太阳能热水器结构设计.doc

1、目 录1 绪论 .11.1 本课题的来源及研究的目的和意义 .11.2 太阳能热水器的概况 .11.3 本课题所涉及的问题及国内（外）研究现状及分析 .11.4 国外研究现状及分析 .21.5 国内研究现状及分析 .21.6 对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析 .31.7 完成本课题所必须的工作条件及解决的办法 .31.8 完成本课题的工作方案及进度计划 .32 太阳热水器能结构设计方案 .42.1 机型 .42.2 机具工作原理 .42.3 总体配置 .42.4 基本设计参 .52.5 确定传动方案 .62.6 电动机的选择 .63 传动机构的设计 .83.1 齿轮及齿盘的设计

2、 .83.2 轴的计算 .113.3 凸轮机构的设计及计算 .12小 结 .15致 谢 .16参考文献 .17附 录 .18塔里木大学毕业设计11 绪论1.1 本课题的来源及研究的目的和意义进入 21 世纪，随着石油、煤、天然气等这些不可再生自然能源价格的上涨，能源危机再次引起了人们的注意，如何很好的节约和利用能源，特别是可持续性能源，一直是人类所面临的问题。在本次设计中我将从我国目前面临的能源现状出发，分析太阳能的基本特性的基础上，对目前收集太阳能最成功的装置太阳能热水器进行结构设计。太阳能热转换技术的核心是采用高品质、高转换率的太阳能集热器。未来的太阳能热利用发展趋势是太阳能与建筑结合，太

3、阳能平板集热器是与建筑结合最佳方式的太阳集热器。但我国幅员辽阔，各地日照时间，日照角度等参数各不相同，因此可根据环境需要做成灵活多变的结构形式和形体尺寸。太阳能热水器虽然在国内用的比较多，但是在结构方面有不少的不足之处，不能尽可能满足用户的使用，本次设计旨在提出一些可以优化的方面。一是提出集热器旋转的结构改进方案，二是提出集热器日照角度变换的结构改进方案，三是提出在热水器自动控制方面的改进方案。1.2 太阳能热水器的概况目前太阳能热水系统尚未纳入建筑给排水设计,工程中较常用的热水供应是采用换热站提供的合适温度的热水,再通过室外管网向用户供水。该供水方式存在供热效率低, 经济效益差等缺点。而家用

4、太阳能热水器就是一个节约能源，有效利用能源的典型。随着人类生活的不断进步，科学技术的不断发展，电子技术在各个领域的广泛应用，如何更高效的利用太阳能必将成为小型太阳能结构的发展趋势。美国、日本等发达国家已经在这方面做了很多有益的探索和研究，在我国，随着人民生活水平的日益提高，高效便捷的太阳能结构也必将在我国兴起、发展和完善。所以如何提高民用设备的利用率也就成了一种有益的、必要的、积极的探索和研究。同时，自 1985 年以来我国太阳能利用取得了举世瞩目的成绩，太阳能热水器是太阳能热利用中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域，并且随着大众文明意识的提高、人民生活水平的不断提高以及对生活热水需

5、求的日益增长和拥有 9 亿人口的农村潜在市场的开发，研究、开发与太阳能热水器相配套的控制系统，也就有着重大意义，同时会创造良好的社会效益。而目前市场上的太阳能热水器，存在着太阳能利用率不高、稳定性差、通用性差等缺陷。本设计就是针对这些，开发具有高太阳能利用率、通用性、稳定性好的太阳能热水器。1.3 本课题所涉及的问题及国内（外）研究现状及分析当前我国自主开发的全玻璃真空管太阳能热水器在世界上处于领先平，并出口到日本、美国等发达国家。据统计，截止到 1998 年底，我国太阳能热水器生产厂有 1000 多家，年产量在 250 万平方米以上，年产值 35 亿元，从业人员 1.5 万人，用户达 300

6、0 多万人，年产量及拥有量均居世界首位，成为我国节能领域的新兴产业，已引起国际能源界的关注，发展势头很好。进入 90 年代，中国在改革开放政策指引下，随着太阳能热水器的不断改进、大众文明意识的提高、人民生活水平的不断提高以及对生活热水需求的日益增长和拥有 9亿人口的农村潜在，市场的开发，更是促进了太阳热水工业的迅速发展，太阳能热水器应用同时也得到了一个大规模进展，并且形成了与空调、彩电、冰箱等一样的大规模市场。太阳能热水器是利用集热器吸收太阳光，将光能转化成热能，并通过储水箱将热水储存的装置。目前，技术水平最高的太阳能热水器是真空集热管太阳能热水器。真空集热管的内、外管之间是真空夹层，确保冬季

