太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化

陳元濤, 李鵬,2, 張順翔, 楊裕錦, 祝璇

(1. 武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,武漢 430070;2. 先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室佛山分中心(佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室),廣東佛山 528200)

太陽(yáng)跟蹤器廣泛應(yīng)用于平板光伏、聚光光伏、定日鏡、太陽(yáng)能槽式收集器等太陽(yáng)能系統(tǒng)中,通過(guò)太陽(yáng)跟蹤機(jī)電系統(tǒng)追蹤太陽(yáng),保證太陽(yáng)光線垂直入射到光伏平板等太陽(yáng)收集表面,可大幅提高太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換效率,與固定式安裝太陽(yáng)能平板光伏相比,采用太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)可使其發(fā)電量提高25%～40%[1]。跟蹤器俯仰運(yùn)動(dòng)通常由電動(dòng)推桿組成曲柄搖塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)電動(dòng)推桿的絲桿伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)高度角跟蹤。電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、空間節(jié)省、運(yùn)行精確平穩(wěn)、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),是目前太陽(yáng)能系統(tǒng)應(yīng)用的主要方案。

俯仰機(jī)構(gòu)在武器裝備[2]、雷達(dá)[3-4]、起重機(jī)械[5-7]、滅火機(jī)械[8]、機(jī)器人[9-10]等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用,機(jī)構(gòu)空間布局方案優(yōu)化與設(shè)計(jì)問(wèn)題一直是研究的重點(diǎn),而太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的研究卻較少[11-13]。

由于太陽(yáng)跟蹤器主要承受風(fēng)荷載,因此針對(duì)不同方向風(fēng)荷載,必須計(jì)算各工況下在完整太陽(yáng)跟蹤過(guò)程中電動(dòng)推桿承力變化情況。鑒于上述分析,本文對(duì)太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的布局方案和幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),建立太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)完整太陽(yáng)跟蹤過(guò)程中電動(dòng)推桿承受載荷最小的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,通過(guò)編寫(xiě)MATLAB優(yōu)化程序,優(yōu)化機(jī)構(gòu)的布局參數(shù)和機(jī)構(gòu)尺寸,減小電動(dòng)推桿的載荷,使機(jī)構(gòu)布置更趨合理,達(dá)到減少功率消耗,降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益的目的,具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)

1.1 太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)空間布局結(jié)構(gòu)

如圖1太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)示意圖所示,太陽(yáng)跟蹤器俯仰機(jī)構(gòu)主要由組件陣列、電動(dòng)推桿、跟蹤器支架、推桿支撐座、推桿上支座和俯仰軸組成。組件陣列通過(guò)俯仰軸連接在跟蹤器支架上,推桿支撐座固定在支架橫梁對(duì)稱軸線處,推桿上支座則固定在組件陣列上。電動(dòng)推桿的球形鉸接通過(guò)動(dòng)鉸點(diǎn)B和太陽(yáng)能組件陣列上的推桿上支座連接,電動(dòng)推桿的套筒座與推桿支撐座上的鉸點(diǎn)A通過(guò)銷軸連接。當(dāng)太陽(yáng)高度角變化時(shí),控制系統(tǒng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)推桿做直線運(yùn)動(dòng),從而推動(dòng)動(dòng)鉸點(diǎn)B使得組件陣列繞俯仰軸中心點(diǎn)C做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)推桿套筒座繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng),從而通過(guò)機(jī)構(gòu)的俯仰運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)高度角的跟蹤。

