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装载 机变 综合 实验 设计 PDF 图纸 CAD 制图 文档

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毕 业 设 计（论 文）装载机变速箱综合实验台设计姓 名 裴彦华 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2009级 指导教师 张进生 王志 2013 年 6 月 6 日目 录摘要IIIAbstractIV第一章 绪论51.1课题背景及意义51.1.1 我国工程机械行业现状51.1.2 装载机变速箱概述61.1.3装载机变速箱分类71.2 装载机变速箱试验台分类81.2.1 开放式变速箱试验台81.2.2 封闭式试验台91.3国内外变速箱试验台研究的现状111.3.1国外变速箱试验台现状111.3.2国内变速箱试验台现状111.4本章小结12第二章 试验台的结构和工作原理132.1 变速箱综合性能试验方法132.2 试验台方案的确定142.2.1 驱动方案设计142.2.2 加载方案设计142.3 试验台的工作原理和组成172.3.1 试验台台体的机械结构形式182.4 电机的选取192.4.1 选择电机的容量192.4.2 电机转速的选取192.5 本章小结20第三章 加载部分主要部件的设计计算213.1 升速箱的设计计算213.1.1 升速箱传动方案的确定213.1.2 升速箱主要零件的校核223.2 联轴器的选择与校核253.3 键的选择计算273.4 升速箱机械结构设计273.5 本章小结28第四章 驱动调整机构和加载调整机构的设计计算294.1 驱动调整机构的设计294.1.1 驱动调整机构方案的确定294.1.2 驱动调整机构滚珠丝杠的选择294.1.2 带传动的设计314.1.3 驱动调整机构结构设计334.2 加载调整机构的设计344.2.1 加载调整机构方案确定344.2.2 加载调整机构机械结构设计354.3 本章小结35总结36参考文献37致谢38附录39原文39译文5269山东大学毕业设计论文摘要变速箱作为装载机的一部分，控制着装载机行驶时在各种路况时的车速，可以说变速箱的性能直接作为这辆装载机好坏的评价。而研究变速箱的与发动机的联合工作特性，就需要对变速箱的性能进行台架实验，因此变速箱的性能检测实验是非常有必要的。本文先介绍了变速箱试验台的分类，及其优缺点，在此基础上完成了装载机变速箱综合实验台的原理性设计，确定了变速箱综合试验台的整体方案，介绍了各部分的结构和原理，并给出了关键零部件的计算及校核，如升速箱的设计计算、带传动的设计计算等。试验台主要由驱动装置、加载装置、升速箱、台架、加紧装置、驱动调整机构、加载调整机构及一些附属设备组成。加紧装置可以利用定位板实现变速箱的定位及夹紧。由于驱动调整机构调节驱动电机的上下位移，加载调整机构可以调节加载电机的左右位移，故可以在同一个试验台上多种型号的变速箱进行性能实验的测试。关键词 装载机；变速箱；综合试验台；性能检测AbstractAs a part of the loader, gearbox controls the speed of gearbox when driving in a variety of road conditions, it can be said that the performance of transmission is directly evaluated the loader. When studied the gearboxs characteristics joint work with the engine, requires the bench test for the performance of the gearbox, so the transmission performance testing laboratory is very necessary. This article introduces the classification of gearbox test rig and their advantages and disadvantages, first. On this basis, completed schematic design about a comprehensive experimental station of loader gearbox, identified the overall program of the gearbox comprehensive test rig, introduced the structure and principle of various parts of the test rig, and gives the calculation and verification of the key components, such as the design calculation or speed box, belt transmission design calculation. Test rig consists of drive device loading device, or speed box, bench, step up, drive adjusting mechanism, load adjusting mechanism and certain subsidiaries equipment. Clamping device can use the positioning plate to achieve positioning and clamping of transmission. As adjusting mechanism of drive can adjusts the vertical displacement of the drive motor and the loading adjusting mechanism can adjusts the level displacement of the loading motor, Therefore one test rig can complete the test of variety of models of experimental performance of gearbox.Keywords： loader;gearbox;comprehensive test rig;comprehensive test rig山东大学毕业设计论文第一章 绪论1.1课题背景及意义1.1.1 我国工程机械行业现状装载机作为工程机械的一种重要的设备，它在电力、建筑、水利、交通和国防等部门工程施工中应用非常广泛。它的主要作用是铲装石灰、土壤、煤炭、砂石等散状物料，当然也可以对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。还可以通过换装不同的辅助工作装置对起重、推土以及其他物料的装卸进行作业。在道路施工特别是在高等级公路施工中，很多作业都会用到装载机，如路基工程的填挖、水泥混凝土料场和沥青混合料的集料与装料等。此外在进行刮平地面、推运土壤和牵引其他机械等方面装载机也起到了很大的作用。由于装载机具有作业效率高、速度快、操作轻便、机动性好等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。