CN103016628B - 一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置 - Google Patents

Abstract

一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置，主要由支架，大齿轮、蜗轮、蜗杆、小齿轮、压紧轮、壳体、护罩、接近开关、动力输入联轴器和动力输出联轴器等组成，具有微小机械间隙、承载扭矩大、摩擦力自锁、转角范围大等特点，本发明中大齿轮上的转动输出轴直接带动单自由度太阳跟踪系统的旋转支架转动实现对太阳的跟踪，本发明特别适用于单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统、太阳能槽式聚光光热发电系统等。本发明还提出一种经济性好的机构组合形式，即采用一般加工精度的机械零件，组合成具有微小机械间隙的低速传动机构，优点在于:微小机械间隙、容易实现大扭矩传动、节约材料、加工简单，从而大量节约成本。

Description

一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置

技术领域：

本发明是一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置，属于太阳能利用技术领域。

背景技术：

单自由度太阳跟踪技术是高效利用太阳能资源的重要手段，采用此技术的单自由度太阳跟踪系统结构简单，易于维护，在太阳能光热发电和太阳能光伏发电中得到了广泛的使用。

单自由度太阳跟踪系统主要有两种结构形式：单自由度斜置和单自由度平置。单自由度斜置太阳跟踪系统东西向跟踪太阳，跟踪角度大于120°为佳，适合中高纬度地区使用；单自由度平置太阳跟踪系统在靠近赤道的低纬度地区适用，采用东西向跟踪太阳，跟踪角度大于120°为佳，如需在中高纬度地区使用单自由度平置太阳跟踪系统，则采用南北向跟踪太阳，跟踪角度小于90°。以上两种结构形式的主要传动方式是：由电机直接或间接带动传动装置，由传动装置直接或间接带动旋转支架转动实现系统对太阳的跟踪。

太阳能光热发电要求单自由度太阳跟踪系统能够高精度跟踪太阳，要求传动装置消除机械间隙或机械间隙微小，同时具有足够的结构刚度，避免因外力作用产生过大的结构形变，从而导致太阳跟踪系统的跟踪精度下降。太阳能光伏发电中，单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统对传动装置的要求最高，等同于光热发电中所用的槽式聚光太阳跟踪系统，要求所用传动装置机械间隙微小，同时具有足够的结构刚度。

为更经济利用太阳能资源，要求太阳跟踪系统尽可能承载更大面积的光伏组件或太阳光反射装置，所以系统要有能力承受很强的风荷载，一般设计要求为50年一遇。如果传动机构累积较大的机械间隙，风的作用会引起系统震动，从而降低跟踪太阳精度，加速系统损坏。所以，单自由度太阳跟踪系统的传动装置最好能够做到微小机械间隙或无机械间隙。

目前用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置有电动推杆、螺旋升降器、液压油缸和蜗轮蜗杆机构等。电动推杆、螺旋升降器、液压油缸输出为直线运动，推拉旋转支架或联动杆实现旋转支架的转动，适用于跟踪角度小于90°的单自由度太阳跟踪系统。蜗轮蜗杆机构可直接带动旋转支架转动，适用所有跟踪角度的单自由度太阳跟踪系统。

电动推杆、螺旋升降器作为传动装置有结构简单、维护方便、机械间隙小、能够实现摩擦力自锁等优点，但是由于是推拉旋转支架或联动杆来转动旋转支架，机械系统刚度随着转角而变化，到达一端极限位置时机械系统刚度最差，跟踪精度和抵抗风荷载能力同时下降，因而不适用于跟踪太阳角度大于90°的单自由度太阳跟踪系统。液压油缸可以实现无间隙传动，可实现液力锁定，但整套液压系统价格较高，不便于维护，实现自动控制过程较复杂，同时也不适用于跟踪太阳角度大于90°的单自由度太阳跟踪系统。

蜗轮蜗杆机构作为传动装置使用，可以直接带动旋转支架作全周向转动，能够实现摩擦力自锁，能够实现恒扭矩输出，但由于蜗轮直径不宜过大，在风的作用下，即使较小的蜗轮蜗杆机构间隙反应到旋转支架上也会产生较大震动幅度，对系统的跟踪精度和使用寿命产生不利影响，虽然这一缺陷可以通过加大蜗轮直径或提高蜗轮蜗杆加工和安装精度得以改善，但会大幅提高成本。

使用电动推杆、螺旋升降器、蜗轮蜗杆机构等作为单自由度太阳跟踪系统的传动装置，可以采用在系统上安装消除机械间隙装置来提高系统跟踪太阳精度，增加系统抗风能力，但会使系统整体变得复杂，增加故障率，系统成本和维护运行成本增加。

