一种内置式碟式太阳能方位角传动系统力学特性及疲劳寿命分析

发布时间：2020-07-16 19:22

【摘要】：方位角驱动装置是碟式太阳能热发电系统中双轴跟踪系统的核心部件之一,要求具有跟踪精度高、抗风载要求高、噪音低、使用寿命长(320年)等特性,而风载荷作用下的结构变形和疲劳失效是影响方位角驱动装置跟踪精度及使用寿命的主要因素。针对现有外置式方位角驱动装置易与桁架产生干涉及长期外置于露天恶劣环境所带来的负面影响等问题,本文设计了一种内置式方位角传动机构,并基于8级风载荷作用下,进行了力学特性及疲劳寿命分析,这对方位角驱动装置的稳定、高效及安全可靠运行具有十分重要的意义。首先,对比分析了两种内置式方位角传动机构的结构特点和工作原理并择优确定了一种结构方案,计算分析了8级风载荷下高度角0°、风向角90~120°的最不利工况时方位角传动装置所受载荷,基于有限元软件ANSYS Workbench对其进行了静态特性分析,获得装置各部件的应力云图,并与赫兹理论计算结果进行比较,结果表明两种方法只在惰轮处的应力计算差别较大,据此对出现这种情况的原因进行了分析并提出调整思路。其次,施加于方位角传动装置的载荷具有受随机风载而时变的特殊性,为避免只考虑静强度和刚度而可能导致的局部结构不合理性,基于实际工况采用线性滤波法,通过MATLAB软件模拟出了风速时程曲线进而得到了脉动风载荷作用于各部件的载荷谱曲线,并据此对传动装置进行了模态分析、瞬态动力学分析等,得到了齿轮传动装置的前六阶的频率及振型并对振型进行了详细的分析,从而验证了齿轮传动机构的可行性和可靠性。从瞬态动力学的计算结果可知,各部件的应力集中位置均与静力学分析结果一致,齿根弯曲疲劳校核表明所设计的齿轮传动机构满足强度和刚度要求。最后,利用nCode Design Life软件采用SN应力疲劳分析法对传动装置各部件进行了疲劳寿命分析,得到了传动机构在脉动风载荷作用下直至破坏时的循环次数,结果表明:最容易破坏的两个位置在惰轮与齿轮轴上齿轮啮合处及蜗轮蜗杆啮合处,其寿命分别为3.194e~5次、2.096e~4次,符合寿命设计要求。
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM615;TK513.4
【图文】：

太阳能热发电系统

第一章绪论能能源将变得任重道远。要提高碟式太阳能转换效率除了斯特林热机本身的性能以外就是要提高自动跟踪装置追踪太阳的精准程度，由此看来，跟踪装置的研究对太阳能产业特别是对于碟式太阳能技术的发展显得尤为重要。图 1.1 为碟式太阳能热发电系统，图 1.2 为碟式太阳能双轴跟踪装置。

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图 1.3 功率 38KW 碟式太阳能光热发电系统样机Fig.1.3 The prototype of the 38kw dish stirling system1.2 国内外相关问题的研究现状本文开展的碟式太阳能内置式方位角传动机构的研究，是基于原结构上的一种改良，具体是对此结构（主要是蜗轮蜗杆）进行力学特性分析及疲劳寿命分析这些问题在其他类型的传动机构方面有一定的解决方法与理论。因此，本文研究是可以借鉴一些成熟的研究方法，有助于研究的顺利开展。1.2.1 单、双轴跟踪系统的研究现状太阳跟踪系统主要包括单轴及双轴跟踪，单轴跟踪主要跟踪太阳的时角，对于太阳赤纬角并不跟踪，而双轴跟踪则是保证对太阳全方位跟踪的一种高效跟踪装置，由方位角回转机构、高度角传动机构组成，分别控制高度角和方位角进行视日跟踪。双轴跟踪装置是通过课题组与湘电合作设计研制的 38KW 碟式太阳能

【参考文献】