CN110647174B - 一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统，包括力矩管、面板固定支架和定日镜面板，所述的力矩管与面板固定支架连接，面板固定支架与定日镜面板连接，所述的力矩管上设有俯仰大摩擦轮，与俯仰大摩擦轮相啮合的设有俯仰小摩擦轮，俯仰小摩擦轮连接在减速机构Ⅰ的输出轴上，俯仰小摩擦轮通过预紧机构Ⅰ进行定位，预紧机构Ⅰ与立柱上端盖通过移动副进行配合；所述的立柱上端盖与方位大摩擦轮配合形成转动副，方位大摩擦轮与立柱连接并固定，与方位大摩擦轮相啮合的设有方位小摩擦轮，方位小摩擦轮通过预紧机构Ⅱ以及立柱上端盖定位，所述的上端盖的两端均设有一俯仰轴支架，俯仰轴支架的一端固定在上端盖上，另一端与与力矩管相连。

Description

一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统，属于定日镜传动技术领域。

背景技术

自1950年苏联设计建造了世界第1座塔式太阳能热发电小型试验装置和1976 年法国在比利牛斯山建成第1座电功率达100 kW 的塔式太阳能热发电系统之后，20世纪80年代以来，美国、意大利、法国、西班牙、日本、澳大利亚、德国、以色列等国相继建立各种不同类型的实验示范装置和商业化运行装置，促进了太阳能热发电技术的发展和商业化进程。世界现有的太阳能热发电系统主要有槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统3大基本类型。

定日镜是塔式太阳能热发电系统中能量转化最初阶段非常重要的设备。在塔式系统中通常采用成千上万个定日镜，通过各自独立控制系统连续跟踪太阳辐射能，并把能量聚焦到塔顶的吸热器上，继而以热能的形式加以利用。因此，定日镜的设计是塔式太阳能热发电系统设计的重要环节之一，是降低发电成本，实现太阳能热发电商业化的基础。

定日镜通常由支架、传动系统、反光镜及控制系统四部分组成。支架是整个定日镜的支撑部分，将各个部件稳定的连接在一起。反光镜固定在支架上，通过传动系统的随时调整，将太阳入射光反射到吸热塔的吸热器上，现在绝大部分厂家都采用超白玻璃镀银镜。控制系统采用方位、俯仰双轴驱动的方式控制定日镜来自动跟踪太阳。

河海大学的范志林等提出一种“新型双立柱支撑定日镜”，该定日镜由反光面、小镜框、大镜架、支架、高度角传动机构、方位角传动机构、控制机构等构成；采用多块较小镜面组合成近似球面的形式；反射面采用夹层玻璃银镜外加铝合金边框胶封的保护形式；反射面采用平面超白玻璃银镜，以微弧曲面调节成型工艺调整聚焦曲面；其三维跟踪以双立柱支撑、摩擦滚轮传动方式实现方位角传动，以双丝杆接力传动实现高度角传动；该定日镜系统采用开闭环结合控制方式，以开环控制方式实现大范围跟踪，以闭环方式实现精确对准；定日镜以翻转放平提高抗风性能，以镜面之间透风间隙削减风载。

由于定日镜的使用环境在户外，且工作时间与周期长，导致其工况十分复杂，现有大部分定日镜的传动系统为传统的减速机构。为了能够更加精准的跟踪太阳光，现有的定日镜整体均设计成具有两个转动副的镜架系统，一个转动副是将定日镜面绕着类似于经线轨迹的方向转动，转动的角度称为俯仰角，另一个转动副是将定日镜面绕着类似于纬线轨迹的方向转动，转动的角度称为方位角。因此为了使结构更加紧凑合理，并同时实现定日镜的俯仰角与方位角的转动，通常采用一体化减速系统的结构外形类似于十字架形式，首先这种减速系统需要安装在定日镜的中间位置，在空间位置的约束作用下，需要将定日镜切开为左右两部分，这样不仅提高成本也降低了发电效率；其次通过电机带动齿轮与蜗杆等机构实现减速传动，但这种转动方式有较大的机械硬限位，在实际运行中产生一定的失控时段，且由于环境工况的高复杂性、低跟踪精度及高成本等因素，降低了整个定日镜的可靠性与效率，并提高了维护成本。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的缺陷，提出了一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统，将减速系统分为俯仰角减速系统与方位角减速系统，两种减速系统均是以电机作为最初扭矩输入，带动一级、二级、三级……等减速系统，以此作为精确扭矩输出，且在其后串上一级摩擦轮传动，实现无间隙传动，可以避免因各种环境导致的定日镜传动卡死现象，提高了可靠性；为了精确定位，可以在俯仰轴与方位轴上安装编码器，通过编码器实现绝对位置跟踪，提高了效率。本发明将俯仰角与方位角的传动系统分开，同时保证了结构的紧凑型，定日镜面可以为多面子镜子构成的一个整体，有效地控制了设备成本，并降低了维护费用。