发明内容:

本发明首要的目的是提出一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置，适用于所有跟踪角度的单自由度太阳跟踪系统，特别适合单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统和槽式聚光太阳跟踪系统使用，具有如下优点：高刚度、微小机械间隙、能够实现摩擦力自锁、转角范围大，可实现电控自我保护、机械自我保护、运动校验控制、机械联动，便于维护，成本低廉，容易实现自动化控制。

本发明的进一步目的是提出一种经济性好的机构组合形式，即采用一般加工精度的机械零件，组合成具有微小机械间隙的低速传动机构，优点在于，微小机械间隙，容易实现大扭矩传动，节约材料，加工简单，从而大量节约成本，详细说明见具体实施方式。

本发明由支架，大齿轮、蜗轮、蜗杆、小齿轮、压紧轮、壳体、护罩、接近开关，动力输入联轴器和动力输出联轴器等组成。传动原理为：传动轴通过动力输入联轴器带动蜗杆转动，蜗杆同时带动两侧各两个蜗轮同步对称转动，一侧蜗轮上安装小齿轮，另一侧蜗轮上安装压紧轮，则两个小齿轮和两个压紧轮同步对称转动，两个小齿轮同时和大齿轮啮合为锥齿轮正交传动，两个压紧轮和大齿轮端面接触，接触面为分度面，形成锥形摩擦轮传动，两个小齿轮和两个压紧轮共同带动大齿轮转动，大齿轮上的转动输出轴直接带动单自由度太阳跟踪系统的旋转支架转动。

本发明的结构形式为：蜗轮、蜗杆、小齿轮、压紧轮、壳体、护罩、接近开关，动力输入联轴器和动力输出联轴器等组成传动箱，传动箱安装在支架下部，支架上端的支架轴承座内安装大齿轮上的转动输出轴并消除轴向间隙，使大齿轮只可以单自由度转动。其中大齿轮采用大半径实现大扭矩的动力传输，蜗轮蜗杆采用小于自锁角的螺旋升角，实现摩擦力自锁。护罩a和b各安装一个常闭状态的接近开关，分别起到限位和计数校验功能，各称为限位接近开关和计数校验接近开关，限位接近开关接近大齿轮限位凸点断开，实现系统极限位置电控保护。计数校验接近开关在大齿轮转动时，离开或接近齿尖发出通断信号，可依此校验系统运动状态，实现电控安全保护，也可以采用计数校验接近开关和大齿轮组合成计数装置，输出大齿轮的角度变化，实现自动控制。本发明中动力输入联轴器内一端为光孔，另一端为内花键，传动轴一端为光轴，另一端加工与动力输入联轴器相配合的外花键，动力输入联轴器和蜗杆上花键联接，动力输入联轴器上的光孔与传动轴光轴端间隙配合并加工有径向内孔，内安装保险销，当使用本发明的单自由度太阳跟踪系统受到非正常外力作用或阻滞时，传动轴输入扭矩超过保险销抗剪力，保险销被剪断，传动轴光轴端在动力输入联轴器内旋转，无法将动力传递，实现机械自我保护。采用动力输出联轴器再联接传动轴，传动轴再联接本发明，依此重复，可实现本发明的机械联动，适用于大型太阳能光伏电站和大型太阳能光热电站。

附图说明：

图1为本发明正面视角整体图，图中001大齿轮，002转动输出轴可如箭头所示方向单自由度转动，010传动箱，003支架，004传动箱固定螺栓，009支架轴承座；

图2为本发明背面视角整体图，005为大齿轮限位凸点；

图3视角与图1相同，为传动箱010安装上传动轴022。图3中所示：011护罩a，012护罩b，076限位接近开关，073计数校验接近开关，013动力输入联轴器，033保险销，036钢丝卡圈，022传动轴，014注油杯，006护罩固定螺丝，016动力输出联轴器；

图4视角与图1相同，为图3拿去了护罩a011、护罩b012、限位接近开关076、计数校验接近开关073、动力输出联轴器016、传动轴022、动力输入联轴器013、保险销033、钢丝卡圈036、护罩固定螺丝006的传动箱局部。图4中所示：008传动箱下壳体，049弹簧卡圈，015蜗杆，048壳体定位销，046壳体紧定螺栓，044压紧轮，041螺栓，043弹性体，045小齿轮，007传动箱上壳体；

图5视角与图1相同，为传动箱内部图，是图4拿掉了弹簧卡圈049，壳体定位销048，壳体紧定螺栓046，压紧轮044，螺栓041，弹性体043，小齿轮045，传动箱上壳体007的传动箱局部。图5中所示：068滑动轴承a，061滑动轴承b，062蜗轮a，063蜗轮b、065蜗轮c，066蜗轮d；