圖1 電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)示意圖

建立坐標(biāo)系xoy如圖1b)所示,A點(diǎn)作為推桿支撐座與推桿套筒座的連接鉸點(diǎn),坐標(biāo)為(x1,y1),點(diǎn)A到電動(dòng)推桿軸線的距離為h,推桿上支座上的動(dòng)鉸點(diǎn)B與組件陣列對(duì)稱軸的垂直距離為x2,與組件陣列下平面的距離為y2。組件陣列的重心位于陣列幾何對(duì)稱軸上,與組件陣列下表面的距離為b,且組件陣列的幾何對(duì)稱軸與俯仰軸中心點(diǎn)C重合,點(diǎn)C與組件陣列下表面的距離為n,點(diǎn)C位于y軸上,坐標(biāo)為(0,H)。組件陣列與y軸所夾銳角θ即為太陽(yáng)高度角,在俯仰運(yùn)動(dòng)中,鉸點(diǎn)A、B的連線與組件陣列線速度方向的夾角為α,由于推桿兩固定位置為鉸支座,所以在該機(jī)構(gòu)中推桿可視為二力桿,所以余角β即為電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角,推桿行程為L(zhǎng),m為推桿安裝時(shí)套筒座的安裝位置參數(shù)。動(dòng)鉸點(diǎn)B位置隨太陽(yáng)高度角θ變化,坐標(biāo)為(y2cosθ-x2sinθ+nsinθ,H-x2cosθ+nsinθ-y2sinθ),設(shè)B點(diǎn)沿組件陣列線速度方向在陣列下平面的投影為點(diǎn)B′,其坐標(biāo)為(-x2sinθ-ncosθ,H-x2cosθ+nsinθ)。

1) 電動(dòng)推桿行程L的計(jì)算

通過(guò)圖1中各點(diǎn)間的幾何關(guān)系,可以建立關(guān)于推桿行程的三角函數(shù)關(guān)系式為

|AB|2=(L+m)2+h2

(1)

式中|AB|為鉸點(diǎn)A、B兩者的距離,其表達(dá)式為

(2)

(3)

式中:k1=y2cosθ-x2sinθ-ncosθ-x1;k2=H-x2cosθ+nsinθ-y2sinθ-y1。

2) 電動(dòng)推桿傳動(dòng)角β的計(jì)算

(4)

傳動(dòng)角β是衡量俯仰機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能的重要參數(shù),是鉸點(diǎn)A、B的連線方向與組件陣列線速度方向夾角α的余角,由圖1中幾何關(guān)系可得

β=arcsin(cosα)

(6)

1.2 太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)受力分析

跟蹤器俯仰機(jī)構(gòu)風(fēng)載荷示意圖如圖2所示。

圖2 跟蹤器俯仰機(jī)構(gòu)風(fēng)載荷示意圖

圖2中:風(fēng)作用于組件陣列時(shí),θ為太陽(yáng)高度角,δ為風(fēng)向角;太陽(yáng)跟蹤器俯仰機(jī)構(gòu)所受的力包括阻力Fx、升力Fy和俯仰力矩Mz;風(fēng)載荷受風(fēng)速、組件陣列幾何特征尺寸和空氣密度等因素的影響。

Fx=Cxρv2el/2

(7)

Fy=Cyρv2el/2

(8)

Mz=Cmzρv2e2l/2

(9)

式中:Cx、Cy和Cmz分別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù),其數(shù)值參考文獻(xiàn)[14]中的風(fēng)載系數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3;v為設(shè)計(jì)風(fēng)速,m/s;e為迎風(fēng)面的長(zhǎng)度,mm;l為迎風(fēng)面的寬度,mm。

在設(shè)計(jì)風(fēng)速的計(jì)算中,需對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)速v的取值進(jìn)行基準(zhǔn)高度、地面粗糙度類別和梯度風(fēng)風(fēng)壓高度變化修正,其計(jì)算公式為

v=ηk(Z/10)εvm

(10)

式中:v為設(shè)計(jì)風(fēng)速,m/s;η為風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù);k為與地表類別相關(guān)的修正系數(shù);Z為跟蹤裝置到地面的距離,m;ε為與地表類別有關(guān)的無(wú)量綱冪指數(shù);vm為裝置安裝地區(qū)50年重現(xiàn)的最大風(fēng)速,m/s。

太陽(yáng)跟蹤器在工作時(shí),電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)受到的載荷有組件陣列的自重載荷和風(fēng)載荷,其受力分析如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)受力分析簡(jiǎn)圖

點(diǎn)E和點(diǎn)D分別為風(fēng)正向吹和反向吹的作用點(diǎn),位于組件陣列的對(duì)稱軸上,兩點(diǎn)與俯仰軸中心點(diǎn)C的距離分別為a和n。設(shè)任意風(fēng)向作用時(shí)推桿上載荷為F,由于在該機(jī)構(gòu)中推桿為二力桿,推桿受力方向沿A、B兩點(diǎn)的連線方向如圖4所示,風(fēng)反向吹與無(wú)風(fēng)載時(shí)分別為F′和F″。當(dāng)俯仰機(jī)構(gòu)勻速跟蹤時(shí),在設(shè)計(jì)風(fēng)速下風(fēng)正向吹、反向吹和無(wú)風(fēng)載情況下對(duì)點(diǎn)C的合力矩均為零,則有:

