机械系论文十篇FB体育 FB体育平台

　　可变功能机械系统由不同的分功能组成，且功能间会发生耦合。笔者基于FBS概念设计模型对可变功能机械系统进行研究，先将各分功能独立，分别建立自顶向下的设计模型，即先对功能进行分解，由功能-行为映射求解得到相应的行为层级结构，分析相应的行为模型，得出映射层结构方案。可变功能机械的FBS模型详解如图1所示。在研究可变功能机械系统时，本研究将分功能到行为和行为到结构的映射并行研究，功能总和代表了各分功能不同模型的集合，系统实现其中一个功能时，另一个分功能处于待用模式，为加以区分，用功能符号“F”+“i”（数字）代表分功能序号，用“or”（或者）连接各分功能。之后本研究建立分功能的层级结构及相应的功能分解模型、行为过程层级结构及其行为过程模型，最后进行映射求解。这种并列的设计过程存在交集，即这些分功能间具有耦合性，系统的功能分解有部分相似，例如当农用拖车的连接器连接不同的耕作设备可以完成不同的生产功能，施肥机可以进行移动施肥，洒水机完成浇灌工作等，系统的动力功能和传动功能并未发生改变，改变的仅是执行端的功能。本研究将相似的功能结构和行为结构以及方案层的具体实施构件组合用虚线连接，代表它们之间存在的特殊联系。为具体表达该设计过程中的模型联系，基于经典相似理论中对序结构的定义，本研究将系统要素按一定组成规律、一定顺序出现的序列结构称为序结构，序结构与系统有着紧密的联系。根据可变功能机械系统概念设计层次，笔者对序结构进行特征分析，分为功能序结构、行为序结构以及方案序结构。由于篇幅原因，本研究仅对功能分解和行为结构的序结构表达进行描述，并构建相似模型。

　　2.1功能序结构和行为序结构模型相似包括功能相似以及行为相似，功能具有相同的效果不代表行为也具有相似性。研究系统相似度时需要衡量功能相似度和行为相似度不同的权重值，建立相似模型，从系统的角度将不同的功能及其行为映射用序结构表达出来，用系统要素的方式进行模型构建。功能是表达系统特性最抽象的方式，功能的表达需满足：（1）能根据给定要求表示设计者的意图；（2）能准确描述满足设计要求的设计对象；（3）能被定性或者定量地评价，并可以测定设计意图的满意度。功能的系统要素为能量、物质和信息，每个功能要素都有其输入和输出，因此可以运用“输入流-输出流”的方法进行功能描述。功能要素在时间和空间上有一定的顺序，即功能序。本研究将功能序的关系进行分类，分别有组成关系、时序关系和因果关系如图2、图3所示。时序关系又有顺序关系，并存关系。功能序是功能序结构的基础组成。在概念设计模型中，功能是一个模糊而粗糙的概念，而行为相对而言更为具体，能激发设计者的灵感，引导设计者保证三大流（即物质、能量、信息）的有序流动，不违背自然规律。行为的系统要素包括运动学要素、力学要素和能量要素。结合目前行为结构的表达方法，本研究统一用“输入流-输出流”的方式表达行为序结构。行为可以分为基本行为和组合行为。基本行为对应基本结构，较为简单；组合行为由基本行为构成，包括运动转换行为、执行行为、检测行为、控制行为等，这些基本行为通过一定的顺序连接起来形成组合行为。行为序就是指这些基本行为和组合行为间的连接，行为序结构则表达了行为序间的连接关系。行为序结构分类如图4所示。行为序的关系有以下几种：①串联顺序关系；②并联同时关系；③选择发生关系。

　　2.2基于序结构的相似模型构建由相似第一定律即序结构定律可知，不同类型、不同层次系统存在一定的序结构，当系统序结构存在共同性时，系统之间出现相似特性，相似性大小随序结构的共同性程度增大而上升，反之则下降。上节已将可变功能机械系统概念设计中的功能层和行为层用序结构进行表达来探索功能和行为的相似性，本节在此基础之上运用数学建模对相似度进行计算。可变功能机械系统具有一定的相似性，即相似度大于零，某些功能或行为能通过改变一些系统组成就能形成新的功能系统，若是没有相似性即相似度为零，那么整个分功能系统就转变成了多功能的单个系统的集合，不在本研究的研究范围之内。本研究将系统或者系统的一部分进行序结构构建和分析之后，为每个序进行编码，用eik表示序要素的集合，要素包含属性和特征值，属性由所属功能或者行为的输入输出流决定，i是分功能编号，k是序的编号。相似序的概念是将分功能序结构的要素和特征联系形成两两组合的有序偶，用(e1k,e2k)表示。相似度由相似序的个数和相似序对相似的影响权重所决定，相似度以q表示，相似序个数决定的相似度为q1，影响权重决定的相似度。权重的分配也是相似度量的重要环节之一，主要包括主观权重分配方法和客观权重分配方法。相似序模型分析之后根据经典相似理论进行数学建模，系统的总相似度由功能、行为和结构的相似度综合得出。本研究根据所建立的序结构进行系统知识表达，计算可变功能间的相似性，设机械系统共有两个可变分功能，特征参数取自输入输出流的类型和数值，如功能的能量类型和所代表的数值等，对整个系统进行相似模型构建，并计算相应的相似度数值。相似求解模型如图5所示。建模的一般步骤可表述如下：（1）分别对分功能系统进行层次划分，建立基于功能或者行为结构的模型。可用输入流输出流的方式按2.1节所述分别建立分功能的具体模型，对应的序结构统计如表1所示。