装载机是循环作业，工作时有外载荷变化比较大、频繁的变换方向等问题，为了提高适应外载荷变化的能力，装载机一般采用机械传动系统。而变速箱作为装载机的一部分，控制着装载机在各种路况上行驶时的车速，可以说变速箱的性能可以直接作为这辆装载机好坏的评价。变速箱是装载机机械转动系统中的核心部件，变速箱是由行星轮、液力变扭距和液压操纵系统等组成，通过液力传递和齿轮组合的方式达到变速力矩。装载机变速箱主要有两个功能：改变传动比和在发动机转动方向不变的情况下，使装载机能够倒退行驶。随着我国经济的发展越来越好，市场对装载机的性能要求也越来越高。变速箱技术是装载机的核心技术，变速箱性能的高低会直接影响装载机的经济性、动力性等性能。因此，变速箱的高性能可以直接体现装载机的水平。变速箱的性能对装载机整车的性能有重要影响，发动机和变速箱的结合可视为一种新的动力装置，具了有新的性能特性，这种新的性能特性会直接影响到装载机的工作效率及牵引性能。从另一方面来说，发动机与变速箱的共同工作情况在很大程度上决定了装载机的牵引性能和经济性。整车牵引特性计算的基础包括发动机与变速箱的合理匹配，另外，发动机与变速箱的合理配合也是传动车辆优化设计以及动力传动系匹配的前提。装载机主要组成部分之一就是动力传动系统，改善装载机的动力性和燃油经济性的一个重要途径是对动力传动系统进行优化匹配。整车动力性与燃油经济性的好坏在很大程度上是由装载机动力传动系统优化匹配决定的。如果没有一个与它合理匹配的传动系统，即使发动机具有良好的性能，也不能充分发挥其性能。当传动系统与发动机匹配合理时，能使发动机在其理想工作区附近工作，这样的优点是不仅可以减轻发动机磨损，减少燃料消耗，还能减少尾气排放、提高装载机的使用寿命。在发动机和整车参数确定以后，就应当传动系统也选择正确的参数，只有这样达到装载机动力性和燃油经济性的合理匹配。综上所述，对装载机变速箱进行实验，具有很重要的现实意义。1.1.2 装载机变速箱概述装载机变速箱的作用是改变发动机的转速和转矩，是装载机的传动部件。目前国内装载机采用的传动形式基本上都是采用变速箱和液力变矩器组合的传动形式。在变速箱的内部采用齿轮传动，离合器的结合和分离由液压动力控制，从而达到实现档位切换的目的，大部分离合器采用湿式摩擦片的全部动力换挡，也有个别变速箱采用部分动力换挡，是通过在部分档位上利用啮合套和拨叉进行的。 图1-1 变速箱实物图变速箱的主要功能就是将柴油机的动力，完成装载机的牵引力及行驶功能以不同的速度及不同的牵引力，方式是经过变矩、变速传给驱动车轮、驱动桥等。主要是由涡轮四元件中的变矩器将两个涡轮的动力输入到变速箱的超越离合器及变速箱各档来完成变速箱的变矩变速的。变速箱结构的主要组成部分是：倒档行星变速机构及直接档总成、一档行星变速机构总成，主要组成零部件是：输出轴、装在直接档总成外面的中间轴输出齿轮等。变速箱的实物图见图1-1。1.1.3装载机变速箱分类 从变速箱使用方式的发展历程来说，变速箱经历了三个时期，这三个时期为：传统手动变速箱、自动变速箱和手自一体变速箱。传统手动变速箱的优点是：结构简单，燃油经济性好，制造成本低，但是缺点是操作复杂；自动变速箱的优点是：驾驶轻松，但是缺点是燃油经济性差：手自一体变速箱存在同样燃油经济性差的缺点。另外自动变速箱从自动换挡原理上分类，又可分为电控机械式自动变速器 （ATM）、无级自动变速器（CVT）、液力自动变速器（AT）和双离合器式自动变速器（DCT）。而液力自动变速器又可分为电子控制液力自动变速箱和液压控制液力自动变速箱两种。从变速箱的结构形式来分类，目前装载机变速箱大体可分成两大类别，一类是行星式齿轮变速箱，比如小松、卡特等厂家的变速箱，这是目前我国使用最多的产品；另一类是定轴式箱，其优点是：结构简单、传动效率高、工作可靠，如美国德纳变速箱和德国采埃孚（简称ZF公司）的变速箱。从结构的繁简程度上行星式变速箱又可分为复杂式的变速箱和简单式的变速箱两种，我国目前所采用的行星式变速箱简单式结构，这种简单式结构的变速箱一般为具有两个行星排，在制造和维护上都相对与复杂式的变速箱比较容易。复杂行星式变速箱的缺点是制造工艺复杂，这就大大增加了变速箱的制造难度。就中国目前的实际情况来说，中国还不适合采用此种的变速箱。但是无论是定轴式的变速箱还是行星式的变速箱都在其性能上各有其优点和缺点，因此两种流派的变速箱一直在世界上并存。我国中小型装载机的变速箱目前普遍采用双变集成技术。这种变速箱主要有三种结构形式：第一种是单涡轮的变矩器与定轴式的变速器的组合；第二种是单涡轮形式的变矩器与液压机械式半动力换挡的变速器的组合（这种液压机械式变速器具有4进2退、3进3退或者4进4退控制档位的功能）；第三种是双涡轮的变矩器与行星式动力换挡的变速器（2进1退）的组合。第三种变速箱可以适应负荷的变化，通过多档位的切换，这样降低了变速箱对变矩器结构的要求，但缺点是操作频繁，目前只有少数的30系列装载机上还在使用。第一类变速箱应用比较广泛，目前主要在50系列的装载机上应用，因为其档位较少，具有完全可实现单杆操纵的优点；第二种变速箱除了输出轴和输入轴在转动外，其他轴都是固定不动的，但固定与轴上的齿轮是独立旋转的部件，因此此类变速箱扩大了档位的选择性，最多时可达到6进3退共9个档位的切换。1.2 装载机变速箱试验台分类当前国内的装载机变速箱的加载试验台按能量传递方式分类通常可分为两类：开放式的变速箱试验台和封闭式的变速箱试验台，其中封闭式的变速箱试验台又可以分为机械封闭式的变速箱试验台以及电封闭式的变速箱试验台。1.2.1 开放式变速箱试验台图1-2 开式变速箱试验台原理图开放式的变速箱试验台是一种最早出现的试验台，它的主要组成部件主要有主电动机拖动的传动装置、带动加载装置。试验台的组成包括动力区、试验区和模拟负载区。动力区又由驱动动机、变速器及其附属装置组成，动力区有向变速器试验台的传动系统提供动力源的作用。试验台试验区主要组成包括被测件， 输入输出传感器等装置；试验台模拟负载区的主要组成包括负载电机或发电机制动器及附属装置。图1-2为开式装载机变速箱原理图开放式变速器试验台的主要优点是结构简单，工作过程也简单，工作可靠性高，生产成本比较低，载荷比较稳定；但是它的缺点是系统输入的试验功率几乎全部被加载装置消耗掉，因而能量消耗比较大，而且消耗的能量不能回馈利用，尤其是对于大功率并且时间长的试验项目（如装载机变速箱的疲劳寿命试验），它的试验成本要远远高于后面将要叙述的封闭式的变速箱试验台 。1.2.2 封闭式试验台封闭式的装载机变速箱试验台在加载过程中产生的能量可以被驱动电机循环使用，是通过反馈到电网或直流母线，被封闭在电网系统中，从而达到节能的目的。与开放式的变速箱试验台相比，它可以节约大量能量，从而大大降低了试验成本。封闭式的变速箱试验台又可以分为两大类：机械封闭式的试验台和电封闭式的试验台。图1-3为闭式变速箱试验台原理图。图1-3 闭式装载机变速箱原理图（1） 机械封闭式的试验台机械封闭式的试验台的工作原理是在一个封闭的传动系统中由一台电动机为被测变的速箱提供动力，使被测变速箱转动。机械封闭式的变速箱试验台可以看作是有一个封闭的功率环流在一个封闭的机械传动系统内部运行，所以被之为机械封闭式的试验台。由于这种类型试验台的优点是造价相对不高、能够减少能量消耗，但是其缺点是加载装置结构比较复杂，试件的转速不能太高，而且设备庞大。所以在要求发动机转速越来越高的现代，这种试验台也逐渐被淘汰。机械封闭式试验台通常的加载方式是液压加载，工作原理是油缸在试验台传动系统的内部发生弹性偏转，从而实现加载。