图6视角与图1相同，为传动箱内部蜗轮蜗杆位置结构图；

图7视角与图1相同，为本发明传动箱的加强型结构形式，在传动箱上壳体加装093加强耳，098滑动轴承c；

图8视角与图1相同，为便于看清结构形式，将图7所示加强型传动箱部分机械性去除，096紧定螺栓。

具体实施方式：

以下结合附图进一步描述本发明结构形式：

图1、图2中，大齿轮001上安装有转动输出轴002，大齿轮001为锥齿轮，端面加工成对称分度面，端面上安装有大齿轮限位凸点005两个，安装好的大齿轮001和转动输出轴002可视为一个整体。转动输出轴002安装在支架003上方的支架轴承座009内并消除轴向间隙，使得大齿轮001可以如箭头所示方向单自由度转动。传动箱010通过六个传动箱固定螺栓004安装在支架003下方。

图3、图4、图5、图6所示，传动箱由传动箱上壳体007、传动箱下壳体008、蜗杆015、蜗轮a062、蜗轮b063、蜗轮c065、蜗轮d066、滑动轴承a068、滑动轴承b061、小齿轮045、压紧轮044、护罩a011、护罩b012、限位接近开关076、计数校验接近开关073、动力输入联轴器013、动力输出联轴器016和标准件等组成。传动箱上壳体007和传动箱下壳体008各加工有四个滑动轴承安装孔和两个半圆滑动轴承安装孔，使用四个壳体定位销048定位、四个壳体紧定螺栓046联接，工艺上确保上壳体007和下壳体008的正确组合，传动箱上壳体007上装有注油杯014两个。图6中表述：蜗杆015同时与四个模数相同的蜗轮a062、蜗轮b063、蜗轮c065和蜗轮d066啮合的位置关系，其中蜗轮a062和蜗轮b063轴线相交在大齿轮001的轴线上、蜗轮c065和蜗轮d066轴线相交在大齿轮001的轴线上，蜗杆015两端为台阶轴并加工有外花键，每个蜗轮两端为台阶轴且上端加工有牙嵌和内孔。图5中，每个蜗轮两端安装滑动轴承b061，蜗杆015两端安装有滑动轴承a062，滑动轴承a062和滑动轴承b061为铜基自润滑轴承，能够承受单向轴向力。图5所示安装好上壳体007后，蜗杆015能够转动且有微小的轴向间隙，能够承受双向轴向力。蜗轮a062、蜗轮b063、蜗轮c065和蜗轮d066能够转动且有微小的轴向间隙，能够承受双向轴向力。图4中，小齿轮045一端加工有牙嵌，要求牙嵌数目与小齿轮045齿数形成差动关系。小齿轮045分别安装在蜗轮a062和蜗轮b063上，使用螺栓041固定，消除牙嵌间隙。压紧轮044上安装有弹性体043，压紧轮一端加工有牙嵌，压紧轮044分别安装在蜗轮c065和蜗轮d066上，使用螺栓041固定，消除牙嵌间隙。图3中，使用四个护罩固定螺丝006将护罩a011和护罩b012固定在传动箱上壳体007上，护罩a011上安装有限位接近开关076，状态为常闭，当接近大齿轮限位凸点005时断开。护罩b012上安装有计数校验接近开关073，状态为常闭，接近大齿轮001齿尖时断开。蜗杆015一端安装动力输入联轴器013，另一端安装有动力输出联轴器016，同时蜗杆015两端各安装有弹簧卡圈049（图4）用来限制013和016的轴向位置。动力输入联轴器013一端为光孔、一端为内花键，光孔一端加工有径向通孔。动力输出联轴器016为内花键。传动轴022一端为光轴与动力输入联轴器013光孔间隙配合，且配钻有径向通孔，孔内安装保险销033，保险销033由钢丝卡圈036固定防止脱落（图3）。另一端为外花键，与蜗杆015外花键相同。

图7所示是本发明传动箱的加强型结构形式，为提高结构刚度，改变传动箱上壳体007，加装加强耳093，其上加工有四个轴承孔，与下方对应的轴承孔同轴，图8中使用紧定螺栓096将滑动轴承c098分别与小齿轮045、压紧轮044固定安装在蜗轮上，滑动轴承c098可以在加强耳093的轴承孔内转动和轴向移动。