本发明所采用的技术方案是：一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统，包括力矩管、面板固定支架、定日镜面板、俯仰大摩擦轮、俯仰小摩擦轮、减速机构Ⅰ、电机Ⅰ、预紧机构Ⅰ、立柱上端盖、方位大摩擦轮、立柱、方位小摩擦轮、预紧机构Ⅱ、减速机构Ⅱ、电机Ⅱ和俯仰轴支架，所述的力矩管与面板固定支架连接，面板固定支架与定日镜面板连接，使这三个组件形成一个整体，所述的力矩管上设有俯仰大摩擦轮，与俯仰大摩擦轮相啮合的设有俯仰小摩擦轮，俯仰小摩擦轮连接在减速机构Ⅰ的输出轴上，同时电机Ⅰ作为减速机构Ⅰ的输入源，连接在其输入端，俯仰小摩擦轮通过预紧机构Ⅰ进行定位，预紧机构Ⅰ与立柱上端盖通过移动副进行配合；所述的立柱上端盖与方位大摩擦轮配合形成转动副，方位大摩擦轮与立柱连接并固定，与方位大摩擦轮相啮合的设有方位小摩擦轮，方位小摩擦轮通过预紧机构Ⅱ以及立柱上端盖定位，方位小摩擦轮连接在减速机构Ⅱ输出轴上，电机Ⅱ作为减速机构Ⅱ的输入源，连接在其输入端；所述的上端盖的两端均设有一俯仰轴支架，俯仰轴支架的一端固定在上端盖上，另一端与与力矩管相连。

在本发明中：所述的力矩管的两端设有面板固定支架，并通过并螺栓或焊接形式与面板固定支架的一端连接，两面板固定支架的另一端 固定在定日镜面板的背面。

在本发明中：所述的俯仰大摩擦轮与力矩管通过螺栓或焊接固定，力矩管与俯仰轴支架通过滑动轴承或低摩擦系数的非金属材料配合，形成转动副，即为俯仰角转动，力矩管与面板固定支架通过螺栓或焊接固定，面板固定支架与定日镜面板通过螺栓或焊接固定。

在本发明中：所述预紧机构Ⅱ对方位小摩擦轮轮轴的一端进行定位并固定，方位小摩擦轮轮轴的另一端定位于立柱上端盖的结构上，通过向心关节轴承实现方位小摩擦轮的预紧调节。

在本发明中：所述的预紧机构Ⅰ包括预紧弹簧、预紧螺栓、弹簧限位支架、俯仰小摩擦轮固定支架和支架限位座，其中弹簧限位支架与立柱上端盖配合并通过螺栓紧固，预紧螺栓为带自锁角的细牙螺栓，与杆件限位支架形成螺纹副配合，预紧弹簧与预紧螺栓配合，即预紧弹簧套在预紧螺栓上，通过螺母和挡圈控制预紧弹簧的压缩量，支架限位座与立柱上端盖配合并通过中心孔以螺栓紧固，俯仰小摩擦轮固定支架与支架限位座之间形成单自由度移动副配合，预紧弹簧与俯仰小摩擦轮固定支架的端面配合，在预紧弹簧的压力作用下，保证俯仰小摩擦轮与俯仰大摩擦轮之间的接触压力，确保俯仰传动的有效性。