驱动电机可以在试验台液压系统外部进行驱动，一方面补充试验台闭环系统的内部的功率消耗，另一方面为试验台的测控系统提供动力源，从而使试验台测控系统正常运行，试验台系统一方面可以对测试件的输入扭矩进行调整，这种调整通过改变电机转速的大小，另外，也可以改变对测试件的输入扭矩，这种改变是通过调整液压油缸的偏转角来实现的。机械封闭式变速器试验台的特点是：节能，不太昂贵；但是加载系统需要采用液压加载，加载系统结构比较复杂，被测试的变速箱的转速不能超过某一确定的数值，需要定期的维护，维护费用比较高。特别是要求变速器的输入转速也逐渐变大，是因为现在随着汽车使用的发动机排量增大专速增高，故而机械封闭式变速器试验台的缺点逐渐明显。（2） 电封闭式变速器试验台电封闭式的试验台的组成部件是：控制部件、驱动电机、输入传感器、被试变速箱、加载电机等，它的工作原理和机械闭式的试验台比较类似，只是功率流被通过电网的装置电能替代了，也是在一个封闭的系统中运行，所以被称之为电封闭。电封闭试验台的优点是：结构简单，可靠性高，能源利用率和效率都很高，而且还能够实现动态的加载，但是缺点是造价昂贵。这在一定程度上使电封闭式变速箱试验台的发展和应用受到了限制。电封闭试验台技术应用更加的成熟，因为交变技术的发展，推动了电封闭式试验台技术的发展，这种技术改变了原来效率低，加载慢，噪声大的缺点得到很大改观，不仅能还能够实现并网，减少了对电网的污染，而且源利用率大大提高，这种静止变流技术还大大提高了加载的动态响应速度，将会被更多的人所应用。常规的电封闭式试验台的结构形式如图2.3所示。电封闭式变速器试验台和开放式变速器试验台在结构上很类似，加载电机在对被测变速箱的进行加载的同时，可以具有发电的功能，加载电机产生的电能可以通过试验台闭环系统反馈给电网或者向被测试变速箱的驱动电机提供电能。电封闭式变速器试验台不仅结构造比较简单，节能效果很好，传动效率比较高，而且能够方便的实现动态加载。1.3 国内外变速箱试验台研究的现状1.3.1国外变速箱试验台现状机械闭式试验台已被国外的传动系统试验台和变速箱试验台淘汰了，国外的转动系统改用为电封闭式试验台和机械开式试验台。因为机械开式试验台不仅不需要陪试变速箱，而且能够实现变扭矩加载，这种加载的实现是通过使用相应的部件与控制方式来实现的，其特点是结构简单、控制方便，但是进行加载试验时需要重点考虑减少能源消耗的问题。电封闭试验台的优点是：机械结构相对简单，能够进行各种道路工况的负载模拟，电能重复利用。目前国外关于装载机变速箱性能检测方面的实验还是比较先进的，能够有对变速箱的性能进行详细研究的实验，各种测试变速箱的设备和器材也很先进，实验的标准也比较高。1.3.2国内变速箱试验台现状国内生产装载机变速箱的企业主要有：杭州前进齿轮箱集团有限公司，柳州采埃孚机械有限公司，厦门厦工桥箱有限公司，长沙中南传动机械厂，三明齿轮箱有限公司，徐工集团徐州齿轮厂，徐工特工义车驱动桥厂等。另外，吉林大学对装载机变速器相关技术的研究比较成熟。因为国外技术的垄断现状，国内很多生产变速箱的厂家来对自己生产的变速箱进行测试时不得不使用那些测试功能简单、测试功率低、精度和可靠性都不高的试验台测控系统。这样往往得不到可信度高的数据，不能对数据进行精确的处理和分析。因此我国的变速箱产品的质量往往得不到提高。因此，有必要设计出一种变速箱测控系统，可以使得测试的可靠性高、实时性强、经济性好，同时还要控制简单、操作灵活，只有这样才能以改变我国在变速箱试验台测控系统方面落后的现状。我国目前大多数变速箱生产厂家只进行空载换挡试验，无法检测装载机变速器的性能。变速箱加载试验台普遍存在可靠性能比较差，测试精度比较低，而且试验台重量大，耗能大等缺点。目前国内关于装载机变速箱性能检测方面的实验还是比较落后的，不能够有对变速箱的性能进行详细研究的实验，各种测试变速箱的设备和器材也比较落后，实验的标准很低。但是因为变速箱是装载机的关键部件，变速箱的性能直接影响了装载机的性能，因此，在变速箱装配完成后，很有必要对其进行全面的检测。目前，国内变速箱试验台绝大部分为机械闭式试验台，这种试验台有很大的不足之处，具体体现在机械结构复杂，体积大而连接部分较多，目前仅仅能做定转速，定扭矩排挡循环试验。 1.4 本章小结本章主要介绍了装载机变速箱试验台的分类及现状，变速箱试验台可分为两类：开放式变速箱试验台和封闭式变速箱试验台，其中封闭式变速箱试验台又包括机械封闭式变速箱试验台和电封闭式变速箱试验台，同时也对机械封闭式试验台和电封闭式试验台进行了对比和分析。介绍了国内外试验台的现状，以及国内装载机变速箱试验台的问题及缺点，提出了研究装载机变速箱试验台的必要性。第二章 试验台的结构和工作原理2.1 变速箱综合性能试验方法变速器试验项目通常包括有换挡性能试验、空载损失试验、传动效率试验、静强度试验、疲劳测试、油压试验 、可靠性试验、噪声和振动等。 1. 换挡性能试验 试验方法是通常使用一组或者多组的惯量可变的飞轮来模拟汽车行驶时的工作状况，通过不同转速和扭矩情况下的换挡操作来对换挡性能进行测试。 测试参数主要包括：输入转速、输出转速、输出转矩、离合器操纵油压的动态变化曲线及进口油温、出口油温、工作油流量等。 2. 空载损失试验 测试参数主要包括：输入转矩、输入转速、出口油温、离合器油压等。 作变速箱各档空载损失功率与输入转速（或输入转矩与输入转速）的关系曲线PK=f( n1 )或 T1=f(n1)。 3. 传动效率试验 测试参数主要包括：输入转矩、输入转速、输出转矩、输出转速、变矩器进口油压、主油路油压、离合器油压、出口油温等，各参数记录保持同步。 作各档效率与输出转速关系曲线，输出转矩与输出转速关系曲线。4. 静强度试验 强度测试主要是指对变速箱和传动轴进行扭转强度的测试。试验时要将被测变速箱安装在试验装置上，然后将其输出端固定，利用驱动电机带动输入端慢慢转动, 同时要测量被测变速箱输入端的扭矩、输出端的扭矩以及输入轴的扭转角度，直到扭矩达到某设定值时加载停止，或者到变速箱损坏时停止加载，进而可以判断变速箱的静态扭转强度性能。 5. 疲劳寿命试验 变速箱疲劳耐久性测试是指在一定的输入转速和油温下对变速箱各个挡位按照额定的输入扭矩进行循环运转，直到完成额定运转时间或者变速箱发生损坏，试验后拆解变速箱分析磨损情况，如果损坏则分析变速箱损坏的具体情况及原因。2.2 试验台方案的确定2.2.1 驱动方案设计动力装置又称为自动变速器的性能试验台的驱动设备，它可以模拟发动机的运行工况，并且驱动液力变矩器泵轮工作。动力装置应满足变速箱试验输入动力的要求，能调节控制转速和转矩按一定的规律变化，如转速恒定或恒转矩控制。常见的驱动装置有电动机，发动机或测功机。电动机又有交流电动机或直流电动机等。如果动力装置是发动机，它的优点是能够准确地模拟与发动机相匹配的变速器在装载机上的真实使用的工况，与装载机上的实际特性相吻合。但发动机作为动力源，其缺点有：输入动力的稳定性比较差、噪声很大、有排气污染、通用性也比较差、不容易调节到要求的稳定的转速与扭矩等。 另外在实验过程中需要对不同型号的变速箱进行检测，频繁的更换不同型号的变速箱，这要求发动机要不断的启动和停止，这样很不利于发动机的稳定工作，而且会对发动机造成一定程度的损坏，不利于实验的正常进行。目前，最为广泛使用的动力装置是电动机。电动机作为动力源，其优点是：噪声很小、占地面积比较小、无污染、起停比较方便、易于将转速调节到合适的值。可以选择的电动机有交流变频控制电机。交流变频电动机驱动装置的优点是变矩器的输入转速可调，可满足比较广泛的试验要求，并且具备启动功能，可以适应不同工况条件下的频繁变速的要求。缺点是变频器造价比较高，当试验系统较大时，需要提供较大的电量，同时操作也比较为复杂。