圖4 θ=10°時(shí)各風(fēng)載荷系數(shù)隨風(fēng)向角δ變化

(11)

(12)

(13)

式中:F、F′和F″分別為在設(shè)計(jì)風(fēng)速下風(fēng)正向吹、反向吹和無(wú)風(fēng)載情況下電動(dòng)推桿的受力;lF、lg和ly等為各工況下各力的力臂。

當(dāng)電動(dòng)推桿受壓時(shí)為正,反之為負(fù),各項(xiàng)風(fēng)載系數(shù)取值如下表1所示,無(wú)風(fēng)載時(shí)各系數(shù)取值為零。

表1 不同風(fēng)向角下各項(xiàng)風(fēng)載系數(shù)的正負(fù)取值表

表2 太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 研究算例設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化前后對(duì)比

由此可得電動(dòng)推桿在風(fēng)正向吹、反向吹和無(wú)風(fēng)載情況下的推桿載荷表達(dá)式分別為:

F=(mglg+Fyly-Fxlx+Mz)/lF

(14)

F′=(mglg-Fyl′y+Fxl′x+Mz)/lF

(15)

F″=mglg/lF

(16)

式中:lF=x2cosα-(n-y2)sinα;lg=(b+n)cosθ;ly=(a+n)cosθ;lx=(a+n)sinθ;l′y=ncosθ;l′x=nsinθ。

阻力系數(shù)Cx、升力系數(shù)Cy和俯仰力矩系數(shù)Cmz均受風(fēng)向角的影響,因高度角θ=10°時(shí),跟蹤器的迎風(fēng)面積最大,取其各風(fēng)向角下的風(fēng)載系數(shù)繪制變化曲線如圖4所示。

由圖4可知,當(dāng)δ=0時(shí),各風(fēng)載系數(shù)的取值最大,相較于側(cè)向來(lái)風(fēng),在相同風(fēng)速和高度角風(fēng)正吹、風(fēng)反吹跟蹤器時(shí)俯仰機(jī)構(gòu)受風(fēng)載的影響最大。故對(duì)電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析時(shí),選取風(fēng)正吹和風(fēng)反吹作為風(fēng)載荷影響俯仰機(jī)構(gòu)的典型工況進(jìn)行受力分析和優(yōu)化計(jì)算。

2 太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

2.1 機(jī)構(gòu)參數(shù)變量

電動(dòng)推桿在太陽(yáng)跟蹤器俯仰機(jī)構(gòu)中存在A、B兩個(gè)鉸點(diǎn),這兩個(gè)鉸點(diǎn)的位置參數(shù)一旦確定,則推桿在跟蹤器中的布置結(jié)構(gòu)也就確定。俯仰軸中心點(diǎn)C的位置即n的大小是影響跟蹤過(guò)程中重心力臂的重要因素,對(duì)電動(dòng)推桿的載荷影響較大。因此設(shè)計(jì)變量依次為A、B鉸點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)和俯仰軸中心點(diǎn)C的位置參數(shù)n,其表達(dá)式為

X=[x1,y1,x2,y2,n]T=[x1,x2,x3,x4,x5]T

(17)

2.2 機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

為優(yōu)化電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)在太陽(yáng)跟蹤器運(yùn)行時(shí)的受力情況,則要充分考慮太陽(yáng)跟蹤器俯仰機(jī)構(gòu)中電動(dòng)推桿在各工況下的載荷情況,所以以跟蹤太陽(yáng)高度角過(guò)程中電動(dòng)推桿在3種工況下的最大載荷作為優(yōu)化目標(biāo),根據(jù)上文的受力分析可得目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式

F(x)=max(F,F′,F″)

(18)

2.3 約束條件

1) 各參數(shù)的上下限約束

俯仰機(jī)構(gòu)各參數(shù)選取的基礎(chǔ)要根據(jù)現(xiàn)有的跟蹤器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),從實(shí)際問(wèn)題的要求出發(fā),設(shè)定其自身的上下限約束

xmin≤xi≤xmaxi=1,2,…,5

(19)