在本发明中：所述的预紧机构Ⅱ包括预紧弹簧、预紧螺栓、轴预紧限位支架、方位小摩擦轮固定支架、支架限位座和减速机固定支架，其中方位小摩擦轮固定支架与立柱上端盖配合并通过螺栓紧固，预紧螺栓为带自锁角的细牙螺栓，与方位小摩擦轮固定支架形成螺纹副配合，预紧弹簧与预紧螺栓配合，即预紧弹簧套在预紧螺栓上，通过螺母和挡圈控制预紧弹簧的压缩量，轴预紧限位支架放置于立柱上端盖上，并通过径向关节轴承与方位小摩擦轮配合，轴预紧限位支架与支架限位座配合，其中支架限位座固定于立柱上端盖上，通过位置约束，使轴预紧限位支架的运动为单自由度移动，即沿着方位大摩擦轮的径向运动，减速机固定支架与支架限位座配合，通过螺栓固定，预紧弹簧与轴预紧限位支架的端面配合，在预紧弹簧的压力作用下，使轴预紧限位支架带动方位小摩擦轮沿着方位大摩擦轮的径向运动，保证方位小摩擦轮与方位大摩擦轮之间的接触压力，确保方位传动的有效性。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果为：

1.本发明结构简单、设计合理，将减速系统分为俯仰角减速系统与方位角减速系统，两种减速系统均是以电机作为最初扭矩输入，带动一级、二级等减速系统，以此作为精确扭矩输出，且在其后串上一级摩擦轮传动，实现无间隙传动，可以避免因各种环境导致的定日镜传动卡死现象，提高了可靠性；

2.本发明的俯仰传动结构中：摩擦轮传动在低精度条件下能够实现无间隙配合，俯仰轴支架的使力矩管在未被分割即完整的状态下绕俯仰轴转动，预紧机构Ⅰ提供正压力保证摩擦轮有效传动，同时使力矩管紧靠在俯仰轴支架的转动凹槽内，保证转动副的有效配合，驱动机构放置于立柱管内，使立柱成为一个保护装置，从而减小外界环境因素对驱动装置的影响；

3.本发明的方位传动结构中：方位轴摩擦轮在低精度条件下与驱动小摩擦轮实现无间隙配合，预紧机构Ⅱ提供正压力保证摩擦轮有效传动，使小摩擦轮紧靠在立柱的大摩擦轮表面，保证转动副的有效配合，小摩擦轮的位置可以有效避开俯仰大摩擦轮的运动轨迹，保证了结构的紧凑性以及运动空间的合理性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图;

图2是本发明中预紧机构Ⅰ的结构示意图；

图3是本发明中预紧机构Ⅰ的另一结构示意图；

图4是本发明中预紧机构Ⅱ的结构示意图；

图中：1.力矩管；2.面板固定支架；3.定日镜面板；4.俯仰大摩擦轮；5.俯仰小摩擦轮；6.减速机构Ⅰ；7.电机Ⅰ；8.预紧机构Ⅰ；9.立柱上端盖；10. 方位大摩擦轮；11.立柱；12.方位小摩擦轮；13.预紧机构Ⅱ；14.减速机构Ⅱ；15.电机Ⅱ；16.俯仰轴支架;8001.预紧弹簧; 8002.预紧螺栓; 8003.弹簧限位支架; 8004.俯仰小摩擦轮固定支架; 8005.支架限位座; 13001.预紧弹簧; 13002.预紧螺栓; 13003.轴预紧限位支架; 13004.方位小摩擦轮固定支架; 13005.支架限位座; 13006.减速机固定支架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

