基于LABVIEW网络化光伏光热发电跟踪器监测系统设计毕业论文

 2022-06-21 11:06

论文总字数:25106字

摘 要

随着社会的发展,人类对能源的需求越来越大,对化石能源的开采越来越多,造成了世界范围的能源危机。太阳能是一种理想的能源,世界各国都在积极开发利用太阳能,高效率的利用太阳能是太阳能利用的关键问题。低成本、高精度,结构简单的太阳跟踪器对提高太阳能利用效率具有重要的意义。

本文将着重讨论基于LABVIEW的光伏光热太阳能发电跟踪系统的研究和一些硬件和软件的设计,并且在传感器和数材卡的选择方面将进行详细的探究,该系统解决了现有太阳能利用领域中,不能全方位全天候自动跟踪太阳、发电效率低的问题,为大规模发展聚光光伏发电技术提供了切实可行的解决方法。

系统设计现在只停留在理论阶段,需要以后进行不断的时间论证来证明此系统是否可行,是否能够真的为社会的发展作出贡献,为人类的不断进步提供可靠的理论依据。

关键词:LABVIEW 太阳能 跟踪器 光伏光热 传感器

Abstract

With the development of society, the demand for energy is increasing, and the exploitation of fossil energy is more and more, causing the world wide energy crisis.. Solar energy is an ideal energy, and the world is actively developing and utilizing solar energy, and the utilization of solar energy is the key problem of solar energy utilization.. Low cost high precision and simple structure of the solar tracker have important significance for improving the solar energy utilization efficiency.

This paper will focus on tracking based on LabVIEW photovoltaic solar thermal power generation system of the research and some of the hardware and software design, and in the choice of sensor and material card will be detailed inquiry. The system solves the existing in the domain of solar energy utilization, not full range all-weather automatic sun tracking and low efficiency power generation problem, for the large-scale development of photovoltaic power generation technology provides feasible solutions.

System design is now only remain in the theoretical stage, later need for continuous time argument to prove that this system is feasible or not, whether we can really for the development of society contribute and provide a reliable theoretical basis for the continuous progress of mankind.