以下结合附图叙述本发明运动过程：

本发明的动力由图3中传动轴022输入，传动轴022通过保险销033带动动力输入联轴器013转动，动力输入联轴器013带动蜗杆015转动。蜗杆015同时带动四个模数相同的蜗轮（图6），当蜗杆015转动，蜗轮a062和蜗轮b063同步转动、蜗轮c065和蜗轮d066同步转动且方向与前二者相反。图4中蜗轮a062和蜗轮b063上各安装小齿轮045，两个小齿轮045和图1中的大齿轮001同时啮合为锥齿轮正交传动，蜗轮c065和蜗轮d066上各安装压紧轮044，两个压紧轮044和图2中的大齿轮001端面同时接触，接触面为分度面，形成锥形摩擦轮传动，结果为两个小齿轮045和两个压紧轮044共同带动大齿轮001转动，大齿轮001上的转动输出轴002输出转动。

以下结合附图说明本发明如何实现采用一般加工精度的机械零件，组合成具有微小机械间隙的低速传动机构。

本发明中小齿轮045、大齿轮001、压紧轮044、蜗杆015、蜗轮a062，蜗轮b063、蜗轮c065，蜗轮d066等传动零件均为普通加工精度等级，组合成图1的机构形式后，两个小齿轮045同时和大齿轮001啮合，目的为消除啮合间隙，方法为每个小齿轮045只有一个齿面与大齿轮001齿面接触，另一个小齿轮045的相对齿面与大齿轮相对齿面接触，以消除啮合间隙。本发明中小齿轮045的下端加工有牙嵌，要求牙嵌数和小齿轮045的齿数相对于大齿轮001上的啮合齿面能够形成差动关系，即调整小齿轮045与蜗轮a062或蜗轮b063的嵌合位置能够微调与大齿轮001的齿面接触间隙，调整到两个小齿轮045的两个相对齿面与大齿轮001上的两个相对齿面接触的同时，也做到了图5中蜗轮a062一侧齿面和蜗轮b063另一侧齿面与蜗杆015的两个螺旋面分别接触。由于各零件存在公差，在传动中，小齿轮045和大齿轮001的接触会时断时续，机械间隙时有时无，为此，设置两个压紧轮044与小齿轮045对称，压紧轮044同时和大齿轮001接触，在压紧轮044上安装有弹性体043，弹性体043略高于接触表面，施加以大齿轮001侧向压力，由于大齿轮001直径很大，会产生微小的弹性形变，可始终保证大齿轮001与小齿轮045的接触，做到无机械间隙。本发明中的蜗轮蜗杆采用较小的螺旋升角，能够做到摩擦力自锁，因此在本发明中能够累积到大齿轮001的传动机械间隙只有：蜗杆015、滑动轴承a和传动箱壳体之间的累积轴向间隙，此间隙容易做到非常微小，对大齿轮001的旋转精度影响极小。因为大齿轮001的半径可以做得很大，支架003采用稳固的三角型结构，所以本发明整体刚度高，能够承受更大的荷载，本发明的结构形式适合低速传动，非常适用于单自由度太阳跟踪系统。

本发明的使用方法：

图1中本发明的转动输出轴002可直接带动单自由度跟踪系统旋转支架转动，如需高精度跟踪太阳，旋转支架上应安装有高精度角度传感器。图3中传动箱两端有动力输入联轴器013和动力输出联轴器016，使用传动轴022将本发明依次联接，很容易做到联动，易于实现自动控制，节约成本。

本发明有电控自我保护和机械自我保护功能，图2大齿轮001上设有两个大齿轮限位凸点005，当系统运行到所设定的任一极限位置时，大齿轮限位凸点005与限位接近开关076接近，限位接近开关076发出信号停止电机运行，电控系统报警，实现电控保护。图3计数校验接近开关073与大齿轮001齿面接近，当大齿轮001转动，计数校验接近开关073连续接近大齿轮001的齿隙和齿尖，向电控系统发出连续通断信号，电控系统可根据此信号实时判断太阳跟踪系统的工作状态，如计数校验接近开关073反馈给电控系统的信号与电控系统发出运行指令不符，电控系统报警，实现电控保护。系统机械保护，当系统受到非正常外力作用或系统非正常阻滞时，图3传动轴022与动力输入联轴器013间联接的保险销033受到超额的剪切力，保险销033被剪断，传动轴022的光轴端在动力输入联轴器013内转动，无法将动力输入传动箱010，实现机械保护，此时本发明停止工作，电控系统报警，告知应及时排查故障。

本发明的维护：

传动箱010上有注油杯014两个，定期加润滑脂，动力输入联轴器013和动力输出联轴器016内加润滑脂，两端要求采用耐油弹性涂料涂装，定期检查，清除杂物。

Claims (6)