由图1可见，一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统，包括力矩管1、面板固定支架2、定日镜面板3、俯仰大摩擦轮4、俯仰小摩擦轮5、减速机构Ⅰ6、电机Ⅰ7、预紧机构Ⅰ8、立柱上端盖9、方位大摩擦轮10、立柱11、方位小摩擦轮12、预紧机构Ⅱ13、减速机构Ⅱ14、电机Ⅱ15和俯仰轴支架16，所述的力矩管1与面板固定支架2连接，面板固定支架2与定日镜面板3连接，使这三个组件形成一个整体，所述的力矩管1上设有俯仰大摩擦轮4，与俯仰大摩擦轮4相啮合的设有俯仰小摩擦轮5，俯仰小摩擦轮5连接在减速机构Ⅰ6的输出轴上，同时电机Ⅰ7作为减速机构Ⅰ6的输入源，连接在其输入端，俯仰小摩擦轮5通过预紧机构Ⅰ8进行定位，预紧机构Ⅰ8与立柱上端盖9通过移动副进行配合；所述的立柱上端盖9与方位大摩擦轮10配合形成转动副，方位大摩擦轮10与立柱11连接并固定，与方位大摩擦轮10相啮合的设有方位小摩擦轮12，方位小摩擦轮12通过预紧机构Ⅱ13以及立柱上端盖9定位，方位小摩擦轮12连接在减速机构Ⅱ14输出轴上，电机Ⅱ15作为减速机构Ⅱ14的输入源，连接在其输入端；所述的上端盖9的两端均设有一俯仰轴支架16，俯仰轴支架16的一端固定在上端盖9上，另一端与与力矩管1相连。所述的力矩管1的两端设有面板固定支架2，并通过螺栓或焊接形式与面板固定支架2的一端连接，两面板固定支架2的另一端 固定在定日镜面板（3）的背面。

如图2-3所示，预紧机构Ⅰ8的结构包括：预紧弹簧8001、预紧螺栓8002、弹簧限位支架8003、俯仰小摩擦轮固定支架8004、支架限位座8005，其中弹簧限位支架8003与立柱上端盖9配合并通过螺栓紧固，预紧螺栓8002为带自锁角的细牙螺栓，与杆件限位支架8003形成螺纹副配合，预紧弹簧8001与预紧螺栓8002配合，即预紧弹簧8001套在预紧螺栓8002上，通过螺母和挡圈控制预紧弹簧8001的压缩量，支架限位座8005与立柱上端盖9配合并通过中心孔以螺栓紧固，即保留了一个转动自由度，其目的是实现摩擦轮传动的无间隙自适应配合，俯仰小摩擦轮固定支架8004与支架限位座8005之间形成单自由度移动副配合，俯仰小摩擦轮固定支架8004的作用是固定俯仰小摩擦轮5，预紧弹簧8001与俯仰小摩擦轮固定支架8004的端面配合，在预紧弹簧8001的压力作用下，保证俯仰小摩擦轮5与俯仰大摩擦轮4之间的接触压力，确保俯仰传动的有效性。

如图4所示，本发明的预紧机构Ⅱ14的结构包括：预紧弹簧13001、预紧螺栓13002、轴预紧限位支架13003、方位小摩擦轮固定支架13004、支架限位座13005、减速机固定支架13006，其中方位小摩擦轮固定支架13004与立柱上端盖9配合并通过螺栓紧固，预紧螺栓13002为带自锁角的细牙螺栓，与方位小摩擦轮固定支架13004形成螺纹副配合，预紧弹簧13001与预紧螺栓13002配合，即预紧弹簧13001套在预紧螺栓13002上，通过螺母和挡圈控制预紧弹簧13001的压缩量，轴预紧限位支架13003放置于立柱上端盖9上，并通过径向关节轴承与方位小摩擦轮12配合，轴预紧限位支架13003与支架限位座13005配合，其中支架限位座13005固定于立柱上端盖9上，通过位置约束，使轴预紧限位支架13003的运动为单自由度移动，即沿着方位大摩擦轮10的径向运动，减速机固定支架13006与支架限位座13005配合，通过螺栓固定，减速机固定支架13006的目的是定位与方位小摩擦轮12连接的减速机构Ⅱ14，预紧弹簧13001与轴预紧限位支架13003的端面配合，在预紧弹簧13001的压力作用下，使轴预紧限位支架13003带动方位小摩擦轮12沿着方位大摩擦轮10的径向运动，保证方位小摩擦轮12与方位大摩擦轮10之间的接触压力，确保方位传动的有效性。

