机械传动理论范文

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篇1

风力发电液力机械传动装置在整个机械设备当中，占有非常重要的地位，并且会对后续工作产生很大的影响。由于很多的能源都面临枯竭的危险，利用可再生能源发电，是最好的选择。风力发电液力机械传动装置在设计的时候，不仅要结合当地的风力情况和后续的发电情况，同时还要与其他相关的机械设备、配件进行配套，达到一个理想的效果。本文主要对风力发电液力机械传动装置的特点和设计进行一定的阐述。

1.风力发电液力机械传动装置的特点

随着科技的不断进步，风力发电机获得了很大的进步，无论是在发电方面，还是在内部的结构当中，都有较大的进步，从客观的角度来说，风力发电液力机械传动装置的出现，比原来的机械设备更有优势，并且在应用的时候，具有很强的适应性。该传动装置由主增速器、行星排和导叶可调式双涡轮液力变矩器组成：如下图：

图1：风力发电液力机械传动装置

按照图1设计出的风力发电液力机械传动装置，不仅能够采用普通同步发电机，同时还具有很多的特点，在运行的时候，也表现出了较高的水准：第一，变阻器的传动功率与其标志性几何尺寸成正比。在实际运行当中，即便是在传递大功率的时候，仍然具有体系小、重量轻、成本低优势。目前的电力需求正在不断的增大，相应的成本也有所增加，而新研究出的风力发电液力机械传动装置却能够在保持较低成本的情况下，还拥有体积小、重量轻的特点，是非常难得的。第二，变阻器的各个工作论之间有毫米的间隙，对油污不敏感，可在较恶劣的环境下持续工作。由于风力发电机需要长久运作，过去应用的装置每隔一段时间就要大修或者更换，但是全新的风力发电液力机械传动装置，不仅可以在较为恶劣的环境中工作，同时寿命较长，充分符合目前的社会需求。第三，变阻器的泵轮输入和涡轮输出通过流体传递，属于柔性传动的方式，具有减轻振动、冲击的能力，可以大大延长机械传动如齿轮箱等的寿命。此项特点，是风力发电液力机械传动装置的一个很大的优势，细小部件由于自身比较脆弱，同时在运动的过程中，多数情况处于硬性传动状态，因此寿命不长，经常需要更换。新的传动方式，能够大大减少原来的摩擦或者卡住等情况，提高部件的寿命。

2.风力发电液力机械传动装置的设计

2.1.行星排的结构参数 和

在设计风力发电液力机械传动装置的时候，首先要确定的就是各项参数，任何一项参数并不是随意的参照一些数据来决定，而是通过公式的推导计算，同时结合实际的工作情况来确定的。根据目前的设计情况来看，液力机械装置的主要参数有行星排的结构参数 和 、而风力机到行星排的主传动比为 ，还有循环圆直径D等等，液力变矩器涡轮输出转速为：

。从以上的公式来看，当行星排的结构参数 会影响变阻器工作的转速比范围，如果 变小，那么变阻器工作的转速范围也会不断的缩小。因此，在日后的工作当中，应该尽量缩小 ，这样变阻器才会高效率的工作。

2.2.其他方面

对于风力发电液力机械传动装置来说，很多的方面都会对总体的设计工作产生很大的影响。在日后的设计当中，本文认为应该按照以下几个方面来设计：首先，要控制好风力发电液力机械传动装置的效率问题，经过大量的实践和研究，如果风力机的功率有所下降，效率也会随之而下降，所以关键在于控制风力机的功率；其次，在变阻器的选择上，应该尽量选择双涡轮液力变阻器这样的高效配备，充分解决转速低等问题，避免风力发电液力机械传动装置在运作的时候，影响发电效果。第三，要将每一个部分的工作合力匹配，同时让风力机、行星排以及变阻器合理工作，互相之间不要产生冲突，尽量形成一种良性的运作方式，提高工作水平。而具体工作，还是需要结合转速、功率等等。

3.总结

本文对风力发电液力机械传动装置的特点和设计进行了一定的讨论，从现有的情况来看，设计效果还是非常显著的，并且对原有的问题进行了有效的解决。下一步的工作在于，通过目前打下的坚实基础，进一步优化工作方式，长期采用单一的运行方式，对装置会产生一定的负面影响，相信在日后的工作当中，风力发电液力机械传动装置一定会拥有更好的成绩。

参考文献：

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一、机械传动系统研究的重要性

在机械系统中工作机、原动机和传动机是其三大基本组成部分，机械系统的原动机为机械系统的运动提供了基本的动力，工作机是机械的具体功能执行系统，机械功能的种类有很多，这就使得工作机的结构形式和运动方式存在一定的差异。原动机的运动具有单一性和简单性特征，工作机的运动具有多样性和复杂性特征，二者之间存在矛盾，因此，在机械系统工作的过程中需要使用传动机将原动机的运动和动力大小、方向进行转换，将其传递给工作机，使得工作机能够正常运转。在机械系统中的原动机运动和动力输出无法满足工作机的工作要求时，就必须将传动机应用到其中。随着科技的快速发展，机械系统开始朝着高速、高效、精密、多功能的方向发展，因此，人们的生产生活中对传动机的功能要求越来越高，机械系统的工作性能、能源消耗和振动噪声大多取决与机械传动系统的性能，因此对机械传动系统进行细致的研究是十分必要的。

二、机械传动科学技术的发展历史

机械传动是机械系统的重要组成部分，在机械诞生的同时就已经出现了机械传动。早在中国古代，指南车这种早期的机械就安装有累死齿轮传动的装置。14世纪，时钟的发明促进了齿轮传动的发展，人们开始研究金属齿轮传动，并在排水装置中采用大型机械传动系统，将风力机械传动装置用于工厂生产中，推动了制造业的迅速发展。18世纪初最早的蒸汽机诞生了，被运用到矿井排水、铁路机车和加工机械中，这就意味着机械传动的需求在极大程度上得到提升，此时，以水能为动力的机械传动系统在纺织和冶金工业中得到广泛应用。19世纪末，电动机和内燃机诞生，这些原动机的产生促进了机械传动的发展，并使机械传动在船舶、制造厂、发电站和铁路机车中得到广泛应用，但是交通和工业的发展对机械传动的需求也逐渐提升，实现机械传动的可靠性成为机械工业发展的主要目标。20世纪初期，摆线齿形和渐开线齿形的齿轮传动诞生了，这些齿轮传动在船舶、铁路机车中得到应用，且对齿形机械传动的精度要求越来越高，齿轮传动设计开始受到重视和关注。20世纪40年代，渐开线和非渐开线齿轮传动的齿形计算方法得以问世，多采用几何学分析方法对其进行计算。20世纪50年代，在大量机械传动试验研究的基础上，齿轮传动设计更加精细，齿轮传动设计要充分考虑齿轮表面的接触强度、弯曲强度和荷载，并将其应用到汽轮发电机传动系统的设计中，有效提高其承载能力。20世纪60年代，机械传动被应用到宇航技术发展中，火箭推注系统对机械传动装置的要求很高，要求其具有体积小但、承载能力大的有点，从宇航飞船安全性角度出发，对宇航机械装置的可靠性要求也更高，细致研究宇航飞船中的机械传动装置和传动装置材料性能，才能确保机械传动装置在宇航技术中应用良好。20世纪70年代，机械传动研究中的空间啮合理论研究成为研究的热点，这些研究成果被应用到新型传动装置的开发中，这在极大程度上推动了机械传动的科学发展步伐。在不同工作条件下，使用齿轮油等添加剂能有效提高机械传动的使用性能，并延长其使用寿命。20世纪80年代，空间啮合理论的研究已经取得了相当可观的成果，空间啮合理论的研究已经达到了很高的水平，空间啮合齿轮受载接触分析方法诞生出来，在应力分析中得到广泛应用。此时，航空、船舶工业中的机械传动振动噪声问题成为人们关注的重点，在机械传动设计的过程中以减振降噪为主要目的，航空、船舶机械齿轮传动材料质量的控制更加严格，成本低、重量轻且性能良好的非金属材料被运用到齿轮传动系统生产中。20世纪90年代，以齿轮传动和带传动为主的力学机械传动成为业界研究的热点，研究的主要目的是减振降噪，对多种类型的齿轮传动系统进行拓展研究。

