太阳能热水器结构设计

目 录

1 绪论 (1)

1.1 本课题的来源及研究的目的和意义 (1)

1.2 太阳能热水器的概况 (1)

1.3 本课题所涉及的问题及国内（外）研究现状及分析 (1)

1.4 国外研究现状及分析 (2)

1.5 国内研究现状及分析 (2)

1.6 对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析 (3)

1.7 完成本课题所必须的工作条件及解决的办法 (3)

1.8 完成本课题的工作方案及进度计划 (3)

2 太阳热水器能结构设计方案 (4)

2.1 机型 (4)

2.2 机具工作原理 (4)

2.3 总体配置 (4)

2.4 基本设计参 (5)

2.5 确定传动方案 (6)

2.6 电动机的选择 (6)

3 传动机构的设计 (8)

3.1 齿轮及齿盘的设计 (8)

3.2 轴的计算 (11)

3.3 凸轮机构的设计及计算 (12)

小 结 (15)

致 谢 (16)

参考文献 (17)

附 录 (18)

1 绪论

1.1本课题的来源及研究的目的和意义

进入 21 世纪，随着石油、煤、天然气等这些不可再生自然能源价格的上涨，能源危机 再次引起了人们的注意，如何很好的节约和利用能源，特别是可持续性能源，一直是人类所 面临的问题。 在本次设计中我将从我国目前面临的能源现状出发， 分析太阳能的基本特性的 基础上，对目前收集太阳能最成功的装置太阳能热水器进行结构设计。

太阳能热转换技术的核心是采用高品质、高转换率的太阳能集热器。未来的太阳能热利 用发展趋势是太阳能与建筑结合，太阳能平板集热器是与建筑结合最佳方式的太阳集热器。 但我国幅员辽阔，各地日照时间，日照角度等参数各不相同，因此可根据环境需要做成灵活 多变的结构形式和形体尺寸。

太阳能热水器虽然在国内用的比较多，但是在结构方面有不少的不足之处，不能尽可能 满足用户的使用，本次设计旨在提出一些可以优化的方面。

一是提出集热器旋转的结构改进方案，二是提出集热器日照角度变换的结构改进方案， 三是提出在热水器自动控制方面的改进方案。

1.2 太阳能热水器的概况

目前太阳能热水系统尚未纳入建筑给排水设计,工程中较常用的热水供应是采用换热站 提供的合适温度的热水,再通过室外管网向用户供水。该供水方式存在供热效率低, 经济效 益差等缺点。而家用太阳能热水器就是一个节约能源，有效利用能源的典型。随着人类生活 的不断进步，科学技术的不断发展，电子技术在各个领域的广泛应用，如何更高效的利用太 阳能必将成为小型太阳能结构的发展趋势。美国、日本等发达国家已经在这方面做了很多有 益的探索和研究，在我国，随着人民生活水平的日益提高，高效便捷的太阳能结构也必将在 我国兴起、发展和完善。所以如何提高民用设备的利用率也就成了一种有益的、必要的、积 极的探索和研究。同时，自 1985 年以来我国太阳能利用取得了举世瞩目的成绩，太阳能热 水器是太阳能热利用中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域，并且随着大众文 明意识的提高、 人民生活水平的不断提高以及对生活热水需求的日益增长和拥有 9亿人口的 农村潜在市场的开发，研究、开发与太阳能热水器相配套的控制系统，也就有着重大意义， 同时会创造良好的社会效益。而目前市场上的太阳能热水器，存在着太阳能利用率不高、稳 定性差、通用性差等缺陷。本设计就是针对这些，开发具有高太阳能利用率、通用性、稳定 性好的太阳能热水器。

