能流密度測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

張鴻斐

摘 要：由于太陽(yáng)能分散性、不穩(wěn)定性和利用效率低的自身缺點(diǎn)，增加了太陽(yáng)能利用的成本。只有準(zhǔn)確掌握聚光器聚光效率，測(cè)量實(shí)際接收到的太陽(yáng)光輻射值，才能實(shí)現(xiàn)高效利用太陽(yáng)能。這就需要設(shè)計(jì)一種精度較高的聚光器能流密度測(cè)試儀，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一課題做了大量研究。該文主要是對(duì)目前使用的兩種測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，深入解析兩種測(cè)試儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：擺動(dòng)靶 平移靶 齒輪 均勻性

中圖分類號(hào)：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0036-03

Abstract：Because of the low efficiency of solar energy，the instability and the dispersivity of solar energy，the cost of solar energy utilization is increased.Only by grasping concentrators efficiency， measuring the actual received solar radiation values， We could achieve high efficiency of using solar energy.We need to design a high accuracy of condenser energy flow density measurement which domestic and foreign scholars have done a lot of research. In this paper，two kinds of test instruments are used to carry out dynamic simulation and calculation，and the advantages and disadvantages of the mechanical structure of the two instruments are thoroughly analyzed.

Key Words：Swing bar；Translation bar；Gear；Uniformity

隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，常規(guī)能源出現(xiàn)匱乏跡象，便產(chǎn)生了利用新能源代替常規(guī)能源快速發(fā)展的趨勢(shì)，其中太陽(yáng)能利用成為重中之重。從人類發(fā)展史來(lái)看，早在我國(guó)幾千年前，就已經(jīng)知道應(yīng)用鋼制四面鏡聚焦太陽(yáng)光來(lái)點(diǎn)火和干燥農(nóng)副產(chǎn)品。發(fā)展到現(xiàn)代，太陽(yáng)能的利用已日益廣泛，它包括太陽(yáng)能的光熱利用，太陽(yáng)能的光電利用和太陽(yáng)能的光化學(xué)利用等[1]。為了更高效率利用太陽(yáng)能，只有精確掌握太陽(yáng)光輸入到聚光器的能量值，通過(guò)這個(gè)參考值去反向計(jì)算聚光器的性能，根據(jù)這個(gè)參數(shù)就可以優(yōu)化聚光系統(tǒng)性能來(lái)提高輸出能量值，實(shí)現(xiàn)高效利用太陽(yáng)能的目標(biāo)。測(cè)量太陽(yáng)能輸入值的設(shè)備就成為核心研發(fā)的一個(gè)課題，近些年國(guó)內(nèi)外對(duì)聚光器能流密度測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)出了多種測(cè)量系統(tǒng)，如PROHERMES視覺系統(tǒng)、SCANTMAS測(cè)量裝置等，這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本采用間接測(cè)量法或直接測(cè)量法，或兩種方式結(jié)合的綜合測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)論采用哪種測(cè)試系統(tǒng)，基于的機(jī)械機(jī)構(gòu)都是通過(guò)朗泊靶快速擺動(dòng)方式，掠過(guò)吸熱器采光口，得到測(cè)量結(jié)果[2-4]。為有效精確掌握聚光器輸入能量值，必須采用高精度性能可靠的測(cè)試儀器才能得到最理想的測(cè)試結(jié)果，優(yōu)化現(xiàn)有測(cè)量靶的機(jī)械結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。

1 測(cè)試儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

1.1 建立測(cè)試儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)能流密度測(cè)試系統(tǒng)工作原理，建立兩種類型機(jī)械機(jī)構(gòu)模型，一種是采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)軸與朗泊靶固定聯(lián)接，通過(guò)軟件控制伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)角度，使得朗泊靶在太陽(yáng)光斑接收位置前左右擺動(dòng)，把這種結(jié)構(gòu)稱為擺動(dòng)朗泊靶測(cè)試結(jié)構(gòu)（如圖1）；二是采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)大齒輪帶動(dòng)兩個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將驅(qū)動(dòng)力傳遞到與小齒輪相聯(lián)接的絲杠上，然后推動(dòng)朗泊靶上的絲杠螺母上下快速移動(dòng)，在太陽(yáng)光斑接收位置前往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)稱為平移朗泊靶測(cè)試結(jié)構(gòu)。

擺動(dòng)靶測(cè)試結(jié)構(gòu)由擺動(dòng)朗泊靶、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)組成，平移朗泊靶測(cè)試結(jié)構(gòu)主要由平移朗泊靶、絲杠螺母組件、滑軌滑塊組件、齒輪傳動(dòng)組件及電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件構(gòu)成。

1.2 擺動(dòng)靶測(cè)試結(jié)構(gòu)工作過(guò)程

擺動(dòng)朗泊靶測(cè)試結(jié)構(gòu)（見圖1），通過(guò)能流密度測(cè)試程序里設(shè)定伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)角度范圍值，連續(xù)發(fā)送脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)減速機(jī)帶動(dòng)朗泊靶在這個(gè)角度范圍內(nèi)，往復(fù)循環(huán)擺動(dòng)，使焦點(diǎn)位置的光斑盡可能全部呈現(xiàn)在朗泊靶上，同時(shí)CCD相機(jī)采集圖片，最后通過(guò)后臺(tái)程序合成完整的焦點(diǎn)處光斑照片，計(jì)算出能流密度分布圖。