三、机械传动科学技术的研究

21世纪时科技信息高速发展的时代，先进的信息技术、能源技术、环境保护技术、新材料技术和制造技术成为科技发展的重要技术手段，这些科学研究成果和先进的技术手段成为机械传动科学技术发展的基础。

1.机械传动具有信息化和智能化特征

目前，我国的机械传动呈现出信息化和智能化特征，机械传动研究中要将先进的计算机信息技术、控制技术和机械传动技术有效的结合起来，根据机械系统中原动机和工作机效率特征、功能要求的基本特征，使用计算机技术实现机械传动的智能控制，并对机械传动功率和速比进行实时控制，实现原动机和工作机的最佳匹配和有效协调，才能使得现代化机械装备呈现出自动化、信息化和智能化特征，例如，汽车生产中广泛应用到机械传动理论，并将机械传动的信息化和智能化应用在汽车自动变速传动中。

2.机械传动动力系统具有节能和环保作用

机械传动动力系统的节能和环保既包括传动系统本身的节能环保作用，还包括机械系统中原动机和工作机的节能和环保，在机械传动系统节能环保设计上，使用无污染的剂能有效避免环境污染，并对以行星传动为代表的分流传动进行研究，使用功率流程设计方法实现机械传动系统的分流传动功率流的均载和协调。机械传动系统设计中，充分考虑原动机和工作机的节能和环保作用，根据原动机和工作机的功率和速度对传动系统进行合理设计，使原动机和工作机实现最佳匹配效果，确保原动机拥有最高效率的同时排放的污染物最少。例如在汽车生产中采用多档变速和无级变速实现汽车发动机工作的有效调节，将自动离合器和变速器构成的动力装置结合起来，确保汽车在行驶中达到节能减排的目的。混合动力汽车具有良好的节能环保功能，汽车的混合驱动系统使得汽车的使用性能更佳。

3.材料科学技术与机械传动的有效结合

21世纪的机械传动系统将材料科学应用到其中，促进科学技术的发展。随着新材料的研发，各种新材料在机械传动中的应用得到促进，在极大程度上实现了机械传动科学技术的发展和性能提高。梯度材料、高分子聚合物、智能材料等对机械传动的性能具有十分重要的影响。由表至里呈梯度变化的材料就是梯度材料，由于该类材料由表至里的变化很有规律，因此特别适合用作机械传动零件。高分子聚合物具有良好的耐磨损和性能，在机械传动中的应用较广，塑料齿轮被广泛应用到办公设备中，并且在使用的过程中无需任何介质。随着高分子聚合物复合材料种类的增多，其性能也得到提升。智能材料是通过信息技术来控制的，能有效改变其服役性能，实现机械结构智能可控性的材料。采用智能材料制作机械传动装置，能通过智能材料适时控制实现机械传动系统减振降噪的目的。

总结

通过对机械传动科学技术的发展历史和研究的分析可知，机械传动是机械系统的重要组成部分，机械传动科学技术的发展和人们的生产生活水平具有十分密切的关系。21世纪是科技信息高速发展的时代，各领域都应用到机械传动科学技术，将先进的新机技术、能源技术、环保技术和新材料技术应用到机械传动领域中，才能促进机械传动科学技术的可持续发展。

参考文献

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本研究将为读者详尽介绍新型控制策略以及新型控制策略在机械工程中的应用。为读者了解新型控制策略和机械自动化奠定良好的基础。本文会分别对二者各自的特点进行分析，也会就二者之间的关系展开探讨，这样不仅可以使新型控制策略在机械工程中得到更好的应用，也可以使新型控制策略有更宽广的发展空间，使得新型控制策略的应用体系越来越完善，加速机械工程的发展。希望本研究可以对欲在机械工程及相关领域发展的读者有一定的启示。

1 提高控制策略的重要性

传统控制策略针对的对象是精确的、不变化且是线性的，其操作条件和运行环境是确定的、不变的。随着工业应用领域的扩大，控制精度和性能要求的提高，必须考虑控制对象参数乃至结构的变化、非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变和不确定因素，现代工业控制要求达到越来越高的设计目标，并在越来越复杂和不确定的环境下进行控制，人们只有从应用数学、控制理论、工程实践等不同的角度和起点出发，对新型控制方法进行研究，才能得到满意的控制效果。从工程应用角度出发，新型控制策略主要包括：自括应控制、变结构控制、预测控制、鲁棒控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制以及遗传算法等。这些控制策略相互之间以及与各咱传统控制策略之间相互渗透、交叉和结合，又形成各式各样的复合控制策略。

2 专家控制在机械控制中的的重要性

专家控制在机械磨削精度控制中的应用在精密丝杠磨削中，为达到高精度的螺距要求，工件的回转运动和轴向运动必须满足严格的同步，才能达到高精度的螺距要求。这种同步运动在普通螺纹磨床上加工丝杠时，一般靠机械传动来实现，而且丝杠螺距精度在磨削过程中还受到环境温度、工件热变形、磨削力以及传动链误差的影响。比较由权威的就是席光辉等根据机械传动链的误差测量、特征计算，设计一个专家精度控制系统，对丝杠磨削过程实现智能补偿控制。其主要设想是实际磨削加工的动态环境下，根据产生的不同误差特征，在系统中找到一条与之相适应的控制规则，通过运用规则得到最补偿控制量，使螺距误差逐渐减小。专家控制方式是尽快纠正偏差，采用开关模式进行控制。专家，顾名思义就是在某个领域中比较有权威的人物，掌握的知识量一定比一般人要多并且精，对技术及方法的改进也有自己独到的见解。若螺距误差的趋势增大，则说明前一次补偿控制量不够，应加大补偿量来减弱增大的趋势，采用比例模式控制。若误差达到某个极值，随后逐渐减小，应减小补偿控制量，只是在原来的保持值基础上增加一个不太大的值，以保持这一输出值直到误差反向为止。此专家系统也可应用于其他类型的机床加工过程中。

3 预测控制的应用

预测控制在高速液压机中的应用高压化、高速化、低能耗、低噪音与智能化问题也已成为不前液压机的技术发展趋势。但是高速化、高压化带来的直接现象就是负载惯性增大，系统超调变大，换言之系统精度将下降。通过建立对象的预测模型，根据采样时刻及在此之前几步系统输出的历史数据，建立系统输出一步预测模型，然后再根据预测输出值计算系统误差变化率的预测值，并由此确定控制器输出，实现“提前控制”。预测控制适合在掌握的数据量较少的情况下应用，并能够精确预测出欲得到的数据。这种方法具有实用性强，计算方法简单的的优点，有很大的发展空间。基于GM（1，1）模型的灰色预测方法，依据对历史数据进行AGO累加生成，建立数据列的预测模型，通过从整体上掌握和预测系统输出数据列的动态规律和发展趋势，地系统输出进行预测。