1.3本课题所涉及的问题及国内（外）研究现状及分析

当前我国自主开发的全玻璃真空管太阳能热水器在世界上处于领先平，并出口到日本、 美国等发达国家。据统计，截止到 1998年底，我国太阳能热水器生产厂有1000 多家，年产 量在 250 万平方米以上，年产值 35 亿元，从业人员 1.5 万人，用户达 3000多万人，年产量 及拥有量均居世界首位，成为我国节能领域的新兴产业，已引起国际能源界的关注，发展势 头很好。进入 90 年代，中国在改革开放政策指引下，随着太阳能热水器的不断改进、大众 文明意识的提高、 人民生活水平的不断提高以及对生活热水需求的日益增长和拥有9 亿人口 的农村潜在，市场的开发，更是促进了太阳热水工业的迅速发展，太阳能热水器应用同时也 得到了一个大规模进展，并且形成了与空调、彩电、冰箱等一样的大规模市场。太阳能热水 器是利用集热器吸收太阳光，将光能转化成热能，并通过储水箱将热水储存的装置。目前， 技术水平最高的太阳能热水器是真空集热管太阳能热水器。真空集热管的内、 外管之间是真 空夹层，确保冬季管内不结冰，能够正常使用，内管上有一层选择性吸收镀膜，膜层能充分 吸收太阳光。真空管里的水，吸收热量后，通过温差循环，加热储箱内的水。太阳能中央热 水系统采取以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式。一般情况下全年90%的热水来自太阳 能，只需 10%的电能作补充，365 天全天候可以供应热水。太阳能热水器可在全国大部分地

区使用，并被广泛应用于家庭，在宾馆沐浴、工业用水等方面获得利用。同时，由于其经济

和社会效益显著。不用煤油电而用太阳能热水器洗浴的城乡居民全国有 3000 多万，年节约

能源 200 万吨标准煤。 太阳热水不但为广大城乡用户所接受，而且建设部已将它列入建筑节

能新技术，准备推广，太阳热水系统将与被动太阳采暖、光伏器件一起成为 21 世杨太阳能

建筑结构的一个组成部分。太阳热水要扩展到为工农业生产服务。

太阳能产品本身还存在着使用不方便、不配套、质量档次不高的状况。同时，由于受自

身条件的限制，随着春夏秋冬四季的变化，以及不同季节不同天气的变化，由于真空集热管

太阳能热水器的单一性能，出水温度和热水存量的不确定性给使用中带来众多不便， 同时也

造成了对太阳能的利用效率低下， 太阳能热水器也就在一定程度上满足不了不同用户的不同

需要，从而影响了太阳能热水器的长期发展。

1.4 国外研究现状及分析

在世界范围内,太阳能热水器技术已很成熟,并已形成行业,正在以优良的性能不断地冲

击电热水器市场和燃气热水器市场。国外的太阳能热水器发展很早,但 80 年代的石油降价,

加之取消对新能源减免税优惠的政策导向,使工业发达国家太阳能热水器总销售量徘徊在几

十万平方米。

世界环境发展大会之后,许多国家又开始重视太阳能热水器在节约常规能源和减少排放

二氧化碳方面的潜力,仅据美国加州首府萨克门托市的计划,到 2000 年太阳能热水器将取

代该州 47000 套家用电热水器;到 2000 年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番;以色列更

是明文规定,所有新建房屋必须配备太阳能热水器。 目前,我国是世界上太阳能热水器生产量

和销售量最大的国家。1992 年销售量为 50 万 m2 ,为世界其他各国销售量之和;1995 年销

售量翻番,达 100 万 m2 。据初步统计,1997 年我国太阳能热水器销售量 300 万 m2 ,目前,

我国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到 1000 余家,年产值 20 亿元,从

但从房屋的热水器安装率来说,以色列已达80% ,日本为11% ,台湾达217 %, 业人数115 万人。

我国在千分之几左右,其太阳能热水器的推广应用潜力仍很大。 国际上,太阳能热水器产品经

历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展,目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的

