挑战杯产品设计说明书——————多向储风聚能隧道照明系统一序言自古人类对风的追求和研究，就从来没有停止过步伐。

从古代用风车来研磨，到现在利用风能来发电，一步步的诠释着风的力量。

而如今，随着绿色能源的倡导，全世界的焦点都在研究怎么开发出一种新的能源。

而对风能的研究，更是首当其冲。

但风能应用的领域还不是十分的广泛，不具有一定的普遍性。

因此对风能的研究还具有很大的发展空间，鉴于这点，我们提出了多向储风聚能隧道照明系统。

二作品的创意现今一般的风力发电，都设置在特定的场合，而且针对性单一，受到自然条件和设备的限制，更重要的是不能最大限度的利用风能。

对于再次利用能源没有可行性的措施，针对以上的缺点，我们加以改进，设计了具有以下特点的风力发电装置。

任何机动装置在行进的过程中，都会产生一定的气流，而这些机动车辆必须消耗一定的能源。

我们可以利用我们的风力发电装置可以再次收集，使之发挥到最大。

我们可以安装在任何可能出现或有这种形式的气流的地方，我们要强调的是，也可以收集自然风。

这样就可以机车提供相应的次贷服务，比如说火车进隧道的时候，我们就可以不用再特定的为其安装照明系统，可以利用列车本身前进产生的气流来发电，节约了能源。

以此，可以利用在很多类似的场合。

而且我们利用的是多方向，更大限度的利用了风能。

三作品概述（一）作品设计、发明的目的：随着科技的发展，新能源的提出，人类正一步步的向低碳的生活靠近。

在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占%，石油占%，天然气占2%，其余为水电等其它资源，利用风能相对极限。

总而言之，我们的设计的主要的目的是合理利用绿色能源，倡导低碳的生活。

（二）基本思路：利用任何不稳定的风场或气流来发电（三）创新点：⑴利用任何不稳定的风场或气流来发电，也适用于自然风；⑵利用声控进行开关控制；⑶多变、瞬态、多方向利用风能。

（四）技术关键：⑴在紊乱多变的气流中，应用集中的收集系统发电。

⑵采用多方向控制，更大程度的提高了收集率。

⑶安装在相对复杂恶劣的环境中。

（五）主要技术指标：⑴叶片直径，760mm。

⑵叶片数目，三片。

⑶叶片材料，高强度低密度的复合材料。

⑷叶片利用系数为1.⑸启动风速，3-5m/s。

⑹停机风速,15-35m/s。

⑺输出功率，4-7W。

⑻直流发电机。

⑼塔架高度，可协调高度。

四技术关键的说明（一）汽车外流场数值仿真的研究1 基本方程和紊流模型所需常数如下所列该模型考虑了紊流切应力的输运，不但能够对来流进行准确的预测，还能在各种压力梯度下精确的模拟分离现象，并且综合了k-ω模型在近壁模拟和k-ε模型在外部区域计算的各自优点。

2 计算域的网格生成采用Delaunay 三角形方法在整个计算流域生成非结构化空间网格，同时在汽车外表面及地面生成与来流方向垂直的半结构化网格，用以提高附面层的计算精度。

图1为汽车外流场的空间网格图。

主控方程用有限体积法来离散，对流项采用基于Roe的FDS上风差分方法，扩散项采用中心差分格式，非常数源项采用线性化处理。

3 计算实例及与试验结果图2 汽车后窗部位截面速度矢量分部图3 汽车尾部截面速度矢量分部4 结论(1)SST 紊流模型在汽车外流场的数值仿真中相对于其他紊流模型能进行更为准确的模拟，尤其是在气流分离方面，从而指导车身的气动造型设计。

(2)所使用的网格生成系统采用Delaunay方法生成，可以根据全局变量的变化梯度自适应地在计算域内生成网格，从而提高网格的经济性和实用性；并且能够在汽车附面层生成棱柱形网格，从而保持网格与来流的正交性，提高附面层的计算精度。

(3)计算结果中，汽车尾涡、流线的模拟结果与现实的物理现象及试验结果非常相近。

（二）声控开关设置发电机经过电刷后电流波形已不再是理想的正弦波,但它仍然具有周期性,故需要进行滤波。

滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率电信的电子装置，由于发电机输出的是脉动电流，在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电利用二极管的单向导电性,将电压变成一个单方向的脉动电压,通过滤波电路,滤掉其中的脉动成分从而得到比较平稳的直流电压所以用大小两个电容进行滤波，大电容用来稳定输出，因为电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑。