1.一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置，主要由大齿轮（001）、支架（003）、传动箱（010）组成，其特征在于传动箱上壳体（007）、传动箱下壳体（008）、蜗杆（015）、蜗轮a（062）、蜗轮b（063）、蜗轮c（065）、蜗轮d（066）、小齿轮（045）、压紧轮（044）、护罩a（011）、护罩b（012）、限位接近开关（076）、计数校验接近开关（073）、动力输入联轴器（013）、动力输出联轴器（016）组成传动箱（010）安装在支架（003）下方，大齿轮（001）上安装有转动输出轴（002），安装好的大齿轮（001）和转动输出轴（002）可视为一个整体，转动输出轴（002）安装在支架（003）上方的支架轴承座（009）内并消除轴向间隙，支架（003）各侧面为三角形结构形式；蜗杆（015）同时带动四个模数相同的蜗轮，当蜗杆（015）转动，蜗轮a（062）和蜗轮b（063）同步转动、蜗轮c（065）和蜗轮d（066）同步转动且方向与前二者相反；蜗轮a（062）和蜗轮b（063）上各安装小齿轮（045），两个小齿轮（045）和大齿轮（001）同时啮合为锥齿轮正交传动；蜗轮c（065）和蜗轮d（066）上各安装压紧轮（044），两个压紧轮（044）和大齿轮（001）端面同时接触，接触面为分度面，形成锥形摩擦轮传动；两个小齿轮（045）和两个压紧轮（044）共同带动大齿轮（001）转动，大齿轮（001）上的转动输出轴（002）输出转动；传动箱上壳体（007）和传动箱下壳体（008）各加工有四个滑动轴承安装孔和两个半圆滑动轴承安装孔，使用四个壳体定位销（048）定位、四个壳体紧定螺栓（046）联接。

2.根据权利要求1所述的专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置，其特征在于小齿轮（045）、大齿轮（001）、压紧轮（044）、蜗杆（015）、蜗轮a（062）、蜗轮b（063）、蜗轮c（065）、蜗轮d（066）均为普通加工精度等级，每个小齿轮（045）只有一个齿面与大齿轮（001）齿面接触，另一个小齿轮（045）的相对齿面与大齿轮（001）相对齿面接触，消除啮合间隙；小齿轮（045）的下端加工有牙嵌，牙嵌数和小齿轮（045）的齿数相对于大齿轮（001）上的啮合齿面能够形成差动关系，调整小齿轮（045）与蜗轮a（062）或蜗轮b（063）的嵌合位置能够微调与大齿轮（001）的齿面接触间隙；当调整到两个小齿轮（045）的两个相对齿面与大齿轮（001）上的两个相对齿面接触的同时，也做到了蜗轮a（062）一侧齿面和蜗轮b（063）另一侧齿面与蜗杆（015）的两个螺旋面分别接触；压紧轮（044）同时和大齿轮（001）接触，在压紧轮（044）上安装有弹性体（043），弹性体（043）略高于接触表面，施加以大齿轮（001）侧向压力产生微小的弹性形变，可始终保证大齿轮（001）与小齿轮（045）的接触，做到无机械间隙；蜗轮蜗杆采用较小的螺旋升角，能够做到摩擦力自锁。

3.根据权利要求1所述的专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置，其特征在于传动箱（010）的加强型结构形式，改变传动箱上壳体（007），加装加强耳（093），其上加工有四个轴承孔，与下方对应的轴承孔同轴，使用紧定螺栓（096）将滑动轴承c（098）分别与小齿轮（045）、压紧轮（044）固定安装在蜗轮上，滑动轴承c（098）可以在加强耳（093）的轴承孔内转动和轴向移动。

4.根据权利要求1所述的专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置，其特征在于传动轴（022）一端为光轴，另一端加工与动力输出联轴器（016）相配合的外花键；动力输入联轴器（013）内一端为光孔、另一端为内花键；传动轴，动力输入联轴器（013）上的光孔与传动轴（022）光轴端间隙配合并加工有径向内孔，孔内安装保险销（033）；使用传动轴（022）能够依次联接传动箱（010）。

5.根据权利要求1所述的专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置，其特征在于大齿轮（001）上设有两个大齿轮限位凸点（005），限位接近开关（076）安装在护罩a（011）上与大齿轮端面接近，计数校验接近开关（073）安装在护罩b（012）上与大齿轮（001）齿面接近。

6.根据权利要求1所述的专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置，其特征在于蜗轮a（062）和蜗轮b（063）轴线相交在大齿轮（001）的轴线上、蜗轮c（065）和蜗轮d（066）轴线相交在大齿轮（001）的轴线上。