7、管内不结冰，能够正常使用，内管上有一层选择性吸收镀膜，膜层能充分吸收太阳光。真空管里的水，吸收热量后，通过温差循环，加热储箱内的水。太阳能中央热水系统采取以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式。一般情况下全年90%的热水来自太阳能，只需 10%的电能作补充，365 天全天候可以供应热水。太阳能热水塔里木大学毕业设计2器可在全国大部分地区使用，并被广泛应用于家庭，在宾馆沐浴、工业用水等方面获得利用。同时，由于其经济和社会效益显著。不用煤油电而用太阳能热水器洗浴的城乡居民全国有 3000 多万，年节约能源 200 万吨标准煤。太阳热水不但为广大城乡用户所接受，而且建设部已将它列入建筑节能新技术，准备

8、推广，太阳热水系统将与被动太阳采暖、光伏器件一起成为 21 世杨太阳能建筑结构的一个组成部分。太阳热水要扩展到为工农业生产服务。太阳能产品本身还存在着使用不方便、不配套、质量档次不高的状况。同时，由于受自身条件的限制，随着春夏秋冬四季的变化，以及不同季节不同天气的变化，由于真空集热管太阳能热水器的单一性能，出水温度和热水存量的不确定性给使用中带来众多不便，同时也造成了对太阳能的利用效率低下，太阳能热水器也就在一定程度上满足不了不同用户的不同需要，从而影响了太阳能热水器的长期发展。1.4 国外研究现状及分析在世界范围内,太阳能热水器技术已很成熟,并已形成行业,正在以优良的性能不断地冲击电热水器市

9、场和燃气热水器市场。国外的太阳能热水器发展很早,但 80 年代的石油降价,加之取消对新能源减免税优惠的政策导向,使工业发达国家太阳能热水器总销售量徘徊在几十万平方米。世界环境发展大会之后,许多国家又开始重视太阳能热水器在节约常规能源和减少排放二氧化碳方面的潜力,仅据美国加州首府萨克门托市的计划,到 2000 年太阳能热水器将取代该州 47000 套家用电热水器 ;到 2000 年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番;以色列更是明文规定,所有新建房屋必须配备太阳能热水器。目前,我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。1992 年销售量为 50 万 m2 ,为世界其他各国销售量之和;1995

10、 年销售量翻番,达 100 万 m2 。据初步统计,1997 年我国太阳能热水器销售量 300 万 m2 ,目前,我国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到 1000 余家,年产值 20 亿元,从业人数 115 万人。但从房屋的热水器安装率来说,以色列已达 80% ,日本为 11% ,台湾达 217 %,我国在千分之几左右,其太阳能热水器的推广应用潜力仍很大。国际上,太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展,目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减少热量损失;聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。随着世

11、界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高,太阳能热水器必将逐步替代电热水器和燃气热水器。虽然太阳能热水器目前仍存在市场价格高、受季节和天气影响的不利因素,但太阳能热水器具有不耗能、安全性、无污染性等优势,而且随着技术的发展其经济性也逐渐显露出来。有关专家对三种热水器的经济指标比较结果表明，太阳能热水器在经济上已具有较强的竞争力。1.5 国内研究现状及分析我国的太阳能热水器发展趋势十几年来 ，我国太阳能热水器行业从无到有，由小变大，发展非常迅速，但其普及率仍然很低，产品的品种、功能和质量也都远远不能满足需要。今后，我国太阳能热水器将怎样发展，这里仅从产品和技术的角度，对其发展趋势做个介绍。1.4.

12、1 太阳能热水器将与建筑结合在许多工业化国家中，太阳能热水器早己列为建筑配套设备的一部分。从节能、环保和改善人民生活条件等因素考虑，在住宅设计中采用太阳能热水器提供生活热水己是大势所趋。为要使太阳能热水器尽早步入建筑行业，我们首先要研究太阳能热水器与建筑外观相协调的总体方案(依据南方或北方、城镇或农村、楼房或平房等不同情况)，设计出与建筑结构相适应的各种太阳能热水器产品(依据平屋顶、斜屋顶、阳台等不同条件);其次要重视热水器产品的标准化、系列化以及热水器施工安装的规范化，加强与建筑设计部门的合塔里木大学毕业设计3作，使太阳能热水器列入建筑标准图册，真正成为建筑的配套设备。1.4.2 太阳能热水