装载机变速箱性能试验可选用低于普通发动机功率的交流变频电机。2.2.2 加载方案设计对于变速箱的加载试验，因为信号的检测与运行控制已经十分成熟，所以关键是负载的施加和控制。尤其是对大功率设备的负载试验来说，负载较大，这就导致能耗增加，所以负载的施加方式不仅会影响到试验效果，还可能造成设备的占地面积比较大，并产生很大的能量浪费，因此负载施加方式的选择对试验台的正常稳定运行有十分重要的作用。目前，加载试验台通常采用的加载方式主要有：涡流测功机、磁粉制动器、磁滞测功机、液力测功机、直流发电机、交流发电机等，各种加载方式各有其特点和不足，如表2-1所示表2-1 各种加载方式的优缺点序号加载装置功率流向优点缺点1涡流测功机输出的机械能转化为热能损失掉控制电路简单、造价较低，可以正反加载，加载功率较大低速加载性能很差（零速无法加载），不能反拖，能耗很大，需要采用水冷进行冷却2磁粉制动器或皮囊抱闸输出的机械能转化为热能损失掉控制电路简单、造价较低，可以正反加载低速加载性能一般，高速加载很差，需要采用水冷进行冷却，加载功率小3磁滞测功机输出的机械能转化为热能损失掉控制电路简单、造价较低，可以正反加载低速加载性能很差，高速加载性能一般，加载功率小4交直流发电机带阻性负载输出的机械能转化为热能损失掉控制电路简单、造价较低在速度变化较大场合无法控制负载的施加5机械封闭输出机械能再回馈到驱动端循环利用高低速加载性能都很好，能耗很低不能做反拖试验，结构较复杂，对具有离合器或变矩器等存在滑差的被试设备无法实现加载6液力测功机输出的机械能转化为热能损失掉加载功率大低速加载性能很差，高速加载性能一般，不能反拖，能耗大，设备占地较大7直流发电机输出机械能再回馈到驱动端循环利用高低速加载性能都很好，能耗很低，可以正反转加载和反拖加载电机可靠性较低，尤其在高速运行时，容易产生故障8交流发电机变频矢量控制输出机械能在转化为电能回馈到驱动端循环利用高低速加载性能都很好%能耗很低，可以正反转加载和反拖加载，对具有离合器或变矩器等存在滑差的被试设备可实现高精度加载造价相对较高，在同等功率容量时交流电封闭式比直流电封闭式造价高些在液力变速箱的台架试验中，试验台所用的主要加载方法包括：水力测功法、电涡流测功法和电封闭测功法3种方法。其中，水力测功法因为其技术的落后、操作的复杂，现已基本被淘汰；电涡流测功机则在部分的厂家的加载设备中有还应用，但电涡流测功机存在缺点：需要水冷却、能耗比较大、控制精度比较差、不能进行反拖试验、响应速度比较慢等，目前，最好的加载方式是电封闭加载，这种加载方法的优点是：技术比较先进、能够高效节能，能够完成反拖试验、堵转试验、程序加载试验、随机加载实验、路谱加载试验等试验。电封闭加载方案又分为直流电封闭加载和交流电封闭加载两种，在几年前点封闭加栽方案大多数采用直流电动机的方案，而近几年随着交流技术的发展，使得电封闭加载方式得到了广泛应用，这种电封闭加载是由交流发电机变频矢量控制的，具有良好的综合性能。两种电封闭加载方式的性能也有所不同，直流电封闭式的性能特点是：功率因数比较低，对电网的干扰比较大，适用速度比较低，控制精度比较低，空间电磁干扰比较小，动态响应比较慢，系统造价低，可靠性比较低；而交流电封闭式的特点是：功率因数比较高，动态响应比较快，控制精度也比较高，适合很宽的速度范围，对电网的干扰比较小，采取措施后干扰也很小，可靠性比较高，系统造价比较高等。目前，国际国内正逐步淘汰直流电封闭式，而交流电封闭式正在广泛使用中。直流电封闭加载系统的工作原理是拖动单元与负载单元都采用直流可逆的调速器和直流电动机，从交流电网吸收交流电能经过拖动单元送给拖动电机，达到将电能转化成机械能的目的，然后拖动被试变速箱的负载电机从被试变速箱的输出轴吸收机械能并把其转化成直流电能，由负载单元的可逆直流调速器将直流电能转化成交流电能回送到交流电网，从而能够实现直流电封闭加载。交流电封闭加载系统的工作原理是拖动单元与负载单元都采用交流变频的调速器和交流变频电动机，从而拖动电机能够处于电动运行的状态，负载电机能够处于交流发电运行的状态。整流器能够将从交流电网吸收的交流电能转化成直流电能，拖动单元能够将从直流母排吸收的直流电能逆变成交流电，然后送给拖动电机，拖动电机将电能转化成机械能拖动被试变速器，负载电机从被试变速器的输出轴吸收机械能并转化成交流电能，由负载单元的变频器将交流电能转化成直流电能送到直流母排，从而实现交流电封闭加载，综合考虑以上因素，交流电封闭的优点是很明显的，尤其在工作现场条件差的情况下，宜采用交流发电机作为加载装置。2.3 试验台的工作原理和组成工作原理：装载机变速箱综合试验台是对装载机变速箱性能台架实验和故障分析的系统。变速箱实验台的基本工作原理是通过测量变速箱的输入、输出功率，然后得到变速箱的传动效率。实现这测量过程的是，通过输入端安装转速转矩传感器，测量输入转矩和转速。在变速箱的输出端连接升速箱、加载装置，实现变速箱的制动。在加载装置和变速箱之间安装转速转矩传感器，测量输出转矩和输出转速。经过计算就可以得到变速箱的输入功率和传动效率。本课题的实验对象为装载机变速箱，试验台为电封闭式试验台，试验台用于对装载机变速箱各项性能的检测和评价，模拟真实使用下变速箱的运行状态。综合试验台设计包括变速箱试验台设计和测控系统设计。其中试验台的设计包括试验台的尺寸设计、各器件的布置位置、各器件参数的选取、变速箱的装夹（装夹过程中，滑台用于不同规格的变速箱总成的轴向尺寸的调整，以便实现快速装夹）等。2.3.1 试验台台体的机械结构形式变速箱综合试验台是一个集机、电为一体的设备，试验台主要由基本底座，驱动电机，驱动调整机构，升速箱，加载电机，加载装置，加载调整机构、变速箱装夹机构等组成。图2-1 为装载机变速箱综合试验台的机械结构图。图中1为驱动电机，2为输入转速转矩传感器，3为离合器，4是联轴器，5是变速箱装夹机构，6是被测变速箱，8是联轴器，9是输出转速转矩传感器，10是升速箱，11是加载电机，12是底座。图2-1 装载机变速箱试验台机械结构图2.4 电机的选取2.4.1 选择电机的容量电机类型和结构形式主要是根据电源、载荷特点和工作条件（温度、空间尺寸、环境等）来选择。没有特殊要求时都应选择交流电动机。标准电动机的容量都是由额定功率来表示的。所选电动机的额定功率应当等于或稍大于工作所要求的额定功率。当电机容量小于工作要求的额定功率时，则不能保证试验台正常工作，或着使电动机处于长期过载状态，电机因为发热过大而过早损坏；而容量过大就会增加试验台成本，并且因为功率和功率因数过低而造成能量浪费。由于变速箱试验台运行时载荷变化很小，只要电动机的负载不超过电机的额定值，电动机就不会发热，通常不必校核启动力矩和发热。所需电动机的功率为： pd=pnKw （2-1）工作机所需功率Pw应由机器工作阻力和运动参数计算求的， Pw=Fv1000w Kw （2-2）或 Pw=Tnw9550wKw （2-3）总效率按式（2-4）计算 =1234n （2-4）其中各值分别是传动装置中每一传动副，每对轴承，每个联轴器的效率。2.4.2 电机转速的选取同一类型的电机，相同的额定功率有多种可供选择的转速，如果选用转速比较低的电机，则会因级数较多而外廓尺寸及重量比较大，价格比较高，但可以使传动装置总传动比及尺寸变小，选用转速高的电机则恰恰相反。故应全面分析优缺点来选定电机转速。按照试验台的转速要求和传动机构的合理传动比范围。可以推算出电动机的可选范围： n=(i1i2i3i4in)nw （2-5）本试验台要求输入转矩为：85Nm；输入转速为0-3000r/min；加载电机功率为：3kw；输入扭矩为小于1000Nm。