小电容是用来滤除高频干扰的，是使输出电压纯净，电容越小谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高。

恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。

即要求恒流源电路输出恒定电流，因此作为输出级的器件应该是具有饱和输出电流的伏安特性。

图4 1，恒流电路的设计如图3所示，由稳压管VZ1、晶体管VT1、电阻R1、电容C2构成的晶体管电流源提供恒定电流，取稳压管电压为 5 V，R1为30Ω，此时IC≈1OO mA，作为电路的充电电流。

图5 恒流源电路2 声控电路图6 声控电路图压电陶瓷片B与晶体三极管VT1，电阻R1，和电阻R2等组成了声控脉冲触发电路，时基集成电路IC与电阻R3，电容器C等组成了典型单稳态延时电路，晶体三极管VT2，VT3和电阻R4，R5等组成了LED灯H的功率驱动放大电路。

由于晶体三极管VT1的偏流电阻R1取值较大，所以VT1趋于截止状态，其集电极输出电压高于1/3VDD=,与之相连的时基集成电路IC的低电位触发端2脚处于高电平，单稳态电路处于稳态。

电容器Ｃ两端通过IC的7，1脚被IC内部导通的三极管短路，IC的3脚输出低电平，VT2，VT3均无偏流而截止，LED 灯H不发光。

当在有效距离范围内拍一下手掌时，突发的声波被压电陶瓷片B接收，并转换成微弱的电信号，该信号的正半周经VT1放大后，从其集电极输出负脉冲，时基集成电路IC的2脚获得瞬间低于1/3VDD= 的低电平触发信号,使IC组成的单稳态电路受触发进入暂稳态(即延时状态),IC的3脚输出高电平,VT2获得适合的偏流而导通,VT3进入完全饱和导通状态,LED灯发出亮光，随着IC的3脚变成高电平，IC内部导通的三极管截止，解除对电容器C的短路，电池GB通过电阻R3向电容器C开始充电，当C两端的充电电压（即IC的高电位触发端6脚电位）达到2/3VDD=3V时，单稳态电路翻转恢复稳态，IC内部三极管重新导通，C通过IC的7，1脚放电并被再次短路，IC的3脚重新输出低电平，导通到VT2，VT3失去偏流而截止，H断电自动熄灭。

电路中，LED灯每次延时点亮的时间器C的时间：T=。

按图选择R3和C的值，H延时点亮的时间约为 1min。

3 元器件选择IC选用静态功耗很小NE555时基集成电路，VT1，VT2 均选用9014（集电极允许最大电流ICM=，集电极最大允许功耗PCM=310mW）或3DG8型硅NPN小功率三极管，要求VT1的电流放大系数β>200，VT2的电流放大系数β>100，VT3选用9012（ICM=,PCM=625mW)或3CG23型硅PNP中功率晶体三极管,电流放大系数β>50。

R1-R5均选用RTX-1/8W型碳膜电阻器。

C用漏电很小的优质CD11-10V 型电解电容器。

B用φ27mm压电陶瓷片。

R2阻值选择10K。

由于采用了谐振频率较高（约 4K左右）的压电陶瓷片B作为声波传感器，所以对猝发的击掌声，硬物相碰撞声反应灵敏，而对于人们的讲话声以及环境其他低频率的嘈杂声，却反应不灵敏。

这就是说，电路具有比较好的防误触发性能。

当然，将电路声控灵敏度调得比较高时，防误触发能力就会相应降低。

由于整个电路平时静态耗电很小，实测静态总电流小于130μA，故电路末设置电源开关。

4 电源短路保护接通直流电源Vcc发光二极管发绿光。

指示直流电源正常。

电源短路保护功能：按下轻触开关K1三极管BGI基极经限流电阻R2得到高电平，BG1饱和导通，继电器J吸和，其常开触点J闭合，ＯＵＴ端正常输出直流电源，发光二极管发红光。