本发明的俯仰角转动过程如下：电机Ⅰ7为俯仰角传动的动力源输入，其输出扭矩为T1，电机Ⅰ7的输出轴带动减速机构Ⅰ6转动，形成减速比为i1的动力输出，输出扭矩为T1*i1，在减速机构Ⅰ6的输出结构上串联一个俯仰小摩擦轮5，随着减速机构Ⅰ6一同转动，通过预紧机构Ⅰ8定位于立柱上端盖9上，实现俯仰小摩擦轮5与俯仰大摩擦轮4的有效配合，俯仰小摩擦轮5带动俯仰大摩擦轮4转动，俯仰大摩擦轮4与力矩管1通过螺栓或焊接固定，力矩管1与俯仰轴支架16通过滑动轴承或低摩擦系数的非金属材料配合，形成转动副，即为俯仰角转动，力矩管1与面板固定支架2通过螺栓或焊接固定、面板固定支架2与定日镜面板3通过螺栓或焊接固定，电机Ⅰ7由此带动定日镜面板3实现俯仰角转动。

本发明的方位角转动过程如下：

电机Ⅱ15为方位角传动的动力源输入，其输出扭矩为T2，电机Ⅱ15的输出轴带动减速机构Ⅱ14转动，形成减速比为i2的动力输出，输出扭矩为T2*i2，在减速机构Ⅱ14的输出结构上串联一个方位小摩擦轮12，随着减速机构Ⅱ14一同转动，安装在立柱上端盖9上的预紧机构Ⅱ13用于定位并预紧减速机构Ⅱ14，即对方位小摩擦轮12轮轴的一端进行定位并固定，方位小摩擦轮12轮轴的另一端定位于立柱上端盖9的结构上，通过向心关节轴承实现方位小摩擦轮12的预紧调节，其目的是促使方位小摩擦轮12与方位大摩擦轮10的有效配合，使方位小摩擦轮12与方位大摩擦轮10通过有效预紧摩擦力实现相对转动，方位大摩擦轮10与立柱11紧固配合，构成为一个整体，由于立柱11与地面固定，即静止不动，因此方位小摩擦轮12绕着方位大摩擦轮10转动，方位小摩擦轮12通过预紧机构Ⅱ13带动立柱上端盖9转动，与定日镜的俯仰转动的传动原理相同，立柱上端盖9通过俯仰轴支架16带动力矩管1、面板固定支架2、定日镜面板3转动，由此实现定日镜的方位角转动。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明的范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统，其特征在于：包括力矩管（1）、面板固定支架（2）、定日镜面板（3）、俯仰大摩擦轮（4）、俯仰小摩擦轮（5）、减速机构Ⅰ（6）、电机Ⅰ（7）、预紧机构Ⅰ（8）、立柱上端盖（9）、方位大摩擦轮（10）、立柱（11）、方位小摩擦轮（12）、预紧机构Ⅱ（13）、减速机构Ⅱ（14）、电机Ⅱ（15）和俯仰轴支架（16），所述的力矩管（1）与面板固定支架（2）连接，面板固定支架（2）与定日镜面板（3）连接，使这三个组件形成一个整体，所述的力矩管（1）上设有俯仰大摩擦轮（4），与俯仰大摩擦轮（4）相啮合的设有俯仰小摩擦轮（5），俯仰小摩擦轮（5）连接在减速机构Ⅰ（6）的输出轴上，同时电机Ⅰ（7）作为减速机构Ⅰ（6）的输入源，连接在其输入端，俯仰小摩擦轮（5）通过预紧机构Ⅰ（8）进行定位，预紧机构Ⅰ（8）与立柱上端盖（9）通过移动副进行配合；所述的立柱上端盖（9）与方位大摩擦轮（10）配合形成转动副，方位大摩擦轮（10）与立柱（11）连接并固定，与方位大摩擦轮（10）相啮合的设有方位小摩擦轮（12），方位小摩擦轮（12）通过预紧机构Ⅱ（13）以及立柱上端盖（9）定位，方位小摩擦轮（12）连接在减速机构Ⅱ（14）输出轴上，电机Ⅱ（15）作为减速机构Ⅱ（14）的输入源，连接在其输入端；所述的上端盖（9）的两端均设有一俯仰轴支架（16），俯仰轴支架（16）的一端固定在上端盖（9）上，另一端与与力矩管（1）相连；