取总效率为0.86将原始数据带入下式 Pw=Tnw9550wKw=85300095500.86=31.05Kw （2-6）主电机与输入轴传动比定为3/10，加载电机与输入轴传动比定为1。其他各级总传动比设为0.9，带入下式 n=i1i2i3i4innw=1111r/min （2-7）根据以上数据查机械设计手册表12.1，主电机选用Y225M-2型，加载电机选用Y132M1-6型。查机械设计手册表12.3可查得电机的外形尺寸、轴伸尺寸、中心高、键连接尺寸、地脚尺寸等参数。电机的技术数据如下表2.2.表2-2 电机技术参数电机型号额定功率Kw额定转速r/min最高转速r/min额定转矩Y225M-24529703000Y132M1-6396010002.5 本章小结本章主要介绍了装载机变速箱综合性能检测的实验种类和目的，对比了几种驱动和加载方案，确定了本试验台加载和驱动的方案。简单介绍了本试验台的机械结构形式，最后对试验台的驱动系统的主要部件交流异步变频电机进行了选型，对电机的容量，转速范围和电机的外形尺寸进行了确定，对试验台的各部件提出以下要求：（1）试验台应体现驱动装置的整体性并兼顾个系统的独立性。（2）试验台应具有可调整性和可替换性。（3）试验台应保持一定的先进性。第三章 加载部分主要部件的设计计算3.1 升速箱的设计计算由于一般电机额定转速比较高，而实验输出轴的转速都比较低，所以设计人员都会在加载电机前增加一个升速装置，例如调速箱。升速箱有增大输出转速范围的作用，一般三相异步电机的额定转速为一到两千转左右，而试验台要求的转速有时会达三千转甚至更高。有的变速箱试验台是由两个皮带轮进行升速的，其缺点是占地面积大，台架高速运行时噪音大，而且改变传动速比时操作比较麻烦。而近期开发的变速箱试验台都没有采用这种升速方式，而改用了齿轮箱进行升速。这样的结果是试验台的体积小，高速运行时噪音也小，而且改变传动速比是操作简单。故选用齿轮箱进行升速。3.1.1 升速箱传动方案的确定由于升速箱传动比较小，故选用一级齿轮传动。采用圆柱齿轮传动。（1）升速箱传动总效率 （3-1）（2）齿轮材料的选择 小齿轮选用45#钢，调质处理，查机械设计手册平均硬度280HB 大齿轮选用45#钢，调质处理，查机械设计手册平均硬度240HB （3）确定齿轮精度等级 选择8级精度（4）选齿数小齿轮齿数选取z1=21，根据传动比可得大齿轮齿数为z2=63，模数选mn=3。齿宽小齿轮选为b1=65mm，大齿轮选为b2=60mm。（5）确定齿轮主要尺寸 a)中心距a mm （3-2） b)分度圆直径d （3-3）3.1.2 升速箱主要零件的校核输出轴的设计及校核，输出轴上的功率P转速N及转矩T T=9550000PN （3-4）T=1000000N.mmn=3000r/min P=TN9550000=100000030009550000314.136kw （3-5）（1）轴的材料选用45#钢，调质处理，查机械设计手册抗弯强度其结构如下3-1图所示图3-1 齿轮轴结构图（2）查机械零件表16.3得，许用弯曲应力（3）画出轴的空间及垂直和水平面内的受力图，如下图3-2所示图3-2 齿轮轴受力图垂直面内的支座反力为： （3-6）得 水平面内的支座反力为： （3-7） 得 （4）做合成弯矩图如下图3-3所示图3-3 齿轮轴和成弯矩图 （3-8）（5）画出转矩图，图3-4。图3-4 齿轮轴转矩图其中T=47300Nmm（6）做当量弯矩图，图3-5。图3-6 齿轮轴当量弯矩图 （3-9） （3-9）（7）计算危险截面轴径判断危险截面：连接联轴器处，齿轮处和左侧轴承处 （3-10） （3-11） （3-12）故该齿轮轴满足强度要求。3.2 联轴器的选择与校核在负载与传感器，负载与输出轴，驱动电机与离合器，加载电机与升速箱等处都需要安装联轴器。由于材料和结构的不同，用于各个传动系统的联轴器也不尽相同，其载荷能力差异很大。载荷类别主要是针对电动机的工作载荷的冲击。正反转、震动、频繁启动、制动等原因而形成不同类别的载荷。联轴器选择的依据就是传动系统的载荷类别。联轴器的种类优缺点和用途见下表表3-1 联轴器的类别及应用联轴器类别凸缘式联轴器滑块联轴器弹性联轴器安全联轴器刚性联轴器挠性联轴器优点构造简单，成本低，可传递较大转矩有移动副，可以补偿两轴偏移缓冲吸振，可补偿较大的轴向位移具有过载保护作用，电机带载启动转变为近似空载启动价格便宜，结构简单具有一定的补偿被连两轴轴线相对偏移的能力缺点不允许两轴有相对位移，无缓冲无缓冲，移动副应加润滑有微量的径向位移和角位移只能承受限定载荷不具有减震性能不具有缓冲减震性能用途在转速低，无冲击，轴的刚性大的场合用于低速转动场合正反向变化多，启动频繁的高速轴用于载荷变化很小或需要过载保护的场合用于两轴轴线相对偏移极小的情况下适用于低速、重载、转速平稳的场合由以上比较，试验台选用弹性联轴器。 根据设计手册表6-4 选择联轴器的型号为HL2取载荷系数K为K=1.4 而联轴器所连接的轴 T=436000Nmm KT=1.4425217=610404Nmm （3-13） 则轴孔直径d=38mm，L1=60mm。3.3 键的选择计算现以升速箱大齿轮与升速箱输入轴连接的键为例。图3-7 齿轮轴上的键选择A型普通平键根据d=40mm查课程设计课本表5-1取 b=12mm, h=8mm根据轮毂长度65mm，查课程设计课本表5-1取键的标准长度60mm取键的材料 45#3.4 升速箱机械结构设计 升速箱的机械结构如下图3-8所示图3-8 升速箱内部结构此升速箱为一级传动，升速比为3，输入轴为大齿轮，齿数为63，因为小齿轮齿数为21，直径很小，故输出轴做成齿轮轴，所用轴承均为角接触球轴承，所用齿轮为圆柱斜齿轮，图中1为大齿轮，3为输入轴，5为轴承端盖，7为齿轮轴，9为轴承，16、18均为轴承端盖，19为密封圈。3.5 本章小结本章为升速箱的设计，升速箱为一级圆柱齿轮传动，升速比为3，重点研究了变速箱综合试验台中加载部分关键部件的设计及动力连接部件联轴器的选定，并对不同类别的联轴器做了比较，重点对升速箱齿轮输出轴进行了校核，对连接件的尺寸和校核进行了说明。设计了升速箱的整体机械结构，最后给出了升速箱的结构图。第四章 驱动调整机构和加载调整机构的设计计算4.1 驱动调整机构的设计由于装载机变速箱综合试验台要求测试多种型号的变速箱，故需要调整机构，驱动调整机构可以调整驱动电机及夹具的上下位置，调整范围不需要很大，但要求精确，故选用丝杠来做调整机构的精确调整。滚珠丝杠的组成包括螺杆、螺母和滚珠。它可以将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展具有将轴承从滚动动作变成滑动动作的重要意义。由于滚珠丝杠具有很小的摩擦阻力，正被广泛应用于各种工业设备和精密仪器中。 滚珠丝杠是精密机械上最常用的传动元件之一，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆的作用力，同时具有精度高、可逆性好和效率高的优点。滚珠丝杠有以下具体优点：与滑动丝杠相比驱动力矩小，能够保证精度高，微进给的实现，没有侧隙、刚性好，进给速度高 4.1.1 驱动调整机构方案的确定驱动调整方案是由电机传递动力，由带传动带动轴的转动，通过锥齿轮将运动传递到丝杠。驱动调整机构滚珠丝杠的选择丝杠的安装有四种安装方式，一端固定，一端自由的安装方式适用于转速较低、滚珠丝杠较短的情况。两端游动是一种常见的安装方法，适用于中等转速的情况。一端固定、一端游动则适用于中等转速，需要高精度运行的场合，而两端固定的安装择适用于高速运转、需要高精度运行的场合。故选用两端固定的安装方式。