Keywords: LABVIEW;solar ;trackerphotovoltaic; photo ;thermal sensor

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 - 1 -

1.1课题研究的背景及意义 - 1 -

1.1.1课题研究的背景 - 1 -

1.1.2课题研究的意义 - 1 -

1.2 太阳能发电的分类 - 3 -

1.2.1太阳能光伏发电 - 3 -

1.2.2太阳能光热发电 - 3 -

1.3光伏光热发电跟踪装置监测系统的国内外的发展现状 - 4 -

1.3.1国内研究现状 - 4 -

1.3.2国外研究现状 - 6 -

1.4主要研究内容与技术路线 - 7 -

1.4.1主要研究内容 - 7 -

1.4.2技术路线 - 7 -

1.5本章小结 - 8 -

第二章 总体方案设计 - 9 -

2.1跟踪器的工作原理及结构组成 - 9 -

2.1.1跟踪器的工作原理 - 9 -

2.1.2跟踪系统的结构组成 - 9 -

2.2减速器的失效形式 - 10 -

2.3测试系统总体方案设计 - 14 -

2.3.1测试系统参数分析 - 14 -

2.3.2测试系统总体方案论证 - 14 -

2.3.3测试系统软件平台的选择 - 18 -

2.4本章小结 - 19 -

第三章 测试系统硬件设计 - 20 -

3.1硬件方案总体设计 - 20 -

3.2传感器的选型 - 20 -

3.2.1位移传感器 - 20 -

3.2.2温度传感器 - 24 -

3.2.3转矩传感器的选型 - 25 -

3.2.4风速传感器 - 27 -

3.3数据采集设备选型 - 30 -

3.3.1数据采集工作原理 - 30 -

3.4数据采集机箱选择 - 31 -

3.5传感器输出信号模块选择 - 31 -

3.6本章小结 - 34 -

第四章 测试系统软件设计及验证 - 35 -

4.1LABVIEW简介 - 35 -

4.2测试系统软件功能分析 - 35 -

4.3测试系统软件流程设计 - 36 -

4.4测试系统软件功能实现 - 36 -

4.4.1登录功能 - 37 -

4.4.2采集功能 - 37 -

4.4.3查询功能 - 39 -

4.4.4打印功能 - 40 -

4.5登录界面及主界面设计 - 40 -

4.5.1登陆界面 - 40 -

4.5.2等待界面 - 41 -

4.5.3主界面 - 41 -

4.6本章小结 - 41 -

第五章 结语 - 42 -

5.1小结 - 42 -

5.2展望 - 42 -

第一章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1课题研究的背景

当今社会,能源不仅为社会的发展提供了物质基础,同时也为人们生活水平的提高提供了先决条件。现代社会中,我们主要依赖的能源仍然是煤、石油、天然气等矿物燃料。但是这些能源的储存量是有限的,是不可再生的。

因此,当今世界面临着能源危机,而社会经济的发展和现代文明的建设必然导致对能源资源的掠夺和对环境生态的破坏。这样,若不加以控制,有可能孕育着全球性的冲突,甚至引发战争,把世界经济和我们人类推向灾难的深渊。我们人类应该立即转向开发和利用新能源与可再生能源,逐步摆脱对石化能源资源的依赖,才能实现既满足社会经济发展对能源的需求,又能在一个良好的生态环境条件下发展经济,建设和谐的真正文明社会[1]

1.1.2课题研究的意义

众所周知,太阳能是一种清洁的可再生的能源,由于这些无法比拟的优点,许多国家都在大力发展太阳能发电技术,很大程度上它缓解了人类的能源危机能源危机,是实现人类可持续发展的有效途径之一,因此研究太阳能发电核心技术已经是当下迫在眉睫的问题。由于太阳能量密度很低,具有分散性,虽然太阳的辖射总量很大,但是到达地球表面时能力密度很低同时太阳能量受天气影响较大,具有不稳定,同时因为受到昼夜、季节变化、经度、海拔等因素的影响,另外天气的晴天、阴天、多云等不定因素的影响,使得到太阳辖射度达地球时变得不稳定和间断,因此大范围的使用太阳能不现实。另外由于太阳能量的分散,密度又低,因此,太阳能的利用装置必须具有相当大的面积,才能收集到足够的功率。但是,面积大,造价就会高。这些因素对太阳能的采集与利用提高了更高的要求。提高光伏发电效率主要有两个途径:提高光伏电池的光电转化效率、减少光伏电池的余弦效应或使用跟踪技术、提高太阳能量密度。光伏电池的光电转化效率与电池的材料、工艺等密切相关,随着新材料和新工艺的发展,光伏电池的转化效率越来越高;同时,随着新工艺的发展和批量化生产,其成本也越来越低。光伏电池的余弦效应就是,当太阳光线垂直照射电池板时,发电效率最高;当太阳光线和电池板法线的夹角越大,光电转化效率越低,转化效率与该夹角的余弦成正比。在光伏电池最大转化效率一定的前提下,为了提高光伏系统的转化效率,一般对光伏系统实行跟踪,即减少光伏电池的余弦效应。目前,使用较多是平板光伏发电系统,即把太阳能电池板至于阳光下,其把光能转化为电能。由于电池本身的转化效率低,同时电池的余弦效应,系统的光电转化效率较低,一般在10%以下。带有跟踪技术的平板光伏系统,即具有单轴或双轴跟踪的光伏系统,由于实现了跟踪,减少了光电池的余弦效应,因此,系统的发电效率明显高于非跟踪的平板光伏系统。跟踪技术的平板光伏的发电效率一般在12%—18%[2]如前所述,由于太阳能量密度很低,想获得理想的发电功率,通常要增大光伏系统的面积,即需要较大面积的平板光伏电池。然而,由于聚光光伏的聚光特性,要求必须采用跟踪技术。[3]如果是线聚光技术,则可以使用单轴跟踪,如果是点聚光技术,则必须使用双轴跟踪。一般的聚光光伏系统为点聚光系统,因此,必须使用双轴跟踪,从而减小保证聚光光伏电池的余弦效应,保证发电效率。使用双轴跟踪的聚光光伏的转化效率一般大于15%,高的可达25~35%。由于使用比较便宜的跟踪装置,从而减少了光伏电池的使用量,同时系统的发电效率大大提高,因此,聚光光伏系统的单位功率的投资成本较低。这就是聚光光伏迅速发展的原因之一。在太阳能光伏系统中,目前主要有太阳运动轨迹和光电跟踪跟踪两种跟踪方式太阳运动轨迹跟踪工作原理是通过数学公式,得出每一天太阳东升西落的运动轨迹,从而控制跟踪装置自动跟踪太阳。光电跟踪是通过光敏元件来检测太阳光线位置变化,从而控制跟踪装置自动跟踪太阳。据测定,在同等工作条件下,运用太阳运动轨迹跟踪跟踪和光电跟踪的太阳能光伏发电系统比传统的固定式光伏发电系统,发电量可以提高30%左右[4],本课题在现有的研究基础上,为了使得跟踪系统的精度增加和消除天气的不确定性给系统带来的影响,设计了混合式太阳自动跟踪监控系统。该系统不仅可以通过太阳运动轨迹的变化自动跟踪太阳,而且可以通过光电跟踪自动跟踪太阳。该系统解决了现有太阳能利用领域中,不能全方位全天候自动跟踪太阳、发电效率低的问题,为大规模发展聚光光伏发电技术提供了切实可行的解决方法[5]

