能流密度测试仪机械结构动力学仿真分析

张鸿斐

摘 要：由于太阳能分散性、不稳定性和利用效率低的自身缺点，增加了太阳能利用的成本。只有准确掌握聚光器聚光效率，测量实际接收到的太阳光辐射值，才能实现高效利用太阳能。这就需要设计一种精度较高的聚光器能流密度测试仪，国内外学者针对这一课题做了大量研究。该文主要是对目前使用的两种测试仪器结构进行动力学仿真计算，深入解析两种测试仪器机械结构的各自优缺点。

关键词：摆动靶 平移靶 齿轮 均匀性

中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0036-03

Abstract：Because of the low efficiency of solar energy，the instability and the dispersivity of solar energy，the cost of solar energy utilization is increased.Only by grasping concentrators efficiency， measuring the actual received solar radiation values， We could achieve high efficiency of using solar energy.We need to design a high accuracy of condenser energy flow density measurement which domestic and foreign scholars have done a lot of research. In this paper，two kinds of test instruments are used to carry out dynamic simulation and calculation，and the advantages and disadvantages of the mechanical structure of the two instruments are thoroughly analyzed.

Key Words：Swing bar；Translation bar；Gear；Uniformity

随着环境污染日益严重，常规能源出现匮乏迹象，便产生了利用新能源代替常规能源快速发展的趋势，其中太阳能利用成为重中之重。从人类发展史来看，早在我国几千年前，就已经知道应用钢制四面镜聚焦太阳光来点火和干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等[1]。为了更高效率利用太阳能，只有精确掌握太阳光输入到聚光器的能量值，通过这个参考值去反向计算聚光器的性能，根据这个参数就可以优化聚光系统性能来提高输出能量值，实现高效利用太阳能的目标。测量太阳能输入值的设备就成为核心研发的一个课题，近些年国内外对聚光器能流密度测试系统进行了大量实验研究，设计出了多种测量系统，如PROHERMES视觉系统、SCANTMAS测量装置等，这些系统结构基本采用间接测量法或直接测量法，或两种方式结合的综合测量系统，无论采用哪种测试系统，基于的机械机构都是通过朗泊靶快速摆动方式，掠过吸热器采光口，得到测量结果[2-4]。为有效精确掌握聚光器输入能量值，必须采用高精度性能可靠的测试仪器才能得到最理想的测试结果，优化现有测量靶的机械结构就显得尤为重要。

1 测试仪器机械结构及工作过程

1.1 建立测试仪器机械结构模型

根据能流密度测试系统工作原理，建立两种类型机械机构模型，一种是采用伺服电机驱动减速机，减速机轴与朗泊靶固定联接，通过软件控制伺服电机正反转角度，使得朗泊靶在太阳光斑接收位置前左右摆动，把这种结构称为摆动朗泊靶测试结构（如图1）；二是采用齿轮传动机构，由步进电机驱动大齿轮带动两个小齿轮转动，将驱动力传递到与小齿轮相联接的丝杠上，然后推动朗泊靶上的丝杠螺母上下快速移动，在太阳光斑接收位置前往复循环运动，这种机械运动结构称为平移朗泊靶测试结构。

摆动靶测试结构由摆动朗泊靶、驱动电机、减速机组成，平移朗泊靶测试结构主要由平移朗泊靶、丝杠螺母组件、滑轨滑块组件、齿轮传动组件及电机驱动组件构成。

1.2 摆动靶测试结构工作过程

摆动朗泊靶测试结构（见图1），通过能流密度测试程序里设定伺服电机正反转角度范围值，连续发送脉冲信号，驱动减速机带动朗泊靶在这个角度范围内，往复循环摆动，使焦点位置的光斑尽可能全部呈现在朗泊靶上，同时CCD相机采集图片，最后通过后台程序合成完整的焦点处光斑照片，计算出能流密度分布图。

1.3 平移朗泊靶测试结构工作过程

平移朗泊靶测试结构（见图2），通过能流密度测试软件控制伺服电机转动速度，大齿轮带动小齿轮属于增速过程，小齿轮再将动力传递到丝杠，达到减速目的，实现朗泊靶快速平稳在丝杠上移动，精确控制朗泊靶移动的每一个位置。CCD相机采集的图片位置准确，软件后台处理程序简单，合成照片精度更高，计算出的能流密度分布图更加可靠。