4.1.2 驱动调整机构滚珠丝杠的选择丝杠工作长度l=1m，平均转速nm100r/min，最大转速nmax10000r/min，丝杠材料选用CrWMn钢。 （4-1）根据寿命条件计算额定动载荷 （4-2）按照满足Ca的原则选择丝杠副尺寸。查表可得如下规格，表4-1 滚珠丝杠的技术参数规格型号 D0公称导程 p 丝杠外径 d 钢球直径 d0 丝杠内径 d1 动负荷 Ca(KN) FFZD3210-3 32 10 32.5 7.144 27.3 25.7 FFZD5006-5 50 6 48.9 3.969 45.76 26.4 考虑各种因素，选FFZD5006-5，其中： 公称直径：D0=50mm 导程：p=6mm 螺旋角：=arctan(6/(50)=211 滚珠直径：d0=3.969mm 丝杠内径：d1 =45.76mm临界转速验证高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速nmaxnc （4-3） 故选用FFZD5006-5丝杠合适。4.1.2 带传动的设计带传动的特点为：结构简单、能缓冲吸振、传动平稳、造价低廉、不需润滑、维护容易，并且可以在大的轴间距和多轴间传递动力，在近代机械传动中应用十分广泛。在带传动中，常用的有平带、同步带传动、V带传动等。V带传动与平带传动相比较,其主要优点是传动功率大、张紧力小。V型带与带轮的V型槽，由于有楔形增力的缘故，带与带轮的正压力大，摩擦力就大，传动能力就大。驱动调整机构的电机选用1500r/min的电动机。即nD=1500r/min 电机的输出功率 （4-4）确定计算功率Pc 取工况系数KA=1.2 （4-5）2）选取V带型号 查机械设计手册，根据Pc=4.553KW , n=1440r/min得选用A型普通B带3）确定带轮基准直径（1）查机械设计手册 确定小带轮直径D1=125mm （2）确定大带轮直径D2 考虑滑动率：取=0.01 D2=mm （4-6）取D2=184mm（3）验证从动论的转速误差率 （4-7） 所以从动轮的转速误差率为1.5%，在允许范围内4）验算带速v m/s （4-8） 在允许速度范围525m/s内5）确定带的基准长度Ld和实际中心距a 按结构设计要求机械设计手册11.4 初步确定中心距ao=200mm （4-9）查表取得带的基准长度Ld=1250mm则实际中心距 （4-10）6）校验小带轮包角1 （4-11）7）计算V带的根数z查机械设计手册 根据D1=90mm , n1=1440r/min得Po=1.07kw查机械设计手册 根据 i=，n=1440r/min （4-12）得Po=0.162KW查机械设计手册 得包角系数 k=0.975查机械设计手册 得长度系数 kl=0.93 （4-13） 所以取z=48）求初拉力Fo 查机械设计手册11.4 得q=0.1kg/m （4-14）9）求带轮轴上的压力FQ （4-15）4.1.3 驱动调整机构结构设计驱动调整机构结构如下图4-1所示，三相异步电机通过带传动带动两端安装有齿轮的轴转动，再通过齿轮传动带动丝杠转动，而安装有加载电机的电机支撑板和丝杠螺母通过螺纹连接固定在电机支撑板的上支撑板，从而丝杠的圆周运动就可以转化为电机支撑板的直线运动，其中电机支撑板的上支撑板和下支撑板通过四根截面为正方形的立柱焊在一起，而电机安装在下支撑板上，这样上支撑板的运动就可以带动下支撑板运动，从而达到调节驱动电机的高度的目的。由于丝杠可以精确调节上支撑板的高度，那么电机的高度也就可以精确调节了。三相异步电机的支撑板是和支架焊接在一块的。 图4-1 驱动调整机构机械结构4.2 加载调整机构的设计4.2.1 加载调整机构方案确定加载调整机构依然采用丝杠来控制移动，加载调整机构采用导轨来做支撑和导向，但是导轨的制造误差，加工受力变形和由温升引起的热变形以及在使用过程中的磨损都能直接影响到工作台的精度。导轨除了具有良好的导向精度和加工工艺外，还要考虑导轨的摩擦磨损特性。导轨与移动件配合应具有小而稳定的系数，动、静摩擦差别要小，以使移动件运动灵活而不产生爬行，并减少因摩擦阻力而导致死区。此外要有足够的刚度，减少导轨变形对检测精度的影响。从成本、工艺性、耐磨性及工作要求来考虑，选用直线导轨，材料为45钢。4.2.2 加载调整机构机械结构设计加载调整机构的机械结构如图4-2所示，步进电机转动带动图4-2 加载调整机构机械结构4.3 本章小结本章主要介绍了两个调整机构的设计，因为滚珠丝杠的调节精度高，故驱动调整机构和加载调整机构都采用滚珠丝杠进行控制，重点介绍了滚珠丝杠的选型和校核和带传动的计算。确定了驱动调整机构和加载调整机构的机械结构。总结总结本文在对目前国内外变速箱试验台的研究现状进行认真分析总结的基础上，对装载机变速箱的综合实验进行研究，并对装载机综合试验台的转动系统进行了整体分析，针对主要零部件进行了设计计算及校核，取得了一下成果或结论：1， 首先对实验装置的实验原理及实验过程进行了详细的解释分析，明确了实验过程中所要检测的试验项目，对其主传动系统进行了整体设计，设计出交流变频电机离合器转速转矩传感器被测装载机变速箱转速转矩传感器升速箱加载电机的传动方案，根据实验条件选择电机，对升速箱进行设计计算及校核，对联轴器、键等进行选型并进行校核。2， 设计了驱动调整机构和加载调整机构，调整驱动装置及加载装置，使装载机综合实验台可以检测多种型号的变速箱。两个调整机构均用滚珠丝杠控制，调整精度高。其中驱动调整机构的传动系统为：三相异步电机V带传动锥齿轮传动滚珠丝杠副，带动安装驱动电机的电机支撑架上下运动，调整驱动电机的位移。加载调整机构由步进电机驱动丝杠转动，使得和丝杠螺母连接在一起的电机工作台移动，工作台通过直线导轨减小与底座的摩擦。3， 在分析计算的基础上，对装载机变速箱综合试验台进行solidworks三维建模。4， 绘制出试验台的整体装配图以及升速箱、驱动调整机构及加载调整机构的部装图及零件图。限于时间和作者的水平，对装载机变速箱综合试验台的研究还有待于进一步的完善。 山东大学毕业设计论文参考文献1 机械工程手册.第五卷.北京:机械工业出版社,1982.3.15332 冯辛安,黄玉美,关慧贞.机械制造装备设计.第二版.北京:机械工业出版社,2005.12.82833 李凯岭,宋强.机械制造技术基础.济南:山东科学技术出版社,2005.4.354 陆凤仪, 钟守炎.机械设计.第二版.北京:机械工业出版社,2011.5.985 王贤民,郑雄胜.机械设计课程设计指导书.武汉:华中科技大学出版社,2011.3.55566 秦大同,谢里阳.现代机械设计手册.第三卷.北京:化学工业出版社,2011.6.13997 邱宣怀,机械设计.第四版.北京:高等教育出版社,1997.7.2372388 纪峻岭,闭式功率流变速器试验台结构及控制系统的研究.哈尔滨工程大学硕士论文,2006.9 王红伟,杨继勇,徐锐良. 自动变速器试验台的初步设计J.聊城大学学报,2009,3(1) :9699.10 Z.KESY，KESYA. Dynamic Aspects of Ahydro dynamic Torque Converters Working in A Transmission SystemJ.Mach.Vib,1995（3）:152-180.11 丁平芳. ZL30装载机动力换挡变速器开发与试验研究D.吉林大学硕士学位论文,2011,5.12 吴达. 变速箱试验台加载控制系统研究D.机械科学研究总院硕士学位论文,2010,6.13 陈宏钧,实用机械加工工艺手册.机械工业出版社,2000.714 王英娇. 乘用车机械式变速器试验加载技术D.合肥工业大学硕士学位论文,2007,6.15 罗丽华. 