效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减少热量损失;聚脂薄膜的

透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高,

太阳能热水器必将逐步替代电热水器和燃气热水器。 虽然太阳能热水器目前仍存在市场价格

高、受季节和天气影响的不利因素,但太阳能热水器具有不耗能、安全性、无污染性等优势,

而且随着技术的发展其经济性也逐渐显露出来。 有关专家对三种热水器的经济指标比较结果

表明，太阳能热水器在经济上已具有较强的竞争力。

1.5国内研究现状及分析

我国的太阳能热水器发展趋势十几年来 ，我国太阳能热水器行业从无到有，由小变大，

发展非常迅速，但其普及率仍然很低，产品的品种、功能和质量也都远远不能满足需要。今

后，我国太阳能热水器将怎样发展，这里仅从产品和技术的角度，对其发展趋势做个介绍。

1.4.1 太阳能热水器将与建筑结合

在许多工业化国家中，太阳能热水器早己列为建筑配套设备的一部分。从节能、环保和

改善人民生活条件等因素考虑，在住宅设计中采用太阳能热水器提供生活热水己是大势所

趋。为要使太阳能热水器尽早步入建筑行业，我们首先要研究太阳能热水器与建筑外观相协

调的总体方案(依据南方或北方、城镇或农村、楼房或平房等不同情况)，设计出与建筑结构

相适应的各种太阳能热水器产品(依据平屋顶、斜屋顶、阳台等不同条件);其次要重视热水

器产品的标准化、系列化以及热水器施工安装的规范化，加强与建筑设计部门的合作，使太

阳能热水器列入建筑标准图册，真正成为建筑的配套设备。

1.4.2 太阳能热水器将逐步完善功能

人们对住宅中获取生活热水的要求正在日趋提高。 为了能与电热水器、燃气热水器等产 品竞争， 太阳能热水器除了在节能和环保两方面具有优势之外， 还应当具有防冻或抗冻功能; 人们希望洗浴时热水犹如自来水那样喷淋，太阳能热水器就应当采用顶水法取出热水;人们 希望供热水设备不要因水垢而堵塞，热水器就应当将集热回路与生活热水回路分开;人们希 望即使阴雨天也能用上热水，太阳能热水器就应当跟辅助能源配套;等等。由此可见，全年 用热水器、承压水箱、双循环系统、辅助电加热等技术改进都将是我国太阳能热水器发展的 必然趋势。

