太阳能自动跟踪系统设计论文(6)

式(3.37)
3.5.3 步进电机 1 的输出轴与小齿轮 1 的联接
选用花键联接。 材料选用 45 钢，齿面经过热处理则。 [σ P ] = 80 MPa
Z=20,h=5mm,l1=80mm rm=12mm
联接所能传递的转矩 T = kzhl1rm [σ P ] = 0.7 × 20 × 5 × 80 × 12 × 80 = 6272 Nm > 1200 Nm 所以满足要求。
式(3.38)
3.5.4 步进电机 2 的输出轴与小齿轮 2 的联接
选用花键联接。 材料选用 45 钢，齿面经过热处理。
[σ P ] = 80 MPa
Z=20,h=5mm,l1=100mm rm=12mm
联接所能传递的转矩
25
T = kzhl1rm[σP ] = 0.7×20×5×100×12×80 = 6720Nm > 2000Nm
所以满足要求。
式(3.39)
3.6 抗风性分析
3.6.1 底座上的螺钉校核
危险截面面积
Ac =
π
4
(d1
H 2 ) = 1045mm 2 6
式(3.40)
螺钉应力副
σa =
Fa = 9000 N Ac
式(3.41)
选择螺钉的性能等级 5.6 级 则 σ B = 5 × 100 = 500MPa
σs = 6×
螺钉疲劳极限
σB
10
= 6×
500 = 300 MPa 10
式(3.42) 式(3.43)
σ 1 = 0.32σ B = 0.32 × 500 = 160MPa
极限应力幅
σ a lim =
许用应力幅
ε km ka
kσ
σ 1 =
0.62 × 1× 1.5 × 160 = 43.1MPa 3.45
式(3.44)
σa =
σ a lim
[ sa ]
=
43.1 = 14.4 MPa 3
σ a < [σ a ]
所以螺钉强度满足条件。
3.6.2 轴的校核
判断危险截面 1 材料选用 45 钢调质 。
σ B = 650MPa σ s = 360MPa
对称循环疲劳极限 式 (3.45)
σ 1b = 0.44σ B = 0.44 × 650 = 286 MPa τ 1 = 0.30σ B = 0.3 × 650 = 195MPa
脉动循环疲劳极限
式(3
.46)
26
σ 0b = 1.7σ 1b = 1.7 × 286 = 486MPa σ 0 = 1.6τ 1 = 1.6 ×195 = 312MPa
等效系数
式(3.47)
σ 0b 2τ τ 2 × 195 312 = 0.25 τ = 1

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0 = 312 τ0
截面上的应力
σ =
2σ 1b σ 0 b
=
2 × 286 486 = 0.18 486
式(3.48)
τ=
T = 10 MPa wT
τa =τm =
有效应力集中系数
τ
2
= 5MPa
kσ = 1.77, kτ = 1.31
表面状态系数
β = 0.92
尺寸系数
ε σ = 0.88, ετ = 0.81
弯曲安全系数 设为无限寿命，k=1
1× 286 = 6.38 kσ 1.77 × 20.5 σ + σ βε σ a σ m 0.92 × 0.88 k N σ 1 1×195 sσ = = = 19.62 kτ 1.31 × 4.95 + 0.25 × 4.95 σ + σ βετ a σ m 0.92 × 0.81 sσ sτ 6.38 × 19.62 s= = = 6.07 > 1.5[ s ] 2 2 sσ + sτ 6.382 + 19.622 sσ = = k N σ 1b a
式(3.49)
轴强度满足要求。
4
4.1 系统总体结构
自动跟踪系统设计
本系统包括光电转换器、步进电机、89C51 系列单片机以及相应的外围电路等。太阳 能电池板有两个自由度。控制机构将分别对 X、Y 方向与 Z 方向进行调整。单片机加电复
27
位后，X、Y 方向将处于旋转状态，单片机将对采样进来的电压信号进行判断，电压有增大 和减小两种可能，如电压增大，则让电池板继续转动，一旦电压减小，单片机将立即发出 信号，让电机反转，实现电池板对太阳的跟踪。
传 感 器
光 电 转 换
单片机
驱 动 器
步 进 电 机
电源
图 4-1 系统总体结构
4.2 光电转换器
光电转换器接收太阳光，将光信号转换成电信号，单片机根据采集来的信号进行分析 比较，得出结果最终控制步进电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始终垂直于入射 光线，从而达到最高效率的利用太阳能。本设计的光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻 在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方 向边沿处的下方。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相 同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时， 接收光强多的光敏电阻阻值减少， 驱动电动机转动， 直至两个光敏电阻上的光照强度相同， 称为光敏电阻光强比较法。其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。
4.2.1 光电转换电路
下图中光电转换电路是其中的一组，另一组电路与此相同。当阳光正对太阳能板时， 光敏电阻 R1、R2 都是高电阻， A、B 两点电压相等。四运放 LM124
的输出的电压相同，单 片机收到的信号差为零，所以单片机不控制电动机转动。若阳光发生倾斜，使 Rl 被阳光 射中呈低电阻，则 A 点电位比 B 点高。运算放大器 U2A 的作用是一个电压跟随器，起缓冲、 隔离、提高带载能力的作用，保持采样信号的稳定。U3A 是减法器，其输出为 A 与 B

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