液力变速箱试验系统的开发研究D.中国石油大学硕士学位论文,2008,5.16 王舟如,李淑萍,李贤敏,展英,杨浩海. 工程机械综合性能传动试验台的开发与研制J.工程机械,2010,2:912.17 杨春永,刘会英.装载机液力变速器台架试验加载设备的选择J. 建筑机械,2008,11:101103.18 JB 9720-2001-T，工程机械变速器性能试验方法S.19满益明,陈慧岩,龚建伟,等.自动机械变速器试验技术及联调试验台设计 J.北京理工大学学报, 2008, 28( 6): 500504.20杨春永,刘会英,宋军委.装载机液力变速器台架试验加载设备的选择.200821吴艳云,张东民,冷国强等.装载机变速器试验台自动测控系统.2006年第37卷致谢本论文是在山东大学机械工程学院王志和张进生教授的关怀和指导以及刘明增师兄的指导下完成的。他们严肃的科学态度和严谨的科研精神深深的感染和激励着我。在此致以衷心的感谢！从课题的选择到项目的最终完成，王老师和张老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两位老师在整个毕业设计和论文写作过程中，给了我耐心的指导和帮助，提出了严格要求，不断引导我开阔思路，为我答疑解惑，鼓励我大胆创新，使我在这一段宝贵的时光中，既增长了知识、开阔了视野、锻炼了心态，又培养了良好的实验习惯和科研精神。在此，我向我的指导老师表示最诚挚的谢意！感谢师兄刘明增，在我的毕业设计中细心给我指导，给了我很多资料和素材，耐心回答我的各种问题，还在论文的撰写和排版等过程中提供热情的帮助感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和同学批评和指正！还要感谢论文的评阅老师、参加答辩的专家和教授，感谢你们抽出宝贵的时间对本论文给予的悉心指导。最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。 附录原文译文开发一个涡轮喷气式发动机变速箱试验台来测试变速箱的寿命和性能摘要飞机引擎变速箱是飞机系统中关键部件之一，因此需要特别注意变速箱作业更长和更安全。当和基础条件下的维修保养相比，反应性维修通常需要较高的维修费用，因此反应性维修策略是不合适的。本文论述了主要预测与健康管理（PHM）变速箱的方法，介绍了一种全新设计的变速箱齿轮预测的实验设施和进行分析初步数据。试验台被设计成提供全面的适用于开发一种可靠的诊断及预测系统执行控制的实验的功能。该试验台是基于稍加修改和重新配置的GEJ85涡轮喷气发动机齿轮箱建立的，以模拟例如速度和负载等真实的运行条件。缺陷故障测试（DTFT）已经应用于实验台进行性能评估，以及评定由安装在变速箱壳体的传感器接收的预测指标（振动和声学）。该文章还详细介绍了实验台的主要部件，并介绍了所遇到的各种挑战。缺陷故障测试（DTFT）的成功是在空载发动机和传感器套件的测试与测试相关指标进行评估和讨论后得出来的。简介机械故障预测与健康管理在降低维护成本以及以及增加安全性方面有重要的作用，它可以通过提供一个准确的估算出部件或系统的损坏，减少了机器发生故障的概率。此外，PHM可以预测机器的健康状态而不需要做昂贵的定期检查。连续的机器运行状况观察是在包括检测和诊断的损坏的动态过程的基础上进行的，然后可以预测机器剩余的使用寿命。变速箱的检测仍然是一个复杂的系统之一，是PHM现在仍具挑战的任务。PHM在不同的领域有广泛的的特点，其已经研究并在文献中提出了齿轮故障检测与诊断，尤其是振动传感器的检测方面【1，2】。然而，在实际系统中，进行评估分析影响会分析很少的参数。PHM技术根据不同的现有数据，可以分类：（1）基于物理的和（2）受数据驱动。Ozguven和Houser3介绍一种观点，在不同的变速箱轴承等元素等情况下根据不同的动态齿轮弯曲应力，接触应力，点蚀，得分，传输效率，估测负载。所建立的模型包括影响和基本的假设方面的变化。以姚明和麦克法登4为蓝本的变速箱是用了一个wo参数（刚度和阻尼）的模型，在这模型中，两个齿轮中的单级变速箱与扭转振动的惯量被降低到一个等效的质量。巴特尔穆斯5,6，适用于数学建模和计算机模拟养成建立一种变速箱，动态模型的信号评估诊断推理的支持。还介绍了一些计算机模拟的结果。结果表明，弹性联轴器和早误差模式下的随机参量对变速箱的稳定性一定影响力badaoui等人7研究了一种齿轮传动装置的简化机械模型，得出的结论是加速度信号分别约为表征二阶时间导数齿轮层裂故障时，存在一个窗口函数与脉冲响应的卷积。一些研究人员广泛应用数据驱动的方法。比如，Ismall等人8建成了一种由收集的振动数据检测齿轮故障诊断模型，该模型对一个小规模的齿轮钻机的振动数据进行收集和。一般来说，数据驱动的方法包括频域分析9,10，时频域分析11,12，自适应回归模型13,14，神经网络15-17，支持向量机18，19。洛佩兹等人20和Essawy等人21，用从变速箱不同位置的振动数据对其进行状态监测。他们的研究是基于振动信号和神经网络来融合数据。Baydar 和Ball 22, Mba 和 Rao 23, 和 Toutountzakis 和 Mba24 研究了一种基于声发射（AE）技术的齿轮故障检测的方法。如果实际的系统可供产生一系列由真实的机器部件获得的理想的数据集，会有许多优点。第一个优势是在速度和负载方面操作条件不同范围更广。其次，机器可以获得本机的历史记录和维修计划表。这样将能提供更多的故障考核方式。因此，为了避免过多的成本，模拟真实的环境和实际工作条件下使用的试验台将是一个可行的和首选的选择。在一个更易于管理的环境中工作，这个环境允许详细的相对容易地测量，并且成本合理。本文的目的是介绍了新开发的连同缺损齿轮运行上控制的条件下，以最小的干扰附件硬件获得的初步数据的变速箱测试设备。试验台的设计、建立、仪表化、调试和实验工作已经完成。选定的预后特征进行评估和讨论。1、 变速箱的测试设施和仪器仪表GE J85是一种高推力，重量轻，产生于不同的变量，介于12.7和13.8千牛（2850-3100磅）的推力涡轮喷气发动机。该引擎具有由三个滚动轴承支撑的转子和由八阶轴流式压缩机与两个涡轮直接耦合。测试变速箱属于J85 CAN40型号发动机，现在仍为Canadair CT-114导师服务。一般而言，燃气涡轮发动机的附件可以被分为两类：（1）驱动的排气从发动机的压缩机部分，（2）由附件齿轮箱直接或间接地连接到发动机主轴的机械驱动。在一般情况下，从发动机轴的机械连接可以是通过一个安装的发动机上的齿轮箱或动力输出轴和一个远程安装的齿轮箱相连。图1为给出的J85发动机以及附件齿轮箱连接到发动机壳体下方的压缩机部分其主要部件的剖面图。该齿轮箱的特点是四个平行的shaftgears（图2）安装在每个焊垫上驱动不同的附件，图 3为详细的原理图。这种变速器变体沿轴向被驱动（轴线B）通过分动箱连接到发动机的输出轴（轴线A）。直接传输功率的限速器，通过齿轮F、C和D间接地和其它配件（起动器/发电机，液压，燃油泵和润滑泵）连接到一块。滚动轴承是用来支持和引导所有的轴，如图3所示。在轴向主要的shaftgear（轴线B）的两端用花键与分动箱相连，连接轴的轴向调速器的最大转速为7811转每分。起飞时，齿轮B的旋转速度为6249转每分（最大速度的80），而其巡航速度大约是3671转每分（最大速度的47）。shaftgearD带动的主燃油泵和润滑泵的安装在与齿轮箱相对的焊盘。燃料泵通过花键连接驱动，可以运行的最大速度为每分钟6075转，而油泵齿轮轴线D使用一个内部的齿轮机构，并在齿轮箱的最大速度可达到每分钟4190转。