1.6对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析

成功设计出小型太阳能结构机械部分应有以下几个任务要求：

（1）采用齿轮传动，驱动为电机；

（2）选择合适的传动装置，来达到小型太阳能结构的设计目标。

（3）本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路

本课题重点研究的是怎样设计小型太阳能结构的机械部分， 采用适合的传感器以及传动装置 来达到设计任务的目标。

（1）根据小型太阳能结构需要旋转和升降的要求和自动化程度来选择适合的动力源； （2）确定传动机构和执行机构；

（3）根据小型太阳能结构的大小，通过手里要求计算出机构中各个零件尺寸的大小、型号 等并画出装配图；

（4）对受力部件，零件尺寸进行校核计算。

1.7完成本课题所必须的工作条件及解决的办法

(1) 了解小型太阳能结构的应用及在国内外发展的现状， 上网和图书馆查阅相关文献资料； （2）确定设计方案，参考资料，进行设计，询问老师和同学；

(3) 了解小型太阳能结构的结构尺寸以及传动速度，上网和去图书馆查阅相关文献资料； （4）设计传动机构，根据输出输入速度，计算并设计出减速器；

（5）利用 AutoCAD 软件画出装配图；

（6）计算校核，参考资料书中的计算方法和公式等进行计算交合。

1.8完成本课题的工作方案及进度计划

完成本课题的方案：本方案采用电动机为动力源，利用减速器等传动机构完成设计 第 1-2 周 查阅相关文献，撰写开题报告。

第 3-4 周 确定总体方案，明确相关内容。

第 5-6 周 根据设计要求查阅相关手册，对各部份机构进行设计。

第 7-9 周 绘制零件图和装配图

第 10 周 完成对产品的校核工作及设计说明书。

第 11 周 整理资料，做好答辩准备。

2 太阳热水器能结构设计方案

表 2‐1 太阳能集热器安装倾角速查表

城市 纬度/（°） 安装倾角/（°） 和田 37.09 35

阿克苏 41.09 40

哈密 42.50 40

乌鲁木齐 43.45 40

伊犁 43.55 45

塔城 46.46 45 注：太阳能集热器单位面积得热量与所在地经纬度、大气透明系数、集热器倾角等因素 有关，在安放时应选择合理倾角。

2.1 机型

我国人口众多，基本上各家各户都需要安装太阳能热水器，因此，对小型太阳能热水器 的需求量很大，因此本次的机型当与此相适应才较为恰当。

虽然定位为小型机具，但其结构尺寸还要根据具体的配套太阳能热水器来定。国内集热 器型号有很多，考虑到热水器需要转动和升降，要求有较大的驱动力，因此尽量减少热水器 质量，优先考虑非承压分离式热水器，先选 SLL5818—25 型集热器。

2.2 机具工作原理

工作过程：机器开始工作时，机架上的电机带动其同轴的齿轮转动，与其相啮合的底座 齿盘带动整个机构转动。从而保证整个集热器始终正对阳光。同时，在电机的输出轴上连接 凸轮，利用顶杆使其与集热器架连接。当电机转动时，带动凸轮转动，从而可以控制机架的 升降，改变机架的水平角度，以达到最大限度利用太阳能的目的。

2.3 总体配置

经过多次的讨论和研究，确定小型太阳能的总体结构，包括转动装置和动力传送系统及 升降装置。 其中动力源为电动机， 考虑到旋转时需要控制旋转角度， 初步考虑选用步进电机， 以便于更准确的控制旋转角度， 使其向阳面面积保持最大。升降系统初步考虑用凸轮机构完 成，以便于尽可能的简化机构，降低成本。其结构如图 2-1 所示

图 2-1 太阳能热水器结构示意图

1.底盘

2.集热器三角架

3.集热器

4.导轨

5.电机底座

6.电机 7 齿轮 8.推杆

9.凸轮 10.转向轮

2.4 基本设计参

配套集热器 SLL5818—25集热器的外形如图 2-2 所示：

图 2-2 SLL5818—25型集热器

具体参数见下表：

表 2-2 规格型号表

产品型号

SLL5818—25晒乐系列 SLL5818—25 速乐系列 集热器件

58mm×1800mm“晒乐”真空管 58mm×1800mm“晒乐”真空管 真空管数量及间距

25 支×75mm 25 支×75mm 集热面积

轮廓面积4m 2 轮廓面积 4m 2 内胆材料

SUS304 不锈钢 SUS304 不锈钢 外壳材料

镀铝锌板不锈钢 镀铝锌板不锈钢 保温材料

45mm 厚聚氨酯发泡 45mm 厚聚氨酯发泡 密封材料

硅橡胶密封 硅橡胶密封 外形尺寸

140mm 1924mm 2000mm × × 140mm 1924mm 2000mm × × 安装螺钉

25 18M8′ 25 18M8′ 重量 90kg 90kg

与其配套使用的三角架如图 2-3

图 2-3 三角架

2.4.1 三角架主要用于固定集热器并与底座装置、升降装置连接。

（1）该支架适用于 SLL5818 系列集热器。

（2）适用于集热器一层放置，倾角 30度。

（3）采用 4#国标角钢或 4#热镀锌角钢现场焊接制成。

2.4.2 传动装置整体结构

（1）传动装置的组成 传动装置由电机、齿轮、凸轮等组成。

（2）传动装置的特点 与齿轮啮合的齿盘上齿呈弧线分布，故沿轴向载荷分布不均匀，要 求齿轮有较大的刚度。

2.5确定传动方案

考虑到电机转速低，传动功率大，其传动方案如下图2-4：

图 2-4 传动装置设计图

2.6电动机的选择

选择步进电机，型号：MPM-ST57C-2P-12.01L。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的。