4 鲁棒控制的应用

鲁棒控制及其在双连杆柔性臂轨迹跟踪中的应用控制系统的鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度（或对干扰不敏感的程度）。一个控制系统是否具有鲁棒性是它能否可靠地应用于工业现场的关键。柔性机械臂是一个强耦合、非线性、时变的多输入多输出分布参数系统。这类系统的固有特点是其大幅整体运动与小幅弹性振动的耦合，并且具有逆运动学不确定性及多种不确定因素，其动力学行为相当复杂，针对这样一个复杂的控制地象，同时控制连杆的整体运动及由弹性引起的振动是非常困难的。李元春等用基于假设模态法和奇异摄动理论，将系统分为慢变和快变两个子系统。在设计慢变子系统控制器时，考虑了由非线性机械结构引起的结构不确定性，利用滑模变结构控制方法设计了鲁棒控制器，鲁棒控制系统也是判断整个系统是否可靠的关键。

5 神经网络控制的应用

由于切削过程具有随机因素多、时变参数多、非线性程度高特点，难以建立其精确的数学模型，用传统的、基于被控对象精确数学模型的控制方法不能获得良好的控制效果。张英等将神经网络直接用作数控机床智能控制系统的控制器，其设计的直接作用式神经网络控制器，经切深变化实验表明：浅论新型控制策略及其在机械工程中的应用在切深发生突变这种十分不利的情况下，系统的最大超调量也只有30%左右，而且神经网络的初始值是随机发生的，实验结果说明应用神经网络控制使数控机床的加工过程控制系统具有很强的处理未知非线性被控对象的能力，而且控制性能良好，自适应能力强。神经网络控制具有很大的发展前景，这方面的人才也将会受到很大的欢迎。

6 结语

相信读者们读了本研究后一定获得了不少的启示。当然，若想要在机械领域长久的发展还需要自己不断的努力加以学习。俗话说一分辛苦一分收获，所有的成功都不是偶然的，只有在平时下了功夫当机遇来了的时候才能抓住，并一举获得成功。新型控制策略的应用也同样是这个道理，反复琢磨才会掌握的更精确更细致，以便于从小的方面下手进行突破。但愿本研究能够对新型控制策略领域及机械工程方面的学者有所帮助。

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风能作为一种清洁的可持续能源，已经成为除水电以外，技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业发展前景的一种发电方式。鉴于风机是风能转化为电能的一种重要转换装置，而双馈风力发电机占风电机组中的主导地位，这也就意味研究双馈风力发电机能流关系尤为重要。

1 概述

风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能，这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。而目前的主流机型是变速恒频机型，文章主要以双馈风力发电机进行研究。

变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈即指定子和转子都向电网馈电。

双馈风力发电机组结构图：

风能转换系统主要组成部分为风力机、传动系统，发电系统。

2 风力机

风力机是专门用来将空气动能转换为有效机械能的机械装置。风力机主要由轮毂和桨叶构成。在外界风力的作用下，风轮旋转产生机械能，但风力机只能将通过风轮扫及面的部分风能转换为机械能。

风力机汽动模型主要有两种方法：

（1）利用激盘理论；（2）利用叶素理论

激盘理论通过简单的表述解释了能量提取的过程，同时也规定了风能转换效率的理论极限，因此此部分主要针对激盘理论进行阐述。

2.1 风能的计算

设单位时间内气流流过的截面积为S的气体的体积为V，则V=Sv

如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为

上式即为风能的表达式。

在国际单位制中，ρ的单位是kg/m3；V的单位是m3；v的单位是m/s；E的单位是W。

从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流的速度的立方成正比。其中ρ和v会随地理位置、海拔、地形等因素而变。

2.2 风能转换成机械能的理论模型

风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹于1926年建立的，贝兹理论的假设如下：

（1）风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；（2）气流经过的整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向，如下图所示

设通过风轮的气流其上游截面为S1，下游截面为S2。由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而v2必然低于v1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于S1。

如果假设空气是不可压缩的，由连续条件可得

风作用在风轮上的力可由Euler理论写出

故风轮吸收的功率为P=Fv=ρSv2（v1-v2） （1）

此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为

令式（1）与（2）相等，得到

则作用在风轮上的力和提供的功率可写为

对于给定的上游速度v1，可写出以v2为函数的功率变化关系，将式（3）微分得

将上式除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率

上式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的。

能量的转换会导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数CP<0.593。风力机实际能得到的有用功率输出是

3 传动系统

传动系统主要将风轮捕获的机械能传递至发电机。传动系统由低速轴、高速轴、齿轮箱及制动装置组成，齿轮箱将风轮转速增速至适合驱动电机的转速，通常将20～50r/min的齿轮箱转速增至1000～1500r/min的发电机转速。

传动系统将叶片上的气动转矩传递至发电机轴上，使发电机得到相应的转速。

4 发电系统

4.1 发电机并网

发电机并网就是通过发电机出口开关的合闸，把发电机和电网联接起来，让电能源源不断地输送出去。

发电机并网的条件为：定子电压与电网电压的波形、频率、幅值、相位、相序等完全相同。在这些量中，定子电压的波形与相序很容易满足条件，定子电压的频率可以通过测量发电机转子转速后对转子电流频率进行控制而满足要求，定子电压的幅值通过电网电压幅值加以控制；定子电压与电网电压的相位差在发电机并网过程中影响很大，而需要消除定子电压与电网电压的相位差，只能通过调节转子电流频率来实现，因此在考虑发电机并网时需对转子电流频率严格限制。

4.2 双馈发电机

双馈电机也称交流励磁电机，它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。双馈电机是电机与电力电子技术和数控技术相结合的产物。双馈电机的定子接50Hz工频电网，转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速都可以调节变化，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。

4.2.1 双馈发电机的工作原理

双馈是指两个能量流动通道，电机定子和转子都可以与电网交换能量，实现能量从定子和转子到电网的两个通道流动。

双馈发电机正式由叶片通过齿轮箱变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PWM控制以达到定子侧输出完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同 时发出电流，以达到最大利用风能效果。

4.2.2 双馈式风力发电机的功率流向分析

双馈风力发电系统的总功率由风力机及机械传动部分的特性决定。

以变速恒频风力发电系统为例，在该系统中，发电机的定子直接接入电网中，转子通过由两个背靠背的连接的电压型PWM变换器组成的交直交变换器与电网相连。

双馈电机工作的阶段分为次同步和超同步两个阶段，再加上转子侧的转差功率的传递方向的不同，我们可以把双馈发电机的功率分为四个不同的状态，即超同步发电、超同步电动、亚同步发电以及亚同步电动。而文章主要针对超同步发电和次同步发电两种发电状态进行阐述。

