?qiáng)不息，求真務(wù)實(shí)”的校訓(xùn)我將銘記于心，在未來的學(xué)習(xí)和工作中躬身踐行。
再次,感謝我的同學(xué)們,以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中得到了他們無私的幫助，以及許多啟發(fā)性的指導(dǎo)和建議。在此向所有支持、關(guān)心、幫助我的人表示由衷的感謝!祝他們永遠(yuǎn)健康、幸福!
最后，感謝我的父母、親人們對(duì)我學(xué)習(xí)的默默支持，使我能順利完成本科學(xué)業(yè)。在未來的日子里，我會(huì)更加努力的學(xué)習(xí)和工作，這或許是對(duì)他們最大的報(bào)答！
參考文獻(xiàn)
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[13] 孫桓.機(jī)械原理（第7版）.高等教育出版社,2006.
附 錄
1.軟件法形成脈沖序列的程序流程
程序如下:
PULSE: MOV R3 , # NUM
PUSH A
PUSH PSW
LOOP: SETB P1. 0
ACALL DELAY1
CLR P1. 0
ACALL DELAY2
DJNZ R3,LOOP
POP PSW
POP A
RET
2.主程序流程圖
程序如下:
CON: MOV R3, # N
MOV TMOD , # 10H
MOV TL1 , # LOW
MOV TH1 , # H IGH
JNB FLAG ,LEFT
MOV R0 , RM
AJMP TIME - S
LEFT: MOV R0 , LM
TIME: SETB EA
SETB ET1
SETB TR1
WAIT: SJMP WAIT
3.定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖
中斷服務(wù)程序如下:
INTTO: PUSH A
PUSH PSW
MOV A , @R0
MOV P1 ,A
INC R0
MOV A , # 00H
XRL A , @R0
JNZ NEXT
MOV A , R0
CLR C
SUBB A , # 03H
MOV R0 , A
NEXT: DJNZ R3 , RETU
CLR ET1
CLR EA
RETU: POP PSW
POP A
RETI
4. 具體時(shí)間參數(shù)計(jì)算如下：
齒盤齒數(shù)z=42，既轉(zhuǎn)過一齒時(shí)所旋轉(zhuǎn)的角度為
夏秋兩季：暫定集熱器從臨晨8:00到正午2:00需轉(zhuǎn)過的角度為，所需時(shí)間為6h=360分鐘。設(shè)定每次只轉(zhuǎn)一齒，到正午2:00需要轉(zhuǎn)動(dòng)次，每次轉(zhuǎn)動(dòng)所需時(shí)間t=分鐘。2:00到傍晚8:00需要轉(zhuǎn)過的角度也為，因時(shí)間相同，所需設(shè)定時(shí)間不變。
冬春兩季：集熱器從臨晨9:00到正午2:00需轉(zhuǎn)過的角度為，所需時(shí)間為5h=300分鐘。設(shè)定每次只轉(zhuǎn)一齒，到正午2:00需要轉(zhuǎn)動(dòng)次，每次轉(zhuǎn)動(dòng)所需時(shí)間t=分鐘。2:00到傍晚7:00需要轉(zhuǎn)過的角度也為，因時(shí)間相同，所需設(shè)定時(shí)間不變。根據(jù)所需時(shí)間設(shè)定程序，即可保證集熱器的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向。
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