电动机的外形如下图2-5：

图 2-5 电机

表 2-3 步进电动机参数

电动机型号 步距角 相数

最大静转矩 定位转矩 转动惯量 MPM-ST57C-2P-12.01L 7.5° 4 1,500g.cm 425 g.cm 12.5 g.cm

注：其中，电压:12VDC 电流:0.6A 电阻:21Ω 引线规格:UL1007 AWG26 。用微机控制 系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,可以根据系统需要通过软件编程的方法任意设定步进电 机的转速、旋转角度、换向、转动次数和控制步进电机的运行状态。通过控制程序，这样可 简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。 图 2-6为单片机控制步进电机 接口原理图。(软件法形成脉冲序列的程序流程、主程序流程图、定时器中断服务程序流程 图及其相关程序,时间的设定见附录。)

图 2-6 单片机控制步进电机接口电路原理图

根据电机轴径的大小及转动惯量，选取联轴器，选择 GY 型凸缘联轴器，型号：GY2,工 称转矩/（N.M）63，许用转速/（r/min）10000，转动惯量/（ 2

m kg × )0.0015，质量/kg1.72， 符合要求。联轴器的外形如下图 2-7：

图 2-7 凸缘联轴器

3 传动机构的设计

3.1齿轮及齿盘的设计

3.1.1 齿轮的材料及定义

（1）选用直齿圆柱齿轮

（2）材料选择，选择小齿轮材料为优质碳素结构钢，牌号：（GB/T 699-1999 20Mn）硬度为 197HBW

（3）选齿轮齿数 42 = z 1 ，齿盘齿数 42

z 2 = 3.1.2 按齿面接触强度设计 由计算公式计算

3 2 H

E 1 1 ) ] [σ z （ u 1 + u . φd kT 2.32 ≥ t d 确定公式内的各计算数值

试选载荷系数 1.3

K 1 = 计算齿轮传递的转矩

mm N 10 × 17.7 = n 9 × 10 × 95.5 = T ? 5 1

5 1 选取齿宽系数 1

= φd 查得材料的弹性影响系数 2 1

а

189.8MP = Z E 按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 a 1 600MP σHmin = ，齿盘的接触疲劳强度 极限 a

2 550MP σHmin = 1） 计算应力循环次数

7 8 2 8 1

1 10 × 4.656 = 4.5

10 × 2.0952 = N 10 × 2.0952 = 15） × 300 × 8 × （2 × 1 × 48.5 × 60 = JLh 60n = N 2）

取接触疲劳寿命系数 0.9 KHN 1 = , 0.95 KHN 2 = 3） 计算接触疲劳用应力

取失效概率为 1%，安全系数 S=1

522.5MPa = 550MPа × 0.95 s

lim1 σ KHN = [σH] 540MPa = 600MPа × 0.9 = s

lim1 σ KHN = [σH] 0 → σx 2 2 0 → σx 1 1 4）试计算齿轮分度圆直径 1 d ，代入[σH]中较小的值

105 = ) σ z （ u 1 + u t k 2.32 ≥ t d 3 2 H

E 1 1 1 5）计算圆周速度 V

0.166m/s = m/s 1000

× 60 48.5 × π105 = 1000 × 60 n πd = V 1 1 6）计算齿宽b

105 105 1

t d Φd b 1 = × = = 7）计算载荷系数

由 V=0.166m/s ， 7级精度，查得动载系数 1.2

K V = ，直齿轮KHa=Kfa=1 用插值法查得 7 级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时 KHB=1.423 由 12.4 h

b

= ，KHB=1.423TKFB=1.35，故载荷系数 1.594 = 1.423 × 1 × 1.2 × 1 =

K K K K = K Hb Ha V А 3.1.3 按齿根弯曲强度计算 得弯曲强度计算公式为 3 Sa Fa 2 1

1 ) [σF] Y Y （ φdz 3KT ≥ m （1） 确定公式内的各计算数

1） 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 a 1 500MP = σFE ；齿轮的弯曲强度极限