双馈电机转差率s=■，其中为n1为同步转速， n 为电机转速。当s>0时，双馈电机工作于亚同步发电运行状态，当s<0时，双馈电机工作于超同步运行状态。

（1）超同步发电状态

超同步就是指转子转速超过电机同步转速时的一种运行状态，我们称之为正常发电状态。

（2）亚同步运行状态

亚同步状态即为转子转速低于同步转速的运行状态，称之为补偿发电状态。

通过比较可看出，超同步时Pmech>P1，亚同步时有Pmech

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[中图分类号]G [文献标识码]A

[文章编号]0450-9889（2013）02C-0079-02

一、国内汽车行业发展态势和高职汽修课程现状分析

汽车工业已经成为我国国民经济的支柱产业，根据国家统计局数据显示，2011年末全国汽车产销量仍突破1800万辆，连续蝉联世界第一，我国汽车保有量突破2亿辆。高速发展的汽车生产和售后维修业需要大量懂汽车机械技术、汽车电气电子控制、微芯控制技术和售后服务技术的高技能复合人才。然而，我国目前高职汽修专业的课程存在许多问题。首先，由于长期受普通高等教育模式的影响，缺乏与行业、企业的有效合作，一些高职汽车类专业人才培养模式与行业标准相距较远，而且专业教材滞后于汽车技术的发展。其次，学校普遍存在着专业教学设备陈旧、专业课程设置不合理、知识面狭窄、重机轻电和重理论轻实践的现象，专业教学考核缺乏行业标准，人才培养目标与社会人才需求标准严重脱节。要改变这种状况，就要基于行业技术动态标准，整合汽车专业课程设置，以解决目前突出的问题。一方面汽车行业、企业不认可学校的专业教学；另一方面学生难学、教师难教，教学低效，从而导致“就业难、用工荒”的供求失衡，这就是专业课程改革的两个基本出发点。

目前，课程设计导致理论课的教学效果比较差，理论课在前、实践课在后，学生学习理论时，由于缺乏实践体验，往往感觉理论知识很空洞、抽象，难以理解，因而不感兴趣。尽管老师用了大量多媒体等现代教学手段，但仍然解决不了这一问题；而学生顶岗实习时，在没有系统学习理论和基本技能的情况下，实习效果更不理想。这种理论与实践脱节的教学课程体系，势必造成教育资源的浪费。要实现教师“要他学”到学生“我要学”的转变就必须对课程进行改革整合。

二、围绕能力培养，加强课程整合

课程建设与改革是提高教学质量的核心，也是教学改革的重点和难点。然而，高职工科在课程设置上存在文化课比重偏大（约占30%以上）、专业实作课偏少和社会实践的量不够的现象。缺乏实训课和社会实践，学生的动手能力、专业技能和社会实践能力难以得到培养和提高。因此，高职汽修教育要积极与行业企业合作开发课程，根据技术领域和职业岗位（群）的任职要求，参照相关的职业资格标准，改革课程体系和教学内容。建立突出职业能力培养的课程标准，规范课程教学的基本要求，改革教学方法和手段，融“教、学、做”为一体，强化学生能力的培养。本文就高职学生分数低、自我学习能力差和思维理解能力不强的现状，结合学院实训设备有限的条件，以汽修专业的课程整合为例探讨课程整合实践。

（一）纯理论课程转化为理实一体化的课程整合

1.汽车材料课程与汽车构造及拆装课程的有机整合。汽车材料是一门纯理论的专业基础课，如果是单独作为一门课程来上，学生会感觉枯燥乏味，但将其与汽车构造及拆装课程整合到一个课程模块，就完全是另一番景象，在拆装汽车各部件时，讲解各部件的名称、作用、工作原理的同时就可以顺便讲解这些零部件所用到的材料及其刚度等，直接把材料的性能等概念知识融入模块教学中，学生很容易理解。强制灌输的教学方式改变后，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的综合思维能力。

2.汽车机械基础、液压与气压传动与汽车机械维修课程的渗透整合。汽车机械基础课程涉及力学、机械传动、液压传动等知识，液压与气压传动课程对汽修专业的学生来讲，主要是掌握油阀和气阀的结构、作用和工作原理，气路、油路的走向以及机件的工作原理，这些都是逻辑思维比较缜密的知识，高职学生更加难以理解和掌握。为了解决这一难题，我们把三门课程整合，在讲维修的过程中把涉及的配合间隙、力矩、气路、油路等知识穿插在里边，学生就比较容易接受，并能把各门课的知识、技能有机地融会贯通。例如，若先学完汽车机械基础和液压与气压传动理论知识，再学汽车机械维修，学生由于汽车机械基础和液压与气压传动的理论性太强，学习兴趣不浓，学习效果差，这就使学生难将先前学过的知识、技能迁移到新课程的学习，这样就浪费那两门课的时间，而整合后既节省了时间，也培养了学生学会运用旧知识和技能建构新知识、新技能的能力，学会分析解决问题的能力，提高了学生的学习兴趣和学习、工作效率，从而解决了老师因理论课难教、学生因理论课乏味难学的怪圈。

（二）强化理实一体化课程的整合。提高教学效率

理实一体化教学能提高学生的学习兴趣，教学效果好。但在实践过程中，原来定的一些课程单独作为一门课程教学效果挺好，但实施“2+1”教学模式总感觉专业课时少、课程多，很难完成专业教学任务。为此，把两门理实一体化课程进行整合，充分运用多媒体、网络等现代化教学手段和实物教学手段，构建“理实一体”课堂，使学生动脑动手，理论实践融会贯通，知识和技能同步养成。例如，对汽车空调课程和汽车电器与电子控制技术课程进行整合，适当地增加课时量。汽车空调和汽车电路知识本身就是分不开的，整合后还可以通过整车的运行情况，分析电路、气路和水路等相关问题，这样学生思考的问题就比较全面，而不是单一的汽车空调问题。、学生思考问题的思路开阔了，可以有效地解决问题，有利于培养学生的整车故障分析思维。同时，避免了汽车空调作为一门课程占72个学时的课时浪费；整合后，学生有更多的时间学习更多的知识和技能。

（三）完善课程整合，提高教学、教研、评价水平

高职工科专业课程教材的滞后性，决定了工科专业课程的内容难与发展的行业需求相吻合，这就要求我们在课程实施的过程中，对教学内容和考试内容不能仅仅依附于教材，要基于行业标准和学生个性能力发展，突出培养学生的“动手能力”和“岗位能力”。为此，我们应该根据“基础统一、选修放开”的专业课程管理原则（例如，全体学生以“汽车维修工中级证”为“基础统一”、“汽车维修工高级证”或技师证为“选修放开”），对基础课程实行统一管理、统一考试，做到基础统一。经过我们多年的实践与完善，各自制定出比较详细的课程标准（课程大纲），把教学的范围和内容固定，教师根据大纲撰写计划和教案，避免出现课程内容丢失的现象。针对学生将来学习、发展所必需的课程，对其评价与考核可以在校内甚至更大范围内实行统一管理。对选修课程实行选修放开，即培养学生的专业能力、岗位能力等方面的课程，其内容的编排以模块为主，教学方法以项目教学为主，考核与评价则由社会、学校、教师、学生等方面结合，根据岗位能力要求进行自主选择，适时考核，提倡更多地采用在工作现场对学生在工作过程中的表现进行的表现性评价。整合后的理实一体化课程评价和课程标准，避免了部分教师授课的随意性（部分教师经常在一个模块的教学中，会出现把整合进的内容忘记讲解），也激发了教师自编教材，撰写课程标准（课程教学大纲），把专业授课的范围和内容固定，并根据大纲撰写计划和教案，提高了课程教学质量。

三、校企合作。优化工学结合～体化课程

工学结合的理论实践一体化课程是将理论学习和实践学习结合成一体的课程，它的核心特征是“理论学习与实践学习相结合；促进学生认知能力发展和建立职业认同感相结合科学性和实用性相结合，符合职业能力发展规律与遵循技术、社会规范相结合学校教育与企业实践相结合”，学生通过对技术（或服务）工作的任务、过程和环境所进行的整体化感悟和反思，实现知识和技能、过程与方法、情感态度与价值观学习的统一。