所述的预紧机构Ⅰ（8）包括预紧弹簧（8001）、预紧螺栓（8002）、弹簧限位支架（8003）、俯仰小摩擦轮固定支架（8004）和支架限位座（8005），其中弹簧限位支架（8003）与立柱上端盖（9）配合并通过螺栓紧固，预紧螺栓（8002）为带自锁角的细牙螺栓，与杆件限位支架（8003）形成螺纹副配合，预紧弹簧（8001）与预紧螺栓（8002）配合，即预紧弹簧（8001）套在预紧螺栓（8002）上，通过螺母和挡圈控制预紧弹簧（8001）的压缩量，支架限位座（8005）与立柱上端盖（9）配合并通过中心孔以螺栓紧固，俯仰小摩擦轮固定支架（8004）与支架限位座（8005）之间形成单自由度移动副配合，预紧弹簧（8001）与俯仰小摩擦轮固定支架（8004）的端面配合，在预紧弹簧（8001）的压力作用下，保证俯仰小摩擦轮（5）与俯仰大摩擦轮（4）之间的接触压力，确保俯仰传动的有效性；

所述的预紧机构Ⅱ（13）包括预紧弹簧（13001）、预紧螺栓（13002）、轴预紧限位支架（13003）、方位小摩擦轮固定支架（13004）、支架限位座（13005）和减速机固定支架（13006），其中方位小摩擦轮固定支架（13004）与立柱上端盖（9）配合并通过螺栓紧固，预紧螺栓（13002）为带自锁角的细牙螺栓，与方位小摩擦轮固定支架（13004）形成螺纹副配合，预紧弹簧（13001）与预紧螺栓（13002）配合，即预紧弹簧（13001）套在预紧螺栓（13002）上，通过螺母和挡圈控制预紧弹簧（13001）的压缩量，轴预紧限位支架（13003）放置于立柱上端盖（9）上，并通过径向关节轴承与方位小摩擦轮（12）配合，轴预紧限位支架（13003）与支架限位座（13005）配合，其中支架限位座（13005）固定于立柱上端盖（9）上，通过位置约束，使轴预紧限位支架（13003）的运动为单自由度移动，即沿着方位大摩擦轮（10）的径向运动，减速机固定支架（13006）与支架限位座（13005）配合，通过螺栓固定，预紧弹簧（13001）与轴预紧限位支架（13003）的端面配合，在预紧弹簧（13001）的压力作用下，使轴预紧限位支架（13003）带动方位小摩擦轮（12）沿着方位大摩擦轮（10）的径向运动，保证方位小摩擦轮（12）与方位大摩擦轮（10）之间的接触压力，确保方位传动的有效性。

2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统，其特征在于：所述的力矩管（1）的两端设有面板固定支架（2），并通过螺栓或焊接形式与面板固定支架（2）的一端连接，两面板固定支架（2）的另一端 固定在定日镜面板（3）的背面。

3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统，其特征在于：所述的俯仰大摩擦轮（4）与力矩管（1）通过螺栓或焊接固定，力矩管（1）与俯仰轴支架（16）通过滑动轴承或低摩擦系数的非金属材料配合，形成转动副，即为俯仰角转动，力矩管（1）与面板固定支架（2）通过螺栓或焊接固定，面板固定支架（2）与定日镜面板（3）通过螺栓或焊接固定。

4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦传动的立卧一体式双轴减速传动系统，其特征在于：所述预紧机构Ⅱ（13）对方位小摩擦轮（12）轮轴的一端进行定位并固定，方位小摩擦轮（12）轮轴的另一端定位于立柱上端盖（9）的结构上，通过向心关节轴承实现方位小摩擦轮（12）的预紧调节。