a

2 380MP = σFE 2） 取弯曲疲劳寿命系数 0.88 = K × 0.85 = K 1

1 FN FN 3） 计算弯曲疲劳许用应力

取弯曲疲劳安全系数 S=1.4T

238.86MPа = 1.4

380 × 0.88 = s σFE KFN = [σH] 303.57MPа = 1.4

500 × 0.85 = s σFE KFN = [σH] 2 2 2 1 1 1 4） 计算载荷系数

1.512 = 1.32 × 1 × 1.12 × 1 =

K K K K = K Fb Fa V А 5） 查取齿形系数

查表得 2.225 =

Y 2.65 = Y Fa2 Fa1 6） 查取应力校正系数

查得 1.764 = Sa2

Y 1.58 = Sa1 Y 7） 计算齿轮及底盘齿的 [σF] Y Y Sa

Fa 并加以比较

0.01664 = 238.86 1.769 × 2.226 = [σF] Y Y 0.01379 = 303.57 1.769 × 2.65 = [σF] Y Y 2

Sa2 Fa 1

Sa

Fa 2 1 1 大齿轮的数值大

（2） 设计计算错误！未指定书签。

2.05 = 0.01644 × 24 × 1 10 × 9.948 × 1.512 × 2 ≥ m 3 2 4 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模 数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所 决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取弯曲强度算得的模数 2.05 并就近圆整为标准值

m=2.5mm，按接触强度算得的分度圆直径 105mm = d 1 ，算出小齿数 42 = 2.5

105 = m d = z 1 1 齿盘 42

Z 2 = 这样设计出的齿轮传动，既满足齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲强度，并做 到了结构紧凑，避免浪费。

3.1.4 几何尺寸计算

（1）计算分度圆直径

105 = 2.5 × 42 = m z = d 105 = 2.5 × 42 = m z = d 2

2 1

1 (2)计算中心距

105 = 2

d + d = a 2 1 (3）计算齿轮宽度

105 = 105 × 1 =

φdd = b 1 取 105mm =

B 105mm = B 2 1 齿轮一端连接电动机的输出轴， 并与转盘上的齿啮合， 当电动机转动时， 带动整个机构旋转。

表 3-1 齿轮的基本参数： 齿数

模数 齿全高 压力角 齿轮 42 2.5 18 20 齿盘 42 2.5 18 20

齿轮结构如下图 3-1

图 3-1 齿轮

3.2轴的计算

3.2.1 轴的结构设计

取轴颈处的直径为 19mm，与标准 GY 型凸缘联轴器(型号：GY2)的孔径相同。各轴段配 合及表面粗糙度选择如下：轴颈处H9/f9, 0.8μm =

R a ;齿轮处配合处为H8/t7，联轴器与 传动轴的配合H9/h8。

3.2.2 键连接的强度校核

键主要是为了实现轴上零件的轴向定位来传递转距，键的形式用多种，，根据传动的要 求， 键的选择应根据轴的直径选择不同型号的键， 轴的直径 d=19mm 选用 A 型平键 （GB/T1096 —2003 摘录），与联轴器连接处键的尺寸 20 × 6 × 6 = L × h × b 与凸轮连接处键的尺寸 20 × 6 × 6 = L × h × b 轴的材料是 45 号钢，且属于静联接机械设计第八版表 6-2 查得许用挤 压应力为[σp]=120-150MPa,取其平均值[σp]=135MPa。键的工作长度为

14mm = 6mm 20mm = b L = l ,键与联轴器键槽的接触高度为 3mm 6 0.5 0.5h k = ′ = = 。 由机械设计第八版式6-1 可得

] [σ ≤ kld 10 × 2T = P 3 P σ 135MPa < 127MPa = 14

× 19 × 3 10 × 74.6 × 2 = 3 T—传递的转矩（N.M）

d—轴的直径（mm）

l—键的工作长度（mm）；A 型，l=L－b

k—键与轮毂的接触高度（mm）；k=h－t，h 为键的高度，

b—键的宽度（mm）

t—切向键工作面宽度（mm）

P σ —键的许用切应力（MPa）

] [σ P

—键连接的许用挤压应力，/ MPa 可见联接的挤压强度满足，即该键可以正常工作。

键的标记为： （GB/T1096-2003） 键 20 × 6 × 6 ，圆头普通平键（A 型），b=6、h=6、L=20 轴的结构如下图 3-2

图 3-2 传动轴

3.2.2 按弯扭合成应力校核轴的强度

进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面，，即危险截面 C 与 D 其中一

个截面，。根据式 W

(αT) + M = σ 2 2 ca 及以上数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环 变应力，取 0.6 a = ，轴的计算应力为