在继电器Ｊ吸和的同时，三极管ＢＧ２基极也被拉下成低电平，ＢＧ２导通，整个电路正常工作。

当OUT端发生短路时。

Vcc电压被拉下成近似为零伏，三极管BG1 退出饱和导通状态，继电器J释放。

从而达到电路保护作用。

图7 电源短路保护五结构分析（一）风叶设计叶片核心设计包括：计算风轮直径D，确定叶片数B，选取各叶素翼型，计算各叶素的孩长C和安装角B。

叶片分析设计的基本流程如图8 所示。

图 8 叶片设计基本步骤3．3叶片重要参数的选取1．尖速比λ风轮的尖速比λ等于风轮的叶尖线速度和设计风速之比。

尖速比与风轮效率密切相关，在风力机没有超速的条件下，运转于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮效率。

通常，高速风力机尖速比一般在6-8级，风力机具有较高的风能利用系数．2．叶片数B风轮的叶片数取决于叶片的尖速比以，目前用于风力发电的风力机一般属于高速风力机，即λ》5。

虽然三叶片的风力机存在制造成本高等缺点，但三叶片的风力机运行和输出功率较为平稳。

因而，目前风力发电机采用三叶片的较多。

3．翼型翼型的选取对风力机的效率十分重要。

一种较好的翼型应该是在某一攻角范围内升力系数CL较高，而相应的阻力系数CD较小，它所适应的雷诺数与风力机实际运行情况的雷诺数相近，且具有良好的制造工艺性。

由于叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大，所以叶片根部对风力机性能影响较小，主要考虑NT方便和强度问题。

在尖部采用薄翼型以满足高升阻比的要求根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚形式，以满足结构强度需要。

综合上述条件，根据大概的风速，选择，风轮直径D 为35mm,尖速比为，叶片数目为3。

（二）轴承设计考虑轴受力较小且主要是径向力，故选用的是单列深沟球轴承。

轴Ⅰ30207两个，轴Ⅱ30207两个，(GB/T297-1994) 寿命计算：轴Ⅰ1.查机械设计课程设计表8-159，得深沟球轴承302072.查《机械设计》得X=1, Y=03.计算轴承反力及当量动载荷：在水平面内轴承所受得载荷 125442te r H r H F F F N ===在水平面内轴承所受得载荷 121982re r V r V F F F N === 所以轴承所受得总载荷由于基本只受轴向载荷，所以当量动载荷：4.已知预期得寿命 10年，两班制基本额定动载荷所以轴承30207安全，合格4.已知预期得寿命 10年，两班制基本额定动载荷所以轴承30208安全，合格。

中间轴上轴承得校核，具体方法同上，步骤略，校核结果轴承30207安全，合格。

（三）齿轮设计1.试算小齿轮分度圆直径t d 1，代入][H σ中较小的值。

2.计算圆周速度v 。

计算齿宽b计算齿宽与齿高之比b/h 模数1139.563 1.88421t t mm mm d m z === 齿高 2.25 2.25 1.884 4.24t h mm mmm ==⨯= 3.计算载荷系数K查表10-2得使用系数A K =;根据s m v 988.1=、由图10-8得动载系数10.1=V K 直齿轮1F K K ααH ==；由表10-2查的使用系数1A K = 查表10-4用插值法得7级精度查《机械设计》，小齿轮相对支承非对称布置1.417K βH =由b/h= 1.417K βH =由图10-13得 1.34F K β=故载荷系数 11.1011.417 1.559A V K K K K K αβH H ==⨯⨯⨯= 4.校正分度圆直径1d 由《机械设计》mm mm K k d d t t 325.433.1/559.1563.39/3311=⨯==5.计算齿轮传动的几何尺寸1.计算模数m2.按齿根弯曲强度设计，公式为1>.确定公式内的各参数值1.由《机械设计》图10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限MPa F 5801lim =σ；大齿轮的弯曲强度极限MPa F 3802lim =σ；2.由《机械设计》图10-18取弯曲疲劳寿命系数88.01=FN K ，92.02=FN K 3.计算弯曲疲劳许用应力；取弯曲疲劳安全系数 S=，应力修正系数0.2=ST Y ,得 4.计算载荷系数K5.查取齿形系数1Fa Y 、2Fa Y 和应力修正系数1Sa Y 、2Sa Y 由《机械设计》表查得76.21=Fa Y ；18.22=Fa Y ；56.11=Sa Y ；79.12=Sa Y6.计算大、小齿轮的][F Sa Fa Y Y σ并加以比较；可以看出大齿轮大。