在工学结合理实一体化课程中，我们主要采取的是项目课程、任务引领型课程和工作过程系统化与学习领域课程。

项目课程是师生通过共同实施的一个完整的“项目”工作而进行的教学活动，它既是一种课程的形态，又是一种教学方法。项目课程的基础是学习任务，全程“学习与工作任务”，即“用于学习的工作任务和内容是工作的学习任务”。我们根据开设的课程性质选择项目式教学的教材，便于教师的教学工作。例如，“柴油机的安装调试”，我们安排学生在柳州恒达机械公司进行一周“课程实习”（每天安排1小时的理论，7小时的实训），在实训“项目”中，教师和企业专家指导，穿插讲授相关的理论知识、专业技能和行业技术标准，加深了学生的理解和掌握，由于学生带着“任务”，从而激发了兴趣，调动了思维，强化了“动手”，提高了能力。

“任务”引领型课程，是指以工作任务为中心来组织课程内容，基本思路是用工作任务引领知识、技能和态度（的学习），改变把知识、技能与工作任务相剥离的传统格局，让学生在完成工作任务的工程中学习相关知识，发展综合职业能力。

工作过程系统化课程是指让学生有机会经历完整的工作过程，获得与实际工作过程有着紧密联系的、带有经验性质的工作过程知识。

学习领域课程是把学习理解为理论和实践一体化的职业能力发展过程，为学生提供一个能对理论和实践进行整体化链接的综合性工作任务和工作过程。例如，在安排汽车营销、汽车4S店管理的教学中，根据汽修专业与东风柳汽、上汽五菱、柳州“广本4S店”的合作，将这两门课程整合，放到企业进行，使学生在企业的课程实习中身临其境，在企业技术人员、教师的指导下，加深对课程教学知识、技能的掌握，既积累了工作经验，也促进学生利用业余时间自学相关的汽车专业知识和技术，提高了综合能力。

通过汽车专业的课程整合实践，专业教学更贴近行业标准，缓解了学生难学、教师难教的弊病，学生学到了知识和技能，也了解了企业的运作，促进了职业素养的养成，提高了专业能力。当然，这些课程整合不能实现真正意义上的实习课程化，同时在管理方面存在一定的困难，特别是一年的“顶岗实习”，因为学生比较分散，教师不能在固定的实习单位指导，个别学生可能会出现偷懒的现象，在这方面的管理和后续的课程整合有待我们继续改革实践。

篇6

中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）02-0016-04

连杆凸轮减速器具有传动效率高、承载能力大、出轴形式灵活、刚性好、性价比高等特点。该减速器在一定程度上吸纳了渐开线齿轮减速器和摆线针轮减速器的优点。但是，该样机在试验中所产生的噪音比较大，而噪音是由于机器的振动所产生的。振动现象是机械结构系统经常遇到的问题之一。对于大部分系统来说，都不希望有振动的发生，振动会造成结构的共振或结构疲劳而破坏。然而，由于结构本身具有某种程度的刚性，所以其固有振动频率及振型是结构必须了解的特性之一，进而避免外力频率和结构的固有频率相同或接近，以防止共振现象的发生。

本文从模态分析的角度、利用工程分析软件ANSYS进行数值模拟分析，以期得到连杆凸轮减速器箱体的固有频率和相应的振型，从而为更深入的噪声分析研究做一个基础性的工作。

1 连杆凸轮减速器的工作原理及结构设计

1.1 工作原理

图1是自由度为1的连杆凸轮组合机构。即将平行四边形机构ABCD的连杆BC与差动凸轮机构的凸轮1（或者推杆2）制成一个构件，凸轮1（或者推杆2）的几何中心位于连杆的铰链B处，与凸轮接触的摆动推杆2（或者凸轮1）的回转中心在固定铰链A处，摆动推杆2（或者凸轮1）的回转中心与凸轮1（或者推杆2）的几何中心的距离等于主从动曲柄3、5的长度。

1.凸轮 2.摆动推杆 3.凸轮 4.机架 5.曲柄

图1 连杆凸轮减速器的工作原理

由于在平行四边形机构ABCD中，连杆作平动，其上各点的轨迹形状、速度、加速度均相等，所以固连于连杆BC上的凸轮1（或者推杆2）的几何中心B点的轨迹是以A为圆心，以曲柄长度为半径的圆。这样设计的目的是当曲柄3带动连杆上的凸轮1（或者推杆2）作圆平面运动，其廓线应推动摆动推杆2（或者凸轮1）匀角速转动某一给定角度，实现减速传动。

在图1所示的机构中，当曲柄5带动与连杆BC固联的凸轮1作圆平面运动时，凸轮1上的廓线推动推杆2转动某一给定角度，只要凸轮廓线设计恰当，则推杆2可以实现等速转动。为了使传动连续进行，借用一齿差原理即给凸轮基圆上一周均匀分布Z1个廓线，推杆构件2上一周均布Z2个推杆，Z2＝Z1＋1，组成特殊的一齿差高副，从而实现连续等速传动。

1.2 结构设计

为了实现上述组合机构运动方案，同时尽可能地减小结构尺寸，确定的连杆凸轮减速器结构如图2所示。连杆凸轮减速器主要由主动曲柄1、推杆2、凸轮连杆7、从动曲柄3、输出轴5和箱体（机盖）共六部分组成。其主体结构为两根高速轴，它们对称地布置在低速轴（输出轴）的两侧。

1.输入轴 2.滚子 3.凸轮 4.均载装置 5.输出轴 6.高速轴 7.从动曲柄 8.推杆 9.主动曲柄

图2 连杆凸轮减速器的结构

2 模态分析的理论基础

模态分析是以振动理论为基础，以模态参数为目标的分析方法，是研究系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过一定的手段确定这些系统模型的理论及应用的一门学科。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

由弹性力学有限元法可知，系统的运动方程为：

（1）

式（1）中，、、分别为节点位移向量、速度向量和加速度向量；F（t）为节点动载荷向量；[M]、[K]、[C]分别为系统总体质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵。

若无外力作用，即F（t）＝0，则得到系统的自由振动方程。在求结构自由振动的频率和振型即求结构的固有频率和固有振型，阻尼对它们影响不大，因此，阻尼项可以略去，这时无阻尼自由振动的运动方程为：

（2）

结构的自由振动可视为一系列简谐振动的迭加，因而可以假设（2）式的解的形式为：

（3）

式（3）中，[]为振幅列阵；为简谐振动频率；为时间变量。

将（3）代入式（2）并消除因子，得到无阻尼模态分析求解的基本方程：

（4）

式（4）中，[K]为刚度矩阵振型；为第i阶模态的振型向量（特征向量）；i为第i阶模态的固有频率（特征值）；[M]为质量矩阵。

上式有解的条件为：

（5）

式（5）称为结构的特征方程，求解该特征方程可得到n个特征值，，…，，以及对应每个特征值的n个线性无关的n维特征列向量，，

…，。

3 连杆凸轮减速器箱体的模态分析过程和结果

ANSYS软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件，能够进行包括结构、热、流体、声场、电磁场等多学科的研究，其中模态分析包括建模、划分网格、施加载荷、求解、扩展模态和查看结果等几个步骤。

3.1 建立箱体的模型

据所给出的零件图，在三维软件Pro/E中分别建立机座和机盖零件的三维模型，再装配在一起，得到的三维模型图如图3所示，并将该装配文件“.asm”格式以保存副本的方式保存为“.igs”格式。要特别注意的是，为了使导入到ANSYS中的模型能够被ANSYS所识别，对于零件上的一些小结构如倒角、圆角、拔模斜度等将被忽略。