13、器将逐步完善功能人们对住宅中获取生活热水的要求正在日趋提高。为了能与电热水器、燃气热水器等产品竞争，太阳能热水器除了在节能和环保两方面具有优势之外，还应当具有防冻或抗冻功能;人们希望洗浴时热水犹如自来水那样喷淋，太阳能热水器就应当采用顶水法取出热水;人们希望供热水设备不要因水垢而堵塞，热水器就应当将集热回路与生活热水回路分开;人们希望即使阴雨天也能用上热水，太阳能热水器就应当跟辅助能源配套;等等。由此可见，全年用热水器、承压水箱、双循环系统、辅助电加热等技术改进都将是我国太阳能热水器发展的必然趋势。1.6 对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析成功设计出小型太阳能结构机械部分应有以下

14、几个任务要求：（1）采用齿轮传动，驱动为电机；（2）选择合适的传动装置，来达到小型太阳能结构的设计目标。（3）本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路本课题重点研究的是怎样设计小型太阳能结构的机械部分，采用适合的传感器以及传动装置来达到设计任务的目标。（1）根据小型太阳能结构需要旋转和升降的要求和自动化程度来选择适合的动力源；（2）确定传动机构和执行机构；（3）根据小型太阳能结构的大小，通过手里要求计算出机构中各个零件尺寸的大小、型号等并画出装配图；（4）对受力部件，零件尺寸进行校核计算。1.7 完成本课题所必须的工作条件及解决的办法(1) 了解小型太阳能结构的应用及在国内外发展的现状，上

15、网和图书馆查阅相关文献资料；（2）确定设计方案，参考资料，进行设计，询问老师和同学；(3) 了解小型太阳能结构的结构尺寸以及传动速度，上网和去图书馆查阅相关文献资料；（4）设计传动机构，根据输出输入速度，计算并设计出减速器；（5）利用 AutoCAD 软件画出装配图；（6）计算校核，参考资料书中的计算方法和公式等进行计算交合。1.8 完成本课题的工作方案及进度计划完成本课题的方案：本方案采用电动机为动力源，利用减速器等传动机构完成设计第 1-2 周 查阅相关文献，撰写开题报告。第 3-4 周 确定总体方案，明确相关内容。第 5-6 周 根据设计要求查阅相关手册，对各部份机构进行设计。第 7-9

16、 周 绘制零件图和装配图第 10 周 完成对产品的校核工作及设计说明书。第 11 周 整理资料，做好答辩准备。塔里木大学毕业设计42 太阳热水器能结构设计方案表 2-1 太阳能集热器安装倾角速查表城市 纬度/（） 安装倾角/（）和田 37.09 35阿克苏 41.09 40哈密 42.50 40乌鲁木齐 43.45 40伊犁 43.55 45塔城 46.46 45 注：太阳能集热器单位面积得热量与所在地经纬度、大气透明系数、集热器倾角等因素有关，在安放时应选择合理倾角。2.1 机型我国人口众多，基本上各家各户都需要安装太阳能热水器，因此，对小型太阳能热水器的需求量很大，因此本次的机型当与此相适

17、应才较为恰当。虽然定位为小型机具，但其结构尺寸还要根据具体的配套太阳能热水器来定。国内集热器型号有很多，考虑到热水器需要转动和升降，要求有较大的驱动力，因此尽量减少热水器质量，优先考虑非承压分离式热水器，先选 SLL581825 型集热器。2.2 机具工作原理工作过程：机器开始工作时，机架上的电机带动其同轴的齿轮转动，与其相啮合的底座齿盘带动整个机构转动。从而保证整个集热器始终正对阳光。同时，在电机的输出轴上连接凸轮，利用顶杆使其与集热器架连接。当电机转动时，带动凸轮转动，从而可以控制机架的升降，改变机架的水平角度，以达到最大限度利用太阳能的目的。2.3 总体配置经过多次的讨论和研究，确定小型

18、太阳能的总体结构，包括转动装置和动力传送系统及升降装置。其中动力源为电动机，考虑到旋转时需要控制旋转角度，初步考虑选用步进电机，以便于更准确的控制旋转角度，使其向阳面面积保持最大。升降系统初步考虑用凸轮机构完成，以便于尽可能的简化机构，降低成本。其结构如图 2-1 所示塔里木大学毕业设计5图 2-1 太阳能热水器结构示意图1.底盘 2.集热器三角架 3.集热器 4.导轨 5.电机底座 6.电机 7 齿轮 8.推杆 9.凸轮 10.转向轮2.4 基本设计参配套集热器 SLL581825 集热器的外形如图 2-2 所示：图 2-2 SLL581825 型集热器具体参数见下表：表 2-2 规格型号表