1.2 太阳能发电的分类

1.2.1太阳能光伏发电

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。而光热利用按温度可分为中低温和高温利用。中低温主要包括太阳能热水器、太阳能建筑供暖制冷、太阳能海水淡化、太阳能干燥等;高温热利用主要包括太阳能热发电及太阳能热化学等。

1.2.2太阳能光热发电

目前,太阳能热发电技术主要包括4类,槽式、线性菲涅尔式、碟式及塔式。其中,槽式和塔式太阳能热发电站目前均已实现了商业化运行,而碟式及线性菲涅尔式则分别处于样机示范及系统示范阶段。光伏发电最大的优势是应用场合没有明显限制,有阳光资源的地方都可安装光伏系统。在辐照不好或者夜间,光伏系统通过对蓄电池进行充放电实现连续运行。不过,规模化光伏电站若采用蓄电池储能,其成本仍然较高,且蓄电池的使用寿命有待考验。而太阳能光热利用中除了可以通过材料吸收太阳辐射光谱中不同波长的光能并将其转化为热能供直接使用外,还可以利用聚光器将低密度的太阳能汇聚,生成高密度的能量,加热工作介质,产生蒸汽推动汽轮机发电。聚光器的聚焦方式有点聚焦、线聚焦等,对应产生了碟式、塔式、槽式及菲涅尔式等几种主要的太阳能热发电形式,与常规火电站相比,太阳能热发电系统的“热—功—电”转换环节所采用的热力循环模式及设备基本是相同的。在辐照连续的条件下,太阳能热发电站可以直接产生与火电站完全相同的满足电网品质要求的交流电,保证电网的电压和频率稳定。但太阳辐射能本身具有随季节、白天时段不同而不连续变化的特点,受天气条件影响较大。储热材料技术的发展,已为实现规模化稳定运行的太阳能热发电站提供了可能。“在合适的选址区域,带有一定容量储热系统的太阳能热发电站,将不仅可产生满足用户需求的电能,还能根据电网中用电负荷的变化,起到调峰作用”。另外从实际电站运行的角度来看,太阳能热发电比太阳能光伏发电有对现有火电站及电网系统更好的兼容性。但是,相比光伏发电,对能够体现太阳能热发电经济性所需要的太阳能辐射资源及规模化容量的要求也更高[6]