3.2 定义单元及相关参数

定义单元类型为“Solid186”，该单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，该单元通过20个节点来定义，每个节点有3个沿着x、y、z方向平移的自由度。SOLID186具有二次位移模式，可以更好地模拟不规则的网，例如通过不同的CAD/CAM系统建立的模型。

根据箱体的材料为HT200，查阅相关资料，得到该材料的弹性模量E＝120GPa、泊松比μ＝0.25、密度ρ＝7340kg/m3。这里值得注意的是，PROE和ANSYS这两种软件的默认长度单位不同，PROE在建立零件三维模型时的单位是“mm”，ANSYS中的单位是“m”；当从PROE中将模型导入到ANSYS中时，单位变得和PROE中的一样，都是“mm”了，如果这时输入的是“1.2e11”和“7.34e3”，就会出现计算出的固有频率非常小，显然这和实际是不相符的。

经过单位换算：E＝120GPa＝1.2e11N/m2＝

1.2e11×e-6N/mm2＝1.2e5N/mm2

ρ＝7340kg/m3＝7.34e3kg/m3＝7.34e3×e-9kg/mm3＝7.34e-6kg/mm3

图3 机盖、机座的装配模型 图4 划分网格后的箱体

3.3 划分网格

连杆凸轮减速器箱体采用水平剖分式，由机座和机盖组成，由灰铸铁铸造而成。由于采用多个螺栓连接使机盖机座之间不会产生相对移动，因而建立箱体整体式的模型，所以，导入后用布尔运算中的“和”运算将机盖和机座合二为一，成为一个整体，然后进行划分网格，对箱体模型共划分了134246个单元，得到如图4所示的网格模型。

3.4 施加约束及指定分析类型并求解

连杆凸轮减速器箱体在实际安装中是联接到固定的工作台上。为了能够准确地反映连杆凸轮减速器箱体的实际状态，箱体的边界条件取为箱体底面和与工作接的4个螺栓孔以及台阶孔的台阶面，它们的自由度为全部约束，即“ALL DOF”。

指定分析类型为“modal”，方法为“Block Lanczos”，设置为10阶扩展模态，求解并查看结果，得到连杆凸轮减速器箱体的10阶固有频率和相应的振型。

图5 输出的10阶固有频率

图6 箱体前10阶模态对应的振型

4 结语

（1）利用Pro/E建立的箱体简化模型，导入到ANSYS中进行了模态分析。

（2）利用ANSYS的模态分析模块所提供的Block lanczos方法，得到了连杆凸轮减速器箱体的10阶固有频率和相应的振型等固有振动特性。

（3）连杆凸轮减速器箱体的10阶固有频率在16.142～66.897Hz之间，随着频率的增加，振型愈复杂。

（4）在箱体的底板处于全约束的状态下，最大振动及最大相对位移主要发生在箱体的机盖上，而且在箱体上有突缘的部位，这几个部位是产生噪音的部位和最有可能被破坏的部位，为箱体的进一步深入研究奠定基础。

参考文献

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数控机床作为一种高精度自动化设备，其能否安全可靠运行，在很大程度上取决于机床的正确使用和日常维护。而数控机床的身价从几十万元到上千万元，一般都是企业中关键产品关键工序的关键设备，一旦出现故障导致停机，其影响和损失往往是很大的。为了保证机床长期安全平稳地运行， 降低维修费用，应及时发现和消除隐患，从而提高企业的经济效益。但是，人们对这样的设备往往更多地是看重其效能，而对合理地使用不够重视，更对其保养及维修工作关注太少。日常不注意对保养与维修工作进行创造和投入，出现故障临时抱佛脚，既耽误时间又浪费金钱。因此，为了充分发挥数控机床的效益，我们一定要重视维修工作，创造出良好的维修条件。

一、提高工作人员的素质和专业知识

由于数控机床是由工作人员（操作者）来操作的，出现问题也是有工作人员（维修人员）来修理，所以要创造良好的维修条件，首先要保证工作人员的素质条件。这就要求工作人员首先要具有高度的责任心和良好的职业道德，能全身心地投入工作。其次作为维修人员知识面要广，不仅要掌握基本数控知识，而且要学习并基本掌握有关数控机床电气控制的各学科知识，如计算机技术、模拟与数字电路技术、自动控制与拖动理论、控制技术、加工工艺以及机械传动技术，同时要掌握一门外语，特别是英语，起码应做到能看懂技术资料。第三，维修人员应经过良好的技术培训。不仅要培训数控技术基础理论知识，而且要参加相关的培训班和机床安装现场的实际培训，然后向有经验的维修人员学习，更重要且更长时间的是自学。在培训过程中还要勇于实践。要积极投入数控机床的维修与操作的工作中去，在不断的实践中提高分析能力和动手能力，同时学习并掌握各种电气维修中常用的仪器、仪表和工具。最后要掌握科学的方法。要做好维修工作光有热情是不够的，还必须在长期的学习和实践中总结提高，从中提炼出分析问题、解决问题的科学的方法。当维修人员具有了这些素质后，数控机床一旦出现故障就能很快排除，从而提高了数控机床的使用效能。

二、具备维修所需的物质条件

要创造良好的维修条件不仅要保证工作人员的素质条件和专业知识，而且还要考虑维修所需的物质条件。这就需要准备好通用的和某台数控机床专用的电气备件，非必要的常备电器元件的采购渠道要快速畅通，同时要有必要的维修工具、仪器仪表等，最好配有笔记本电脑并装有必要的维修软件。每台数控机床应配有的完整的技术图样、资料以及使用、维修技术档案材料等。

三、要对数控机床进行预防性维护

除了要创造良好的维修条件，还要对数控设备进行预防性维修。顾名思义，所谓预防性维修，就是要注意把有可能造成设备故障和出了故障后难以解决的因素排除在故障发生之前。预防性维修一般来说应包含：设备的选型、设备的正确使用和运行中的巡回检查。

首先，在设备的选型中，应从维修角度来选择数控设备。除了考虑设备的可用性参数外，还应考虑其可维修性参数。可维修性参数应包含：设备的先进性、可靠性及可维修性技术指标。先进性是指设备必须具备时展水平的技术含量；可靠性是指设备的平均无故障时间、平均故障率，尤其是控制系统是否通过国家权威机构的质检考核等；可维修性是指其是否便于维修，是否有较好的备件市场购买空间，各种维修的技术资料是否齐全，是否有良好的售后服务和维修技术能力，是否具有合理的性能价格比等。这里特别要注意图纸资料的完整性、备份系统盘、PLC程序软件、系统传输软件、传送手段、 操作口令等，缺一不可。对使用方的技术培训不能走过场，这些都必须在定货合同中加以注明和认真实施，否则将对以后的工作带来后患。另外，如果不是特殊情况，尽量选用同一家的同一系列的数控系统，这样，对备件、图纸、资料、编程、操作 都有好处，同时也有利于设备的管理和维修。转贴于

其次，要坚持设备的正确使用。数控设备的正确使用是减少设备故障、延长使用寿命的关键，它在预防性维修中占有很重要的地位。据统计，有三分之一的故障是人为造成的，而且一般性维护（如注油、清洗、检查等）是由操作者进行的，所以要加强设备管理、使用和维护意识，加强业务、技术培训，提高操作人员素质，使他们尽快掌握机床性能，严格执行设备操作规程和维护保养规程，保证设备运行在合理的工作状态之中。对于数控机床来说，合理的日常维护措施，可以有效的预防和降低数控机床的故障发生几率。