根據(jù)本文選用跟蹤器模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)各參數(shù)上下限分別具體設(shè)置為:50 mm≤x1≤200 mm;50 mm≤y1≤200 mm;300 mm≤x2≤465 mm;100 mm≤y2≤200 mm; 100 mm≤n≤300 mm。

2) 動(dòng)鉸點(diǎn)位置的防干涉約束

動(dòng)鉸點(diǎn)B在機(jī)構(gòu)中的空間布置應(yīng)避免機(jī)構(gòu)在極限位置可能出現(xiàn)的干涉問(wèn)題,即當(dāng)太陽(yáng)高度角最小時(shí),推桿上支座與電動(dòng)推桿不能和支架橫梁產(chǎn)生干涉的條件為:

(20)

3) 傳動(dòng)防自鎖約束

在跟蹤太陽(yáng)高度角的過(guò)程中,如果鉸點(diǎn)A、B與俯仰軸中心C共線,則會(huì)出現(xiàn)自鎖的情況,則不出現(xiàn)自鎖的條件為

|AC|<|AB|+|BC|

(21)

4) 選型推桿的行程約束

太陽(yáng)跟蹤器俯仰機(jī)構(gòu)電動(dòng)推桿行程約束見(jiàn)圖5。

圖5 太陽(yáng)跟蹤器俯仰機(jī)構(gòu)電動(dòng)推桿行程約束示意圖

圖6 太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化流程圖

圖7 優(yōu)化前后電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角曲線

圖8 優(yōu)化前后電動(dòng)推桿行程變化曲線

根據(jù)圖5所示的太陽(yáng)跟蹤器俯仰機(jī)構(gòu)電動(dòng)推桿行程約束示意圖可知,當(dāng)高度角最大為θ2時(shí),電動(dòng)推桿的實(shí)際最大伸長(zhǎng)量為L(zhǎng)max,當(dāng)太陽(yáng)高度角最小為θ1時(shí),電動(dòng)推桿的實(shí)際最小伸長(zhǎng)量為L(zhǎng)min。為保證在實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)高度角設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)的跟蹤時(shí)俯仰機(jī)構(gòu)的安全和穩(wěn)定,應(yīng)使得電動(dòng)推桿的實(shí)際使用行程總長(zhǎng)L′應(yīng)小于所選型推桿的設(shè)計(jì)行程,L′為推桿的最大伸長(zhǎng)量Lmax與最小伸長(zhǎng)量Lmin之間的差值。同時(shí)還要滿足當(dāng)太陽(yáng)高度角最小為θ1時(shí),此時(shí)的推桿鉸點(diǎn)B′應(yīng)位于未完全收縮或恰好完全收縮的位置。

所選型電動(dòng)推桿的設(shè)計(jì)行程為L(zhǎng)0,即:

(22)

5)推桿傳動(dòng)角約束

為保證電動(dòng)推桿在跟蹤太陽(yáng)高度角的過(guò)程中始終具有良好的傳動(dòng)性能,應(yīng)使其在任意位置的傳動(dòng)角至少達(dá)到40°,根據(jù)公式(5)可得

β=arcsin(cosα)≥40°

(23)

6) 推桿傳動(dòng)載荷約束

為保證機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性,電動(dòng)推桿在各種工況下的實(shí)際最大載荷都應(yīng)小于等于其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的額定載荷F0,即

max(F,F′,F″)≤F0

(24)

3 優(yōu)化算法與流程

針對(duì)本文中太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題,采用的靈活易用且具有強(qiáng)大處理能力的MATLAB進(jìn)行優(yōu)化編程[15]。根據(jù)約束條件和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式可知,太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題為非線性不等式約束下的多元函數(shù)極值問(wèn)題,故本文調(diào)用了fmincon函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化流程如圖 6所示,優(yōu)化程序在各參數(shù)的可行域內(nèi)選取數(shù)值作為一組變量參數(shù),首先判斷其是否滿足約束條件,滿足約束的則比較各點(diǎn)在目標(biāo)函數(shù)中的取值大小,去除掉在函數(shù)值中取值最大的點(diǎn),并形成新的在可行域內(nèi)重新搜索逐步向約束最優(yōu)點(diǎn)趨近的一組變量。經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代計(jì)算,使得變量參數(shù)組不斷向最優(yōu)數(shù)值進(jìn)行移動(dòng)和收縮,直到收縮到獲得在約束條件下的最優(yōu)數(shù)值,且滿足迭代精度要求為止,最終輸出滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)要求的太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)變量參數(shù)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)算例研究