1.3光伏光热发电跟踪装置监测系统的国内外的发展现状

1.3.1国内研究现状

2009年杭州电子科技大学徐静以森林防火为应用目的对独立光伏发电系统及其跟踪做了深入探讨。与以往类似系统的不同之处在于将一天中可能出现的天气细分为晴天、多云和阴雨三种不同的状况,并确定了应对上述三种不同天气状况的相应跟踪模式。[17]2010年南京航空航天大学丁伟研究了基于不同坐标系下太阳相对位置的物理模型,设计并比较了多种采用不同光敏元件的光强传感器,设计了一种带有风力保护的太阳能发电自动跟踪控制系统[18]。2010年余涛等人设计的太阳追踪系统能做接近半球面立体转动,他的观点是要实现准确的跟踪依赖于执行机构的准确定位,所以他主要对步进电机的转速、转向和精确定位进行了研究并仿真。此外,他还分析了步进电机的平稳运行方案。他选用的是FPGA芯片,能实现对多台电机的控制,大大节约了资源。[19]2011年崔琪琳等人用LM3S811芯片设计的跟踪系统成功的实现了对点光源的跟踪。光电检测部分将5个光敏三极管以120度圆弧形切面布置于跟踪平台上,以寻找到光源,此模拟实验的成功无疑是对太阳跟踪系统起到了重要的借鉴作用[20]。2011年武汉理工大学方建钢研制了基于S3C2410X微处理器的嵌入式平台太阳能跟踪控制系统。在光电转换环节中加入最大功率跟踪技术,使太阳能电池板保持最大功率点输出,应用光信号差值来判断天气情况,选择控制模式,实现太阳光跟踪[21]。2012年武汉理工大学王海军将模糊识别理论用于对天气阴晴情况的判断,并釆用光筒式结构设计了检测太阳方位的传感器,设计了基于阴晴判断的混合双轴太阳跟踪控制系统,针对判断出的不同天气状况,选取不同的跟踪方案进行跟踪[22]。2012年南京理工大学彭春明设计了基于嵌入式的光伏发电自动跟踪控制系统,可以满足各种基于太阳运动轨迹跟踪的自动控制系统,更重要的是总结了各种跟踪系统运动模式的相同点,致力于实现对多种类型跟踪器的集中控制2012年河南师范大学路博对高精度的太阳跟踪方法进行了研究,并用选取的高精度的天文公式计算结果对太阳位置进行初定位,通过对多种光电元件各自特性的分析,设计了由桂光电池构成的太阳方位检测传感器用来弥补初定位的误差,克服了两种跟踪方法各自的缺点,实现了精确跟踪。此外,我国敦煌10MW大型光伏发电站釆用平单轴跟踪系统,2010年并网发电,年均发电1637万千瓦时,充分展示了应用跟踪式发电对提高发电量的效果[3]

表1-1 国内研究现状

年份

作者

研究单位

研究内容

2009

徐静

杭州电子科技大学

独立光伏发电系统及其跟踪

2010

余涛

太阳追踪系统能做接近半球面立体转动

2010

丁伟

南京航空航天大学

基于不同坐标系下太阳相对位置的物理模型

2011

崔琪琳

用LM3S811芯片设计的跟踪系统成功的实现了对点光源的跟踪

2011

方建钢

武汉理工大学

基于S3C2410X微处理器的嵌入式平台太阳能跟踪控制系统

2012

彭春明

南京理工大学

基于嵌入式的光伏发电自动跟踪控制系统

2012

王海军

武汉理工大学

基于阴晴判断的混合双轴太阳跟踪控制系统

2012

路博

河南师范大学

由桂光电池构成的太阳方位检测传感器用来弥补初定位的误差

1.3.2国外研究现状

1997年美国的Blackace开发的单轴跟踪器,实现了在东西方向上对太阳的自动跟踪,但南北方向上还是需要手动调整1998年美国加州研制了更先进的ATM两轴跟踪器,并将具有聚集光线功能的透镜安装在电池板上收集阳光。[23]Joel.H.Goodman研发了活动太阳能方位跟踪装置2002年美国亚利桑那大学展示的新型太阳能跟踪装置表明跟踪器可以应用到更广泛的领域中。[24][25]1994年德国北部,釆取了单轴太阳能跟踪装置的太阳能厨房开始应用;2006年9月在德国南部巴伐利亚开始使用的太阳能发电厂,其发电总容量高达12兆瓦,由于应用了跟踪控制装置,使发电能力比普通太阳能发电厂多出35%。目前的跟踪系统普遍存在的问题是跟踪精度较低,运行不够稳定,尤其是不同跟踪方法间进行切换和运行在不同天气情况下时,此外,还存在系统频繁跟踪太阳,能耗大的问题,因此,在跟踪控制系统的设计上,应研究更加灵活、稳定、节能的控制算法,使系统更加优化[3]