第三，要提高数控机床的利用率。 数控机床如果较长时间闲置不用，机床的各运动环节就会由于油脂凝固、灰尘甚至生锈而影响其静、动态传动性能，从而降低机床精度，严重者会导致油路系统的 堵塞，影响数控机床的使用。所以，在没有加工任务的一段时间内，最好经常以较低速度对机床进行空运行，至少也要经常给数控系统通电，甚至每天都应通电。

最后要坚持设备运行中的巡回检查。根据数控设备的先进性、复杂性和智能化高的特点，使得它的维护、保养工作要比普通设备复杂且要求高的多。维修人员应通过经常性的巡回检查，如CNC系统的排风扇运行情况，机柜、电机是否发热，是否有异常声音或有异味，压力表指示是否正常，各管路及接头有无泄漏、状况是否良好等，积极做好故障和事故预防，若发现异常应及时解决，这样做才有可能把故障消灭在萌牙状态之中，从而可以减少一切可避免的损失。

总之，数控机床是企业中关键产品关键工序的关键设备。为了充分发挥数控机床的效益，我们一定要重视维修工作，创造出良好的维修条件。虽然数控机床的系统种类繁多，但是各类数控机床的保养方法基本相同。只要操作者与维修人员做到认真操作，精心维护，就可以及时发现和消除隐患，减少维修费用，从而保证了数控机床更长时间安全可靠的运行，切实贯彻了设备管理以防为主的主导思想，从而有效的保证和提高了企业的经济效益。

参考文献

[1]陈蕾、谈峰，浅析数控机床维护维修的一般方法［J］，机修用造，2004.

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关键词： 减速器箱体；数值模拟；振动特性；模态分析

Key words: reducer box；numerical simulation；vibration property；modal analysis

中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）11-0022-02

0 引言

机械减速器是机器的重要组成部分，主要用于将原动机的运动和动力传递给工作机，并改变原动机运动的速度和形式、力或力矩的大小与方向，使之适应各种工作机的需要，其动力学特性对整个传动系统的动态性能有极大影响[1-3]。本文基于有限元分析技术，对现有的3R02型减速器产品进行静力学计算和模态分析，为动力学修改和优化设计提供了依据。

1 箱体静力学分析

1.1 箱体三维实体建模 本文按照现有变速器箱体的二维CAD图纸，用SOLIDWORK三维造型软件进行三维实体建模，在建模过程中：1）忽略各处过渡圆角和螺纹孔；2）简化对于静力学分析不产生影响的一些结构，如箱体的吊耳、标牌、用于冷却的油槽孔等，最终得到如图1所示的变速箱装配三维模型，图2为变速器箱体三维模型。

1.2 网格划分和材料属性 本文采用10结点二次四面体SOLID92单元，根据本文所研究对象的特点，兼顾效率和计算精确度，采用混合网格划分的方法对网格进行划分，即先采用自动网格划分，再进行局部细化。划分后的箱体的有限元网格模型如图3所示。

在有限元分析中，必须定义材料的弹性模量、泊松比和密度。本文箱体材料为HT250，泊松比μ=0.3，杨氏模量E=1.123×105Pa，密度为ρ=7.29×103kg・m-3。

1.3 约束条件和载荷施加 根据减速器的实际固定情况，将本计算中的约束将分别加在四个地脚螺栓孔的凹台上，并约束其所有自由度，使箱体不能产生刚移和转角。

箱体所受到的力主要是通过轴承传递，受力如图4所示。轴承座处的径向力Fr均按余弦函数分布处理，如图5所示。而轴向力按圆周方向均布处理。

q（θ）=cosθ（-60°θ60°） （1）

式中：P―轴承座所受的力；

R―轴承座的半径。

1.4 计算结果与分析 施加完载荷和约束后，进行求解。计算后结果见图6-8所示。从图6可知，箱体的整体变形幅度并不大，主要的变形产生与最大轴承孔与中间轴轴承孔的连接处，故应当在优化设计中加强此处连接强度，防止疲劳裂纹出现。由图7mises等效应力场分布图可以看出，对于箱体的绝大多数地方，其所受应力较小，最小处仅为22.3MPa，说明材料还能抵抗更大的破坏能力，设计趋于保守。由位移场等值线图可知，在箱体x方向，箱体的位移从两侧向最大轴承孔表现出由小到大的变化趋势。最大位移出现在最大轴承孔边缘，达到了0.148×10-3mm，而在施加全约束的4个地脚螺栓处位移最小，大约为0.792×10-7mm。

2 箱体模态分析

2.1 模态分析理论 由振动理论可知，机构以某一频率振动时所表现出的振动形态称模态，所表现出的形状称为振型。机构的动力学问题都是以模态理论为基础的[4-7]。模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量[8]。

结构整体动力平衡方程为：

[M]+[C]+[K]δ=F（t） （2）

式中：[M]―构件的总体质量矩阵；

[K]―构件的总体刚度矩阵；

δ―节点位移列阵；

―节点位移对时间的2阶导数。

对于无外力作用的箱体模型，在求解结构自由振动的固有频率和振型时，阻尼对其影响不大，属于典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题，因此上式变为：

[M]+[K]{δ}=0 （3）

其解的形式为：

{δ}={}sin（ωt+θ） （4）

将上式左乘{}T得

[K]-ω[M]{}=0 （5）

式中{}为n阶向量，ω为特征值，将n个特征值按升序排列0ωω…ω，ω为结构第i阶固有频率。与特征值ω对应的特征值向量为，为结构的第i阶主振型。

2.2 箱体模态数值模拟结果 ANSYS提供了7种方法模态提取方法，本文采用Block Lanczos法进行求解。计算了减速器箱体的前10阶固有频率和振型。下面给出了典型振型，即第1，2，4，9阶的振型变形云图，如图9所示。

在这些振型的变形云图中，色温图表示变形的程度，蓝色为变形程度最小，红色表示变形程度最大。由此可以清楚的得知在各阶时减速器箱体各个部分的变形情况。图9（a）显示的是箱体第一阶振型，其固有频率为380.52hz，总振幅为0.21mm，表现为整体沿Z 轴的扭转，箱体的左上方发生显著的变形。图9（b）显示的是箱体第二阶振型，其固有频率为560.09Hz，总振幅为0.17mm，表现为沿X轴的弯曲，箱体上部两端变形显著。图9（c）显示的是箱体第四阶振型，其固有频率为813.88Hz，总振幅为0.26mm，表现为箱体前后面的反向摆动，在输出轴与中间轴的连接处变形较大，容易引起应力集中断裂。图9（d）显示的是箱体第9阶振型，其固有频率为1318.1Hz，总振幅为0.38mm，表现为箱体前后面在x-y平面的扭动，在箱体上部盖板周围出现较大的变形。表1所示为前10阶固有频率和振幅。

由以上振型分析可以看到，箱体不仅有X方向的摆动，而且存在Z方向的摆动，这些振动将影响箱体的强度和刚度，加重箱体的磨损，影响使用寿命。因此，在设计过程中应适当增加刚度和阻尼来抑制此类振动的影响。箱体的动态特性对箱体系统在承受动态载荷时正常工作的能力有决定性作用，对箱体的模态分析可以得到箱体的固有频率和振型，基于此可以深入分析箱体在各种动态激励下的响应。在结构动态分析中，各阶模态所具有的权因子大小与该模态频率的倒数成反比关系，即频率越低，权重越大，这说明低阶模态特性基本决定了产品的动态性能。这主要是由于低阶频率段较容易与外界条件耦合，同时结构件的低阶振型产生的影响较高阶振型严重。从第六阶模态开始，其固有频率远大于其激励频率，因而箱体不会产生共振。而在低阶频率，当外界的激励频率与其自然频率一致时，振型图中的红色区域将会承受较大的位移和应力，应当尽量避免。