2 测试仪器机械动力仿真计算和分析

2.1 测试仪机械结构速度对比分析

根据整个系统测量原理，建立如图1和图2两种机械结构模型，为更加清晰掌握机械结构平稳性及可靠性，得到最优的机械测试仪结构，更好为整个能流密度测试系统服务。应用Solidworks软件对这两种机械结构在动态运行时的速度进行动态仿真。图3为摆动靶测量结构朗泊靶在左右摆动过程中，朗泊靶中心速度的振幅变化关系图，从图上得知，在整个循环摆动过程中，速度是先进行加速，然后突变减速到一定值，再突然加速在突然减速最低点位置完成一个左右摆动循环。一个循环当中出现两次速度转折点，当朗泊靶转到转折点位置时，此时的速度达到最大，并且要突然改变速度大小，对朗泊靶与减速机连接处轴的冲击力特别大，瞬时产生扭力达到最大，如果长期这样工作状态，减速机轴寿命明显会受到冲击力作用，因疲劳而断裂，出现朗泊靶飞出产生严重的事故。图4为平移靶测量结构朗泊靶上下移动过程中，朗泊靶中心速度振幅变化关系图，从图上获知，循环过程中向上运动时候速度是匀减速，由于朗泊靶自身重力，与驱动力相反方向，相当于阻力作用，上升高度越大，需要驱动力就越大，但是电机驱动力恒定，这样出现了速度随着高度增加减小。相反，当朗泊靶向下移动时候，由于重力作用与驱动力方向一致，加上惯性力作用使得速度匀速增加，出现图示速度随高度减小而增大的现象。

2.2 测试仪机械结构加速度对比分析

两种测试结构模型经过仿真计算，分别得出朗泊靶中心加速度振幅关系图5和图6。图5是摆动靶测量结构中心加速度振幅变化关系图，从图上获知，加速度处于周期波动状态，并且在极短的时间内幅值变化特别大，这说明产生的惯性力对朗泊靶作用很大，造成减速机轴受到频繁扭力冲击作用，长期会因这种冲击造成减速机轴疲劳破坏，寿命周期很短。图6是平移靶测量结构中心加速度变化关系图，从图上得知，在整个循环运动过程中，加速度只在中间位置发生很小波动，这个时间位置刚好是驱动电机正反转的转折点，振幅也非常小，这就说明产生的惯性力对电机轴扭力冲击非常小，体现出该测试结构运行平稳性，从而提高了整个测试系统的寿命周期。

3 结语

通过建立摆动靶测量结构和平移靶测量结构模型，对其进行运动仿真分析，得出如下结论。

（1）对摆动靶测量结构运动仿真，从速度和加速度关系图分析，该结构测试设备运行不平稳，产生的惯性力大，对减速机轴冲击力大，长期工作会造成减速机轴疲劳破坏，带来严重事故。

（2）通过对平移靶测量结构运动仿真分析，发现此结构测试设备运行平稳，产生惯性力小，相对摆动靶测量结构设备寿命周期较长，由于冲击力小，朗泊靶移动平稳，所以对整个系统测试精度影响特别小。

从以上结论得出：平移靶测量结构具有很明显的优势，对提高整个能流密度测试系统精度的作用是非常重要的，在将来能流密度测试系统中应用的前景也会越来越好，成为主流测试结构。

参考文献

[1] 杨易，陈世祥.浅谈太阳能的利用[C]//上海市老科学技术工作者协会第九届技术年会.2011.

[2] PSA Annual Technical Report 1997.1997：98-104.

[3] A.Kr ger-Vodde，A.Holl nder.CCD flux measurement system PROHERMES[J].Le Journal de Physique IV，1999，9（3）：649-654.

[4] A.Neumann，A.Schmitz.The SCATMES Device for Measurement of Concentrated Solar Radiation[J].Transactions of the ASME，1999，121（1）：116-120.