表1-2 国外研究现状

年份

作者或地区

研究内容

1994

德国北部

釆取了单轴太阳能跟踪装置

1997

Blackace

单轴跟踪器

1998

美国加州

ATM两轴跟踪器

2002

美国亚利桑那大学

新型太阳能跟踪装置表明跟踪器

2006

德国南部巴伐利亚

跟踪控制装置

1.4主要研究内容与技术路线

1.4.1主要研究内容

论文主要研究一种新型的基于虚拟仪器和单片机的太阳自动跟踪监控系统设计与实现,通过LabVIEW与下位机(C8051f040单片机)通讯,晴天时通过光电传感器感应太阳入射光线的变化驱动跟踪装置跟踪太阳,多云天气时上位机通过太阳运动轨迹计算出太阳的高度角和方位角后发送指令给下位机,驱动步进电机控制太阳能电池板的高度角和方位角,同时在LabVIEW所做的界面上显示跟踪系统的数据信息,监控太阳能电池板的位置信息。通过LabVIEW的图形化编程语言,对跟踪系统进行程序设计, 发系统的控制平台。并且分析需要监测与控制的各项参数、根据光伏光热太阳能跟踪系统的测控要求,对相关参数(风速、风温、温度,太阳照度、减速机的磨损、太阳能板的角度等)进行监测,设计相关测试系统硬件、太阳能板的角度控制。

1.4.2技术路线

图1.1 技术路线

1.5本章小结

在对国内外的光伏光热的发电跟踪器的发展现状研究之后,整理并得出了本片文章的整体的研究内容和技术路线。此外该系统解决了现有太阳能利用领域中,不能全方位全天候自动跟踪太阳、发电效率低的问题,为大规模发展聚光光伏发电技术提供了切实可行的解决方法。

第二章 总体方案设计

2.1跟踪器的工作原理及结构组成

2.1.1跟踪器的工作原理

目前,实现太阳跟踪的方法根据跟踪原理的不同分为太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪两种。太阳运动轨迹跟踪,是一种被动式的环跟踪方式其控制方案是根据天文公式计算出太阳在天空中的位置,转换为光伏阵列应转动的角度,然后由电动机带动光伏阵列转动,使得光伏阵列根据太阳的位置而做相应的变动,完成太阳跟踪。这种方法不受天气因素影响,性能稳定,但由于是开环控制,无反馈验证,不能消除跟踪过程中的累计误差。光电式跟踪,是一种主动式的闭环跟踪方式。它利用光敏元件来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差,首先选取一个设定值,当偏差超过这个设定值时,控制器驱动执行机构改变光伏阵列的倾角,使光伏阵列主光轴重新平行于太阳光线,实现太阳光到光伏阵列的垂直入射。这种方法跟踪精度高,结构简单,易于实现,但易受天气因素影响,长时间乌云遮住太阳的情况下,追踪装置无法对准太阳,严重时还可能会引起机构的误动作。此外,也有人将两种跟踪方法相结合称为混合跟踪方法,扬长避短,以达到发挥各自的优点避免各自缺点的目的[7]

2.1.2跟踪系统的结构组成

跟踪系统的划分有多种依据,首先以跟踪原理不同,分为基于能量控制和基于太阳运动轨迹的系统。基于太阳运动轨迹的系统又以跟踪系统所用到的旋转轴数不同,分为单轴和双轴跟踪系统。双轴跟踪系统以设计所基于的坐标系不同,主要分为地平坐标和赤道坐标跟踪系统。要想设计出理想的跟踪系统,就要在充分了解各种系统的基础上,借鉴各个系统的优点并尽可能多的将各自的优势充分地组合到一个系统中来满足新系统的要求。下面简单介绍一下各个系统的特点。基于太阳运动轨迹的系统,还因不同的划分,使各个系统具有各自的独特特点。对于单轴跟踪系统而言,以南北水平轴单轴跟踪系统为例,就是旋转水平轴是南