3 结论

本文根据3R02型减速器实际结构及工况，采用相应实体建模和有限元分析软件，分别进行了箱体静力学分析和模态分析，得到如下结论：

①箱体工况中整体变形幅度不大，主要的变形出现在最大轴承孔与中间轴轴承孔的连接处，故应当在优化设计中加强此处连接强度，防止疲劳裂纹出现。

②箱体总体结构所受应力较小，说明材料抵抗破坏的能力还具有较大的潜力，设计趋于保守，有较大空间优化减薄箱体壁厚。

③从振型分析结果可知，箱体同时存在X方向和Z方向的摆动，这些振动将影响箱体的强度和刚度，加重箱体的磨损，影响使用寿命。因此，在优化设计过程中应适当增加刚度和阻尼来抑制此类振动的影响。

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篇9

1. 数控设备使用中应注意的问题

1.1 电源要求。 为了避免电源波动幅度大（大于±10%）和可能的瞬间干扰信号等影响，数控设备一般采用专线供电（如从低压配电室分一路单独供数控机床使用）或增设稳压装置等，都可减少供电质量的影响和电气干扰。

1.2 操作规程。 操作者一定要按操作规程操作。机床发生故障时，操作者要注意保留现场，并向维修教师如实说明出现故障前后的情况，以利于分析、诊断出故障的原因，及时排除。

数控机床不宜长期封存不用，购买数控机床以后要充分利用，尤其是投入使用的第一年，使其容易出故障的薄弱环节尽早暴露，得以在保修期内得以排除。在没有教学任务时，数控机床也要定期通电，最好是每半个月通电1-2次，每次空运行1小时左右，既可以对系统进行充分的循环，同时也能及时发现有无电池报警发生，以防止系统软件、参数的丢失。

2. 数控机床电气系统的维护保养 数控机床种类多，各类数控机床因其功能，结构及系统的不同，各具不同的特性。其维护保养的内容和规则也各有其特色，具体应根据机床种类、型号及实际使用情况，并参照机床使用说明书要求，制订和建立必要的定期、定级保养制度。下面是一些常见、通用的日常维护保养要点。

2.1 数控系统的维护。 （1）应尽量少开数控柜和强电柜的门。 在机加工车间的空气中一般都会有油雾、灰尘甚至金属粉末，一旦它们落在数控系统内的电路板或电子器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及电路板损坏。有的用户在夏天为了使数控系统能超负荷长期工作，采取打开数控柜的门来散热，这是一种极不可取的方法，其最终将导致数控系统的加速损坏。

（2）定时清扫数控柜的散热通风系统。 应该检查数控柜上的各个冷却风扇工作是否正常。每半年或每季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象，及时清理，避免引起数控柜内温度过高。

（3）直流电动机电刷的定期检查和更换。 直流电动机电刷的过度磨损，会影响电动机的性能，甚至造成电动机损坏。为此，应对电动机电刷进行定期检查和更换。数控车床、数控铣床、加工中心等，应每年检查一次。

（4）及时备份数据。 一般数控系统内对CMOS RAM存储器件设有可充电电池维护电路，以保证系统不通电期间能保持其存储器的内容。在一般情况下，即使尚未失效，也应每年更换一次，以确保系统正常工作。电池的更换应在数控系统供电状态下进行，以防更换时RAM内信息丢失。大部分数控设备都有CF卡记忆卡接口，应对每台设备配备记忆卡，将数据更新备份好，这样即使数据丢失也能快速恢复。

2.2 维修工作的基本条件。 由于数控机床日常出现的多为电气故障，所以电气维修更为重要。数控机床电气维修工作的快速性、优质性关键取决于人员的素质条件。

（1） 要学习并基本掌握有关数控机床电气控制的各学科知识，如计算机技术、模拟与数字电路技术、自动控制与拖动理论、控制技术、加工工艺以及机械传动技术，当然还包括上节所讲的基本数控知识。

（2）数控技术基础理论的学习，首先是参加相关的培训班和机床安装现场的实际培训，然后向有经验的维修人员学习，而更重要且更长时间的是自学。

（3） 勇于实践但要避免盲目。要积极投入数控机床的维修与操作的工作中去，在不断的实践中提高分析能力和动手能力。

（4） 掌握科学的方法。要做好维修工作光有热情是不够的，还必须在长期的学习和实践中总结提高，从中提炼出分析问题、解决问题的科学的方法。

（5） 学习并掌握各种电气维修中常用的仪器、仪表和工具。

（6） 掌握一门外语，特别是英语。起码应做到能看懂技术资料。

3. 维修与排故技术 数控机床的电气故障可按故障的性质、表象、原因或后果等分类。

3.1 以故障发生的部位，分为硬件故障和软件故障。硬件故障是指电子、电器件、印制电路板、电线电缆、接插件等的不正常状态甚至损坏，这是需要修理甚至更换才可排除的故障。而软件故障一般是指PLC逻辑控制程序中产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至修改PLC程序方可排除的故障。零件加工程序故障也属于软件故障。最严重的软件故障则是数控系统软件的缺损甚至丢失，这就只有与生产厂商或其服务机构联系解决了。

3.2 以故障出现时有无指示，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。当今的数控系统都设计有完美的自诊断程序，时实监控整个系统的软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警或者还有简要文字说明在屏幕上显示出来，结合系统配备的诊断手册不仅可以找到故障发生的原因、部位，而且还有排除的方法提示。机床制造者也会针对具体机床设计有相关的故障指示及诊断说明书。上述这两部分有诊断指示的故障加上各电气装置上的各类指示灯使得绝大多数电气故障的排除较为容易。无诊断指示的故障一部分是上述两种诊断程序的不完整性所致（如开关不闭合、接插松动等）。这类故障则要依靠对产生故障前的工作过程和故障现象及后果加以分析、排除。

下面把电气故障的常用诊断方法综列于下。

（1） 直观检查法这是故障分析之初必用的方法，就是利用感官的检查。

① 询问。向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果，并且在整个分析判断过程中可能要多次询问。

② 目视。 总体查看机床各部分工作状态是否处于正常状态（例如各坐标轴位置、主轴状态、刀库、机械手位置等），各电控装置（如数控系统、温控装置、装置等）有无报警指示，局部查看有无保险烧煅，元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落，各操作元件位置正确与否等等。

③ 触摸。 在整机断电条件下可以通过触摸各主要电路板的安装状况、各插头座的插接状况、各功率及信号导线（如伺服与电机接触器接线）的联接状况等来发现可能出现故障的原因。

④ 通电。 这是指为了检查有无冒烟、打火、有无异常声音、气味以及触摸有无过热电动机和元件存在而通电，一旦发现立即断电分析。

（2） 信号与报警指示分析法。

① 硬件报警指示。 这是指包括数控系统、伺服系统在内的各电子、电器装置上的各种状态和故障指示灯，结合指示灯状态和相应的功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方法。

② 软件报警指示。 如前所述的系统软件、PLC程序与加工程序中的故障通常都设有报警显示，依据显示的报警号对照相应的诊断说明手册便可获知可能的故障原因及故障排除方法。

4. 电气维修与故障的排除 （1） 电源。 电源是维修系统乃至整个机床正常工作的能量来源，它的失效或者故障轻者会丢失数据、造成停机；重者会毁坏系统局部甚至全部。

（2） 数控系统位置环故障。

① 位置环报警。可能是位置测量回路开路；测量元件损坏；位置控制建立的接口信号不存在等。