4.1 電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)算例數(shù)據(jù)

以安裝在西寧的某太陽(yáng)跟蹤器為研究算例,該跟蹤器的組件陣列由4行8列聚光光伏組件組成,太陽(yáng)高度角跟蹤設(shè)計(jì)范圍為10°～90°,所選型的推桿為某品牌型號(hào)為GSA-800的電動(dòng)推桿。根據(jù)其設(shè)計(jì)要求和當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可獲得跟蹤器的組件陣列外形尺寸、重心位置,風(fēng)速計(jì)算參數(shù)以及俯仰機(jī)構(gòu)的外形尺寸和選型推桿的技術(shù)參數(shù)等資料,其詳細(xì)數(shù)據(jù)如表 2所示。

4.2 算例優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

結(jié)合算例設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和查閱當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,對(duì)算例應(yīng)用前文所提到的優(yōu)化方法,根據(jù)研究算例的設(shè)計(jì)參數(shù),建立該太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,在MATLAB中進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,軟件輸出研究算例的最優(yōu)參數(shù)。將算例設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化前后的結(jié)果相對(duì)比,如表 3所示。

根據(jù)優(yōu)化前后的設(shè)計(jì)變量參數(shù)和相關(guān)計(jì)算公式,高度角從10°到90°,每隔10°繪制優(yōu)化前后電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角變化曲線、推桿行程變化曲線和3種風(fēng)載情況下的推桿載荷曲線。

1) 電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角優(yōu)化前后對(duì)比

優(yōu)化前電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)要求的太陽(yáng)高度角跟蹤范圍內(nèi),由圖 7優(yōu)化前后電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角曲線可知,從高度角小于20°開(kāi)始,俯仰機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角小于40°,并隨著高度角變小傳動(dòng)性能越差。而優(yōu)化后的電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角提高到了43°,不僅滿足了設(shè)計(jì)對(duì)任意高度角下傳動(dòng)角均需大于40°的要求,而且使得電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能得到較大幅度的提升。

2) 電動(dòng)推桿行程優(yōu)化前后對(duì)比

由圖 8優(yōu)化前后電動(dòng)推桿行程變化曲線可知,優(yōu)化前電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)要求的太陽(yáng)高度角跟蹤范圍內(nèi),當(dāng)高度角為90°時(shí),推桿的實(shí)際最大伸長(zhǎng)量已經(jīng)超過(guò)了所選型推桿的設(shè)計(jì)行程,不能滿足設(shè)計(jì)的跟蹤范圍,優(yōu)化后電動(dòng)推桿的實(shí)際工作行程滿足了行程約束的要求。

3) 電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)載荷優(yōu)化前后對(duì)比

優(yōu)化前當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)速反吹時(shí),根據(jù)圖 9優(yōu)化前后3種風(fēng)載情況下電動(dòng)推桿載荷曲線圖9b)可知,電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)跟蹤太陽(yáng)高度角到10°時(shí),推桿的實(shí)際最大工作載荷超過(guò)了所選型推桿的額定載荷,不能滿足設(shè)計(jì)的需求。通過(guò)推桿載荷變化曲線可以看出,優(yōu)化后的電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)不僅滿足了最大工作載荷的設(shè)計(jì)要求,而且電動(dòng)推桿的受力情況得到了較大幅度的改善:風(fēng)正吹時(shí),推桿的最大載荷較優(yōu)化前降低了27.1%;風(fēng)反吹的情況下,推桿最大載荷相較優(yōu)化前降低了25.9%;無(wú)風(fēng)載情況下推桿最大載荷較優(yōu)化前降低了27.1%。

圖9 優(yōu)化前后3種風(fēng)載情況下電動(dòng)推桿載荷曲線

5 結(jié)論

1) 太陽(yáng)跟蹤器中電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后,增大了最小傳動(dòng)角,提高了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能,降低了電動(dòng)推桿的載荷,保證了機(jī)構(gòu)性能和可靠性。

2) 通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),機(jī)構(gòu)布置更趨合理,可達(dá)到減少功率消耗,降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益的目的,為太陽(yáng)跟蹤器電動(dòng)推桿俯仰機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題提供了有價(jià)值的參考意見(jiàn),具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。