北方向安装的,用以跟踪太阳,与此类似的还有东西水平轴单轴跟踪系统,它们一般都只在太阳方位角上进行了跟踪,而没有对太阳高度角进行跟踪,发电效率虽然比固定式光伏系统有所提高,但还是没有充分地利用太阳辅射能,跟踪精度有待提高,为了完成精确的跟踪,就必须使用双轴跟踪系统,对太阳进行全方位跟踪。

太阳能光伏发电逐日自动控制系统的设计的跟踪。这里我们重点介绍一下地平坐标双轴跟踪系统。它采用的是地平坐标系,以地平圈为基本圈,天顶为基本点,南点为原点,跟踪参数为太阳方位角和高度角,系统旋转轴分别是平行于地平线的水平轴和铅直向下的垂直轴,系统绕水平轴旋转改变其俯仰角,来跟踪太阳的高度角;绕垂直轴旋转改变其方位角,来跟踪太阳的方位角。这种系统的特点是设计简单、稳定性好。除此之外,还有赤道坐标双轴跟踪系统,它采用较多的是第一赤道坐标系即时角坐标系,以天赤道为基本圈,北天极为基本点,天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点,跟踪参数为太阳时角和赤讳角。赤道坐标双轴跟踪系统最常见的是极轴式全跟踪,跟踪机构绕极轴来跟踪太阳时角,定期带动赤讳轴做俯仰运动以跟踪太阳赤讳角。这种方式实现简单,但是支撑装置设计较为困难,所以目前工程项目中并不常用[3]

2.2减速器的失效形式

回转减速器的常见故障有齿轮损伤、回转减速损坏、断轴等。在机械传动设备中,由于齿轮的工作条件不同,齿轮的损坏形式也不尽相同,存在冲击载荷的工况下,容易发生轮齿折断,转速高的工况下,齿面易于磨损;存在有害介质等情况下,齿面易发生腐蚀等。另外影响齿轮损伤的因素还主要包括材料选择、尺寸设计计算、加工、热处理等。

一、减速器齿面疲劳

齿面疲劳的主要表现形式有齿面点蚀(早期点蚀和破坏性点蚀)和齿面剥落等;其中,导致齿面严重损伤,甚至会造成轮齿断裂的齿面疲劳表现形式是破坏性点蚀。齿面疲劳的形成机理:轮齿在循环应力(包括接触剪应力在内)的作用下,其表面或内部会产生疲劳裂纹,随着应力的循环作用,疲劳裂纹进一步扩展,所引起的齿面损伤。如图2-2, 2-3和2-4所示,分别为齿面疲劳、齿面点蚀和齿面严重磨损。

正确进行齿轮强度计算,合理选择材料,保证热处理质量,合理选择配合精度,提高安装精度,改善润滑条件等,是解决齿面疲劳的根本措施。

图2-2齿面疲劳

图2-3齿面点蚀

图2-4齿面折断

图2-5齿面严重磨损

二、减速器轮齿断裂(断齿)

断齿一般是由细微裂纹逐步扩展而成。根据其形成的机理过程,可将断齿分为疲劳折断、过载断齿(包括冲击断齿)以及随机折断等。

当轮齿上受到的作用力超过其材料的极限应力的时候,齿轮上的疲劳裂纹就会迅速扩展,回转减速损坏、较大硬质物体挤入啮合部位、轴变弯曲、突然冲击超载等情况都可能造成过载折断,有时断口处有平整的塑性变形,断口处可拼合;从断面处,可以通过仔细观察发现其材料的缺陷,齿面精度低,轮齿根部未作精细处理等。如图1-4所示即为轮齿折断现象。