1.3 平移朗泊靶測(cè)試結(jié)構(gòu)工作過(guò)程

平移朗泊靶測(cè)試結(jié)構(gòu)（見圖2），通過(guò)能流密度測(cè)試軟件控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，大齒輪帶動(dòng)小齒輪屬于增速過(guò)程，小齒輪再將動(dòng)力傳遞到絲杠，達(dá)到減速目的，實(shí)現(xiàn)朗泊靶快速平穩(wěn)在絲杠上移動(dòng)，精確控制朗泊靶移動(dòng)的每一個(gè)位置。CCD相機(jī)采集的圖片位置準(zhǔn)確，軟件后臺(tái)處理程序簡(jiǎn)單，合成照片精度更高，計(jì)算出的能流密度分布圖更加可靠。

2 測(cè)試儀器機(jī)械動(dòng)力仿真計(jì)算和分析

2.1 測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)速度對(duì)比分析

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量原理，建立如圖1和圖2兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，為更加清晰掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性及可靠性，得到最優(yōu)的機(jī)械測(cè)試儀結(jié)構(gòu)，更好為整個(gè)能流密度測(cè)試系統(tǒng)服務(wù)。應(yīng)用Solidworks軟件對(duì)這兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。圖3為擺動(dòng)靶測(cè)量結(jié)構(gòu)朗泊靶在左右擺動(dòng)過(guò)程中，朗泊靶中心速度的振幅變化關(guān)系圖，從圖上得知，在整個(gè)循環(huán)擺動(dòng)過(guò)程中，速度是先進(jìn)行加速，然后突變減速到一定值，再突然加速在突然減速最低點(diǎn)位置完成一個(gè)左右擺動(dòng)循環(huán)。一個(gè)循環(huán)當(dāng)中出現(xiàn)兩次速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)朗泊靶轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置時(shí)，此時(shí)的速度達(dá)到最大，并且要突然改變速度大小，對(duì)朗泊靶與減速機(jī)連接處軸的沖擊力特別大，瞬時(shí)產(chǎn)生扭力達(dá)到最大，如果長(zhǎng)期這樣工作狀態(tài)，減速機(jī)軸壽命明顯會(huì)受到?jīng)_擊力作用，因疲勞而斷裂，出現(xiàn)朗泊靶飛出產(chǎn)生嚴(yán)重的事故。圖4為平移靶測(cè)量結(jié)構(gòu)朗泊靶上下移動(dòng)過(guò)程中，朗泊靶中心速度振幅變化關(guān)系圖，從圖上獲知，循環(huán)過(guò)程中向上運(yùn)動(dòng)時(shí)候速度是勻減速，由于朗泊靶自身重力，與驅(qū)動(dòng)力相反方向，相當(dāng)于阻力作用，上升高度越大，需要驅(qū)動(dòng)力就越大，但是電機(jī)驅(qū)動(dòng)力恒定，這樣出現(xiàn)了速度隨著高度增加減小。相反，當(dāng)朗泊靶向下移動(dòng)時(shí)候，由于重力作用與驅(qū)動(dòng)力方向一致，加上慣性力作用使得速度勻速增加，出現(xiàn)圖示速度隨高度減小而增大的現(xiàn)象。

2.2 測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)加速度對(duì)比分析

兩種測(cè)試結(jié)構(gòu)模型經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，分別得出朗泊靶中心加速度振幅關(guān)系圖5和圖6。圖5是擺動(dòng)靶測(cè)量結(jié)構(gòu)中心加速度振幅變化關(guān)系圖，從圖上獲知，加速度處于周期波動(dòng)狀態(tài)，并且在極短的時(shí)間內(nèi)幅值變化特別大，這說(shuō)明產(chǎn)生的慣性力對(duì)朗泊靶作用很大，造成減速機(jī)軸受到頻繁扭力沖擊作用，長(zhǎng)期會(huì)因這種沖擊造成減速機(jī)軸疲勞破壞，壽命周期很短。圖6是平移靶測(cè)量結(jié)構(gòu)中心加速度變化關(guān)系圖，從圖上得知，在整個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，加速度只在中間位置發(fā)生很小波動(dòng)，這個(gè)時(shí)間位置剛好是驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，振幅也非常小，這就說(shuō)明產(chǎn)生的慣性力對(duì)電機(jī)軸扭力沖擊非常小，體現(xiàn)出該測(cè)試結(jié)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)性，從而提高了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的壽命周期。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立擺動(dòng)靶測(cè)量結(jié)構(gòu)和平移靶測(cè)量結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出如下結(jié)論。

（1）對(duì)擺動(dòng)靶測(cè)量結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，從速度和加速度關(guān)系圖分析，該結(jié)構(gòu)測(cè)試設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，產(chǎn)生的慣性力大，對(duì)減速機(jī)軸沖擊力大，長(zhǎng)期工作會(huì)造成減速機(jī)軸疲勞破壞，帶來(lái)嚴(yán)重事故。

（2）通過(guò)對(duì)平移靶測(cè)量結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)測(cè)試設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，產(chǎn)生慣性力小，相對(duì)擺動(dòng)靶測(cè)量結(jié)構(gòu)設(shè)備壽命周期較長(zhǎng)，由于沖擊力小，朗泊靶移動(dòng)平穩(wěn)，所以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試精度影響特別小。

從以上結(jié)論得出：平移靶測(cè)量結(jié)構(gòu)具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高整個(gè)能流密度測(cè)試系統(tǒng)精度的作用是非常重要的，在將來(lái)能流密度測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用的前景也會(huì)越來(lái)越好，成為主流測(cè)試結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

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