51.26MPa = 55

× 0.1 ) 10 × 538.6 × (0.6 + ) 10 × (661.27 = W (αT) + M = σ 3 2 3 2 3 2 2 ca ，前已选定轴的 材料为40Cr ，调质处理，查表 15—1 得许应弯曲应力 70MPa = ] [σ 1 - 。因此 ] [σ < σ 1 - ca ，故 安全。

3.3凸轮机构的设计及计算

3.3.1 凸轮机构形式的确定

根据常用凸轮机构形式及需要传递较大力的要求， 在此设计对心直动滚子推杆盘形凸轮 机构，由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较大的动力。

3.3.2 推杆的运动规律的确定

根据机架需要上升十五度角，可确定推杆的推程h=200mm，然后确定推杆的推程运动角

o 90 = δ 0 ，远休止角 01 δ =180°，回程运动角 ＇ 0 d =270°，近休止角 02 δ =360°。

表 3-2 凸轮运动规律表

运动规律 最大速度 最大加速度 最大跃度

适用场合 ′ ） （hω/δ v 0 max ′ ） δ （hω α 2 0

2/ max × ) /δ （hω j 3 0 3 max 等速运动

1.00 ∞ 低速轻载 等加速等减速

2.00 4.00 ∞ 中速轻载 余弦加速度

1.57 4.93 ∞ 中低速重载 正弦加速度

2.00 6.28 39.7 中高速轻载 五次多项式 1.88 5.77 60.0 高速中载

由表中可知余弦加速度的运动规律适用于中低速重载的场合，因此， 在此选用余弦加速 度运动规律，因为加速度曲线连续。行程始末加速度等于零，跃度为有限值的突变。启动平 稳。导路侧压力小，冲击、磨损较轻。适用中、高速轻载。根据以上数据可得到以下的运动 规律曲线如图 3-3：

图 3-3 推杆运动规律曲线

3.3.3 凸轮轮廓曲线的设计

设计凸轮的轮廓曲线必须知道基圆半径Rb，根据公式：Rb= 2 h - tanα β hV m

1 m （ 1 β—推程角，弧 度值; h —推程; m V —最大线速度; m α —最大压力角,一般取

30°）;查阅现代机械传动手 册 P763, 则Rb= 132mm = 2 h - tan30 × 180

π × 90 1.045 × 200 ，Rr=40mm 3.3.4 作图法画出凸轮的轮廓曲线

根据基圆半径及上述的推杆轮廓曲线作出凸轮的工作廓线如下图 3-4： 1

2

3

4 5 6 7 8 9

0 01 0　

02 图 3-4 凸轮工作廓线

由此可得凸轮的轮廓曲线如图3-5：

图 3-5 凸轮

3.3.5 推杆的设计

推杆的结构如图 3-6

图 3-6 推杆

由于需要传递较大的力所以选用滚子推杆。 这种推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩 擦，所以磨损较小，故可以传递较大的力。

推杆一端连接凸轮，一端与三角架的横梁接触，凸轮转动时，就可推动横梁，从而达到 升降的目的。根据推杆需要顶到三角架的横梁上，选定顶杆长 203mm，直径30mm。滚子直径 40mm，宽度 20mm。

3.3.6 支撑柱

考虑到底盘前半部分受力过大，需要加装支撑柱。支撑柱采用合金结构钢，外形如下图 3-7：

图 3-7 支撑柱

注：支撑柱后半部分50mm 浇注在房顶平面以下。

脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是 我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会 对我未来的学习和工作有很大的帮助。

在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助， 有什么不懂的 大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识有很大的帮助，所以在这里非常感 谢帮助我的同学。在此更要感谢我的导师和专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够 顺利的完成毕业设计。在我的学业和设计的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心 血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。 从尊敬的导师身上， 我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师李老师致 以最衷心的感谢和深深的敬意。