19、产品型号 SLL581825 晒乐系列 SLL581825 速乐系列集热器件 58mm1800mm“晒乐”真空管58mm1800mm“晒乐”真空管塔里木大学毕业设计6真空管数量及间距 25 支75mm 25 支75mm集热面积 轮廓面积 4m2 轮廓面积 4m2内胆材料 SUS304 不锈钢 SUS304 不锈钢外壳材料 镀铝锌板不锈钢 镀铝锌板不锈钢保温材料 45mm 厚聚氨酯发泡 45mm 厚聚氨酯发泡密封材料 硅橡胶密封 硅橡胶密封外形尺寸 140m920m 140m920m安装螺钉 518M 58M重量 kg kg与其配套使用的三角架如图 2-3图 2-3 三角架2.4.1 三角架主要

20、用于固定集热器并与底座装置、升降装置连接。（1）该支架适用于 SLL5818 系列集热器。（2）适用于集热器一层放置，倾角 30 度。（3）采用 4#国标角钢或 4#热镀锌角钢现场焊接制成。2.4.2 传动装置整体结构（1）传动装置的组成 传动装置由电机、齿轮、凸轮等组成。（2）传动装置的特点 与齿轮啮合的齿盘上齿呈弧线分布，故沿轴向载荷分布不均匀，要求齿轮有较大的刚度。2.5 确定传动方案 考虑到电机转速低，传动功率大，其传动方案如下图 2-4：塔里木大学毕业设计7图 2-4 传动装置设计图2.6 电动机的选择选择步进电机，型号：MPM-ST57C-2P-12.01L。可以通过控制脉冲个数来

21、控制角位移量，从而达到准确定位的目的。电动机的外形如下图 2-5：图 2-5 电机表 2-3 步进电动机参数电动机型号 步距角 相数 最大静转矩 定位转矩 转动惯量MPM-ST57C-2P-12.01L 7.5 4 1,500g.cm 425 g.cm 12.5 g.cm注：其中，电压:12VDC 电流:0.6A 电阻:21 引线规格:UL1007 AWG26 。用微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,可以根据系统需要通过软件编程的方法任意设定步进电机的转速、旋转角度、换向、转动次数和控制步进电机的运行状态。通过控制程序，这样可简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。图 2-

22、6 为单片机控制步进电机接口原理图。(软件法形成脉冲序列的程序流程、主程序流程图、定时器中断服务程序流程图及其相关程序,时间的设定见附录。)塔里木大学毕业设计8图 2-6 单片机控制步进电机接口电路原理图 根据电机轴径的大小及转动惯量，选取联轴器，选择 GY 型凸缘联轴器，型号：GY2,工称转矩/（N.M）63，许用转速/（r/min）10000，转动惯量/（ )0.0015，质量2mkg/kg1.72，符合要求。联轴器的外形如下图 2-7： 图 2-7 凸缘联轴器3 传动机构的设计3.1 齿轮及齿盘的设计3.1.1 齿轮的材料及定义（1）选用直齿圆柱齿轮（2）材料选择，选择小齿轮材料为优质碳

23、素结构钢，牌号：（GB/T 699-1999 20Mn）硬度为 197HBW（3）选齿轮齿数 ，齿盘齿数42=z142z=3.1.2 按齿面接触强度设计由计算公式计算塔里木大学毕业设计932HE11 )z（u+. dkT2td确定公式内的各计算数值试选载荷系数 3K1计算齿轮传递的转矩mN07.=n9095.=T5151选取齿宽系数 1 d查得材料的弹性影响系数 2189.MP=ZE按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 ，齿盘的接触疲劳强度a160MP Hmin极限 a250MP Hmin=1） 计算应力循环次数78281104.65=0.95=N 102.95=1）38（ 2JLh62） 取接触疲劳寿命系数 , 9KHN1.95KHN2=3） 计算接触疲劳用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1 52.MPa=0.95slim1KHN= 46= 0 x214）试计算齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值1d H05=) z（u+tk2.3d2HE115）计算圆周速度 V .16m/s0648=06nV16）计算齿宽 b 5td 1=7）计算载荷系数由 V=0.166m/s ， 7 级精度，查得动载系数 ，直齿轮 KHa=Kfa=11.2KV