shaftgear C也驱动shaftgearB通过惰轮轴F驱动的最大速度为7088 转每分。该轴带动液压泵与位于其两端各的起动器/发电机工作。三个轴通过花键连接，传递运动。齿轮的旋转频率特性和每个shaftgear在表1和表2中给出。2.1、试验台简介图4为一般认为的变速箱试验台（内置和位于国家研究理事会）。齿轮箱和它的配件安装在牢固地固定在地板上的一个双工帧的上半部分。发泡橡胶片的帧以保护从任何外部振动源钻机，也由于齿轮箱及其附件的各种旋转部件的反作用力的传输的响应振幅衰减之间的上部和下部的嵌合。出于测试目的，有些由变速箱驱动机制及配件的变化，以模拟真实的工作条件。因此，变速箱状态监测下进行的满载测试如表25,26。图5为各种改进和在下面提供的详细说明的示意图。其中一项改变是由一个15千瓦（20马力）的电动机通过带轮/带系统和连接到齿轮箱（轴线B）的使用一个可变频率驱动器（VFD）控制的驱动系统。选择皮带轮的尺寸，以达到所要求的工作速度，同时VFD允许远程控制电机的速度和准确地设定升温速率。油泵安装在右边焊垫轴线D上，是由多元素组合的润滑和清除叶片泵组成的。它包括一个压力机构和五个清除能力的的元件。在泵的压力元件润滑配件和传递的变速箱和发动机主轴承，通过一个系统的内部通道，软管和喷嘴，直接到各轴承和齿轮油。每个清除能力的元件的油/空气混合物从一个指定的储槽开始回升， 如图6a所示。由于发动机和分动箱试验设施的一部分已作出一些变化，以模拟真实的发动机油循环，并保证适当的操作的泵元件（图6b）的润滑系统。主要的修改是连接在发动机主轴承的清除能力的管道的压线，起飞组件（轴承和齿轮）和分动箱。泵通过扫描泵的附件保持适当的油流量，节流孔的节流器安装在每个清除能力的线路上。由于所有的的机油箱中的机油指油/空气的混合物，还配备有单向阀（空气），机油箱中的排气管连接到如图6b所示的清除能力的管道。由于一些技术问题和燃油压力使得变速箱很难达到最高转速要求，燃油系统取代了一辆卡车的发电机，以保持焊盘变速箱的正确加载。一种电池和一个负载组串联连接到交流发电机，以达到应用程序允许的不同速度所要求的负载。在负载电阻端有五个安培数的开关，控制交流发电机的各种增量，这种增量取决于运行速度，模拟真实的负载施加在齿轮箱上的燃油系统的电负载。发电机输出的恒定电压14 V和负载组可以应用到107安培（A）电负荷，相当于总功耗1.5千瓦（2马力）。液压泵安装在左侧焊盘C轴，为了便于测试其液循环系统进行了少量修改。泵与液压油箱之间的管道输送形成了一个闭合回路，并保证在不同的运行速度下离开泵的液压油的压力在在9.65兆帕到11.4兆帕（1400 psi至1650 psi）的范围内。在航空器中的各个项目电气设备中该起动器/发电机安装在在面焊盘的所述液压泵的相同的轴上其最主要的两个功能：启动发动机，提供动力。重要的是要提到的起动器/发电机只作为发电机使用，在测试期间允许在相同的方向上加载齿轮。附加到发电机上电压调节器，会自动地保持恒定的输出电压电平约为28 V。该电压调节器通过比较和调节实际输出电压工作，从而达到一个内部固定的基准电压。由国家研究理事会拥有的电力消耗的典型的飞机（Falcon20）是一个大容量，多开关负载组（至400）加载发电机的基础上估计。该机配备两个CF700引擎衍生工具的J85发动机。各种变速箱都很相似，是非常有代表性的电气负载。电气负载在110和140之间变化，导致电源消耗介于3.08千瓦和3.92千瓦（4.13马力至5.25马力）。2.2、抗裂的创建有许多类型的齿轮失效形式，以下是两个代表最常见的形式：（1）齿根裂纹失效，由于弯曲疲劳和可能的抗弯强度不足，（2）齿点蚀，也被称为表面衰竭，由于在牙齿表面轮廓有高的接触应力。在这项研究中，前一种失效形式是最常见的和最需要测试的。然而，从实验的角度来看收集相干齿轮寿命数据（健康失效）的是一个耗时和繁琐的任务。这是可以通过引入初始裂纹在齿轮的齿根和运行克服齿轮失效的。该齿轮故障被引入之后进行了有限元分析（使用市售的软件），以估计的根的弯曲应力，并精确地确定的最大应力的位置，在一个典型的裂纹可以发起。在位于的齿尖与齿的中间部分附近进行不同的非线性负载分析。离心力分析也已经开始用限元分析。如图7所示显示了在齿尖施用13450牛顿的力并在3900转每分的转速下的Von Mises应力分布图。所有研究案例表明最大应力位于同一地区。根据上述计算，在放电加工时（EDM），出现在不同齿轮齿根上的缺陷，一开始出现的缺陷在深度上出现的缺陷尺寸有0.5毫米，1.5公厘，2毫米并2.5毫米并且宽度上出现的缺陷尺寸有0.1毫米（0.004英寸）。为了达到失效阶段较小的缺陷，测试时间将是非常显。因此，涉及齿轮故障的故障引入的位置，第一系列的测试在最大缺陷尺寸（2.5毫米）上进行，以便在合理的时间内获得的数据。2.3、仪表测试设备配备了测试整体齿轮箱的性能，如振动，声发射，温度，压力，功率消耗，速度和负载的测量仪表。一个高速便携的24位数据采集系统用来记录数据，其中的最大带宽为25.6千赫。所有的动态信号（振动与声发射）在25.6千赫的采样速率时获得，而在静态特性（温度，压力和功率）的记录，可在低得多的速度的情况下采集。如图8所示齿轮箱的签名/条件监测和跟踪是使用三个加速度计和两个声传感器的安装在齿轮箱壳体接近的缺陷的位置。加速度传感器（两个垂直的一个轴向）的螺柱安装在壳体上。它们是具有灵敏度为9.8个/克和12.6千赫的频率响应范围压电式充电电源加速度传感器。其安装谐振频率为42千赫。两个垂直的加速度传感器计记为VA1和VA2，轴向的一个将被记为AA。主要用两种不同类型的声学传感器：（1）一种非接触空气耦合的超声波换能器（ACUT），（2）接触声发射传感器。该ACUT是一个有的薄膜有源元件电容传感器。其频率响应范围是2.25 MHz的频率上了6分贝降点。任何压力波到达其孔径成正比的频率时，传感器就产生输出电压。更多细节，可以参考参考文献28,29，其中传感器轴承故障检测中取得了非常可喜的成果。接触声发射传感器（R3a的）使用氰基丙烯酸酯类粘合剂与聚酰亚胺膜连接到壳体上的。它设有一个共振频率为29 kHz，工作范围在其峰值灵敏度25 kHz至70 kHz范围内。然而，传感器可以工作在较低或较高的频率的但具有较低的灵敏度。该传感器另一个特点还在于通过陶瓷面（电动）隔离的结构确保了低噪音运行。该传感器转化成的瞬态弹性波是由成电信号的应变能的释放（由于裂纹萌生/传播）产生的。2、 测试矩阵和初步数据测试矩阵被设计成模拟飞行的变速箱的配置文件。所有的工作条件下都会记录数据，其中包括：斜坡起飞速度，留在起飞速度了几分钟，斜坡下降到巡航速度，停留在几个小时的巡航速度，然后减速已停止。重点是稳态运行（恒定转速和负荷）、巡航和起飞速度条件下的数据。这两个测试的情况下的数据分别指变速箱最大速度的47和80。表3显示了在巡航和起飞速度（分别表示为SP1和SP2）时齿轮箱和驱动马达的旋转速率。然而，这种论述邮轮的工作条件相关的数据（转速和负荷）仅仅代表了这代其设计的变速箱箱理论上的寿命。表4示出了所施加的负荷（燃料泵和发电机焊盘）的辅助系统在巡航和起飞速度（分别表示为LO1和LO2）。一个姊妹实验室提供了速率和发电机负载的有关数据，该实验室拥有一架配备了来自J85军用发动机的CF700发动机的飞机。测试任务包括可重复性模拟发动机环境条件下的若干重复基准测试测量的。图9描述了时间同步的平均值（TSA）巡航速度在引晶故障测试不同传感器记录的阶次频谱。该光谱证明了上面的第一，第二，和第三齿轮的啮合频率的谐波的存在。由此可以看出，不同的传感器占主导地位的啮合频率和高次谐波的数量是不同的。需要