在设计过程中,应当考虑减速器在运行过程中可能会出现过载等现象,采取相应的预防措施;安装过程中也应该注意防止硬异物进入箱体内以及箱体的变形。

疲劳折断发生的根本原因是轮齿在过高的交变应力重复作用下,从危险截面(如齿根)的疲劳源其实的疲劳裂纹不断扩展,造成轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力,导致瞬时折断;在疲劳折断的发源处,是贝壳状纹路扩展到出发点,并向外辐射;产生的原因是设计时对载荷的估计较低,材料选取不当,齿轮精度过低,热处理裂纹,磨削烧伤,齿根部位应力集中等等;因此在设计阶段,要充分考虑传动的动载荷,优选齿轮参数,正确选用材料和齿轮精度,充分保证加工精度,消除应力集中等因素。

材料的缺陷、齿面点蚀或剥落、齿根等部位的应力集中或者较大的硬质异物进入到捏合区都有可能造成随机断裂。

三、减速器齿轮胶合

胶合是相互啮合的齿面在捏何处的边界膜受到破坏,导致接触齿面金属熔焊而撕落齿面上的金属的现象,如图1-6所示。胶合故障很可能是由于润滑条件不好或有干涉而引起的,胶合产生的沟痕会对齿轮的继续运转造成更大的损伤;适当改善润滑条件和及时排除干涉起因,调整传动件参数等措施,均可用于减轻或消除胶合现象[4]

图2-6齿轮胶合

四、齿面磨损

齿轮传动中润滑不良、润滑油被污染或齿轮本身低质量的热处理等问题都是造成磨损或划痕的原因,齿面磨损的情况可分为粘着磨损、磨粒磨损、划痕(一种很严重的磨粒磨损)和腐蚀磨损等。

1)粘着磨损

粘着磨损在很大程度上要受到润滑效果的影响,在低速、重载、高温、齿面粗糙、润滑油供油不足或是润滑油粘度过低等情况下,齿轮表面的润滑油油膜极易遭到破坏,导致粘着磨损的发生;如果齿轮表面有完整且有一定的厚度均匀的润滑油,就可以避免轮齿表面金属之间的直接接触,也就会降低磨损发生的几率;随着润滑油的粘度的升高,粘着磨损发生的概率就会相应地降低。

2)磨粒磨损与划痕

由于齿轮啮合过程中,节圆处及其附近是滚动接触,在齿顶和齿根的位置是滑动接触,当润滑油被污染或含有杂质颗粒进入以及在开式齿轮传动中的外来砂砾或在磨损过程中产生的金属磨屑,都可以产生磨粒磨损与划痕;所以齿轮齿顶、齿根部摩擦与节圆部位相比更为严重。

3)腐蚀磨损

齿面损伤的产生与润滑油中的酸碱或水等化学成分与齿轮的齿面发生化学反应有着直接的关系。

(2)回转减速损坏

回转减速是减速器中最重要的零件。其工作失效将直接导致减速器的运转,严重时甚至会导致生产上其她更危险的事故。由于交变载荷反复地作用在回转减速的套圈与滚动环的表面,以及安装、润滑、维护等方面的原因,都会造成点蚀、裂纹、表面剥落等缺陷,导致回转减速的工作失效最终使齿轮副的损坏。据统计,造成回转减速失效的各因素所占比例如下表所示,而且在实际生产生活中,70%的回转减速不能达到预定的设计使用寿命。

2.3测试系统总体方案设计

2.3.1测试系统参数分析

对于减速器测试系统的设计,主要测量量有位移、温度、转矩、转速和风速风向,以及主要的参数详情见表2-1。

表2-1 待测参数

测量量

数量

位移

6

温度

3

转矩

3

转速

3

风速风向

6

2.3.2测试系统总体方案论证

现代测试技术的一个明显特点是采样非电量的电测法。即首先将输入物理量转换成电量,然后再进行必要的调节、转换、运算,最后以适当的形式输出。这一转换过程决定了测量系统的组成。只有对测试系统由一个完整的了解,才能按照实际需要设计或搭配出一个有效的测试系统,以解决实际测试问题。另一个特点是采样计算机作为测量系统的核心器件,它具有数据处理、信号分析及显示的功能。

按照信号传递方式来分,常用的测试系统可分为模拟式系统和数字式测试系统。现代测试系统中还包括智能式测试系统。

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