四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号， 而于我的人生却只是一个逗号， 我将面 对又一次征程的开始。 四年的求学生涯在师长、 亲友的大力支持下， 走得辛苦却也收获满囊， 在设计即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。本次设计是在李宜峰老师的悉心指导 与严格要求下进行的。从设计（论文）的选题、方案的设计、具体的绘图到说明书撰写的每 个环节，都凝聚着李老师的心血和汗水。李老师严谨的治学态度、开拓创新的工作作风及对 事业的奋进执着精神，都将使我铭记在心，并时刻激励着我不断追求勇往直前。此外，本文 最终得以顺利完成，也是与机电院其他老师的帮助分不开的，他们在设计过程中给我提供了 不少的意见和建议，使我少走了许多弯路，在此向他们表示深深的感谢！

大学时光已经接近尾声， 在此我想对我的母校， 我的老师和同学们、 表达我由衷的谢意。 感谢我的母校塔里木大学给了我在大学的本科四年深造机会，让我能继续学习和提高。 塔里 木大学四季如春的校园， 美丽如诗的风景都深深的留在了我的记忆里。 四年珍贵的学习期间，

“自强不息， 让我的知识体系更加完善，思想观念更加成熟，整体素质得到了极大的锻炼。

求真务实”的校训我将铭记于心，在未来的学习和工作中躬身践行。

再次,感谢我的同学们,以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。 在毕业设计过程中 得到了他们无私的帮助，以及许多启发性的指导和建议。在此向所有支持、关心、帮助我的 人表示由衷的感谢!祝他们永远健康、幸福!

最后，感谢我的父母、亲人们对我学习的默默支持，使我能顺利完成本科学业。在未来 的日子里，我会更加努力的学习和工作，这或许是对他们最大的报答！

参考文献

[1] 毕文峰,王侃宏,乔华,崔坚. 平板集热器冬季工况集热性能分析.煤矿现代化, 2005,(01)

[2] 周子成,田军.用于太阳能热泵的真空管集热器的研究. 制冷学报, 1990,(02)

[3] 郁道光, 宋可生, 焦小浣. 真空管平板集热器最小阳光入射角的一种证明及光学性能

分析.太阳能学报,1991,(01)

[4] 申银俊,刘秀文.真空玻璃管集热器及其优点[J].稀有金属材料与工程,1986,(01)

[5] 刘鉴民. 太阳能集热器性能的粗略估算. 太阳能,1983,(03)

[6] 方铎荣, 李元哲. 平板集热器最佳化设计的一种方法—成本/效率法.太阳能

学,1984,(01)

[7] 叶小华. 3.56XCPC—平板集热器组合式太阳能开水器的设计研究[J].能源研究与信

息,1986,(01)

[8] 吕锡民.国内太阳能热水器使用状况调查分析.能源季刊,1997 ,27 (3):105～117

[9] 才立炜. 推广太阳能热水器技术中应重视的问题. 农村能源,2001,(01)

[10] 曾广强. 太阳能热水器的应用. 工程建设与设计,1994,(06)

[11] 略谈目前我国太阳能热水器行业现状. 家电科技,2004,(Z1)

[12] 郭景. 太阳能热水器与建筑有机结合的 4个建议.现代家电,2003,(07)

[13] 孙桓.机械原理（第 7 版）.高等教育出版社,2006.

附 录1.软件法形成脉冲序列的程序流程

程序如下:

PULSE: MOV R3 , # NUM

PUSH A

PUSH PSW

LOOP: SETB P1. 0

ACALL DELAY1

CLR P1. 0

ACALL DELAY2

DJNZ R3,LOOP

POP PSW

POP A

RET

2.主程序流程图

程序如下:

CON: MOV R3, # N

MOV TMOD , # 10H

MOV TL1 , # LOW

MOV TH1 , # H IGH

JNB FLAG ,LEFT

MOV R0 , RM

AJMP TIME - S LEFT: MOV R0 , LM TIME: SETB EA

SETB ET1

SETB TR1

WAIT: SJMP WAIT