　　笔者选取典型的可变功能机械系统进行研究，选取如图6所示的机床作为研究对象，通过更换不同的刀具执行机构可以获得钻孔，扩孔和铰孔3个不同的功能。可以看出，这是一种通过改变系统执行机构达到改变功能的情况。本研究按上文所述的步骤进行分析，首先由系统的可变功能得到功能的序结构模型，所建立的模型如图7所示。表3所示机床的可变功能由更换执行机构来实现，在系统层面上达到了改变功能的要求。本研究按上文所述，根据所建立的序结构模型，通过分析相似要素应用公式（1~3）得到系统功能级的相似度数值。

　　现代机械种类繁多，其结构形式千差万别，结构的复杂性也在逐渐增大。机械系统在功能上划分，可以分为传动系统、动力系统、操纵系统、执行系统、控制系统等，而每一个系统又可以根据需求的不同来细化为更小的子系统。与传统机械设计不同的是，现代机械设计在设计过程中不仅要对机械工作的原理、运动方式、能量传递方式等各个方面进行计算、分析、构思，同时还必须要在进行设计的过程中运用仿生学、控制论、美学、价值工程等多种科学知识，将这些看似与机械无关的科学知识，运用在机械设计中，从而使得机械在市场中获得更好的竞争力。

　　计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）技术是电子信息技术的一个重要组成部分。因其具有计算机高速运算和快速绘图的强大功能而被广泛应用到工程设计及产品设计服务中，从根本上改变了传统的手工设计绘图方式，让设计人员从绘图板、绘图铅笔、丁字尺这些传统的设计工具中解脱出来，不仅降低了劳动强度，更是极大地提高了产品开发的速度和精度，使得科技人员的智慧和能力得到了延伸。计算机具有运算快、计算精度高、有记忆、逻辑判断、图形显示以及绘图等功能，而人们则具有丰富的经验、无穷的智慧和非凡的创造力，两者相结合，有效地提高设计质量，缩短设计周期，极大地创造社会效益和经济效益，推动社会文明的进步。CAD系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统是计算机辅助设计技术的物质基础；软件系统作为计算机辅助设计技术的核心，决定了系统所具有的功能。软件分为系统软件、支撑软件和应用软件。系统软件处于整个软件的核心内层，它的作用是对计算机资源进行自动管理和控制，主要包括操作系统和数据通信系统等。支撑软件又称为软件开发工具，是一种软件工具系统，它的作用是帮助人们高效率开发应用软件。应用软件是用于解决各种实际问题的程序，它是用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件自行编制的。计算机辅助机械设计首先要建立数学模型，虽然对于一般的机械零件有现成的数学模型可以使用，但对于没有数学模型的就需要建立正确的数学模型，这是成功进行设计的第一步；接下来，根据手工计算的步骤设计程序框图；然后根据程序框图用高级语言编制程序；最后进入程序调试环节，程序编好后，要对源程序及程序适用范围的边界、转折点进行试算，试算与手算结果要完全吻合。

　　现代化机械设计正在向智能化、柔性化、系统化、信息化发展，而不再是把实现机械某一个单一的功能来作为设计的目标。从系统的角度为着眼点，机械系统设计过程中，为了让机械产品能够创造更高的经济效益和社会效益，必须要在产品制造技术、功能、性能等方面，充分利用先进的技术，让产品的结构产生质的飞跃。在对传统机械设备改造的过程中，系统化设计和控制技术的应用成为了不可或缺的重要因素。人们对于机械产品的功能的需求随着科学技术的飞速发展日益增多，这就导致了机械构造变得越来越复杂，产品寿命期逐渐缩短，机械产品更替的频率逐渐加快。尽管如此，机械产品实际上所展现出的功能仍然无法满足现代社会的需要。现在，计算机辅助设计已经广泛应用于整个产品设计的过程中，从最初的设计计算，到设计绘图，再到生产规划和加工制造，计算机辅助设计都充分表现了独特的优势并且成果喜人。然而，对于产品开发初期方案的设计，计算机辅助设计还是有着不足，不能完全满足设计的预期需求。如何让整个机械设计更加系统化，设计过程更有规律性，从而更好的应用计算机辅助设计，这是必须要考虑的问题。于是，系统化设计法应运而生，采用这种设计方法，可以将设计任务由抽象到具体，由浅入深进行层次的划分，然后对每一层次的既定目标和所采取的方法进行规划。系统化设计法的优势在于，每一个设计都是相对独立却又保持着有机的联系，这些个设计结合在一起，就构成了完整的机械系统设计。为使设计工作科学有效的进行，在机械系统过程中，首先要把一机械系统分解为若干个子系统，各个子系统相对比较简单，相互之间存在着联系，各子系统还可再分解为更小的子系统，以此类推，直至可以满足设计和分析的需要。系统分解时需要注意：首先要把握好分解数和层次。分解数太少和太多都不可以，太少则导致子系统仍很复杂，不利于进行模型化和系统优化，太多又会对总体系统的综合造成难题。其次，分界面不能过于复杂，可以在要素间结合枝数（联系数）较少和作用较弱的地方选择分界面。此外，通常机械系统工作时，能量、物料和信息三者之间存在着转换关系，从系统输入到系统输出的过程中，按一定的方向和途径流动，不可以中断或产生紊流，即便分解成各个子系统，它们的流动途径仍应畅通和明确，在设计过程中，必须保持能量流、物料流和信息流的合理流动途径。最后，需要了解到，系统分解与功能分解的不同。系统分解时，它把具有比较密切结合关系的要素结合在一起，其结构组成虽稍微简单，但其功能往往还有多项，每个系统仍是一个系统。而功能分解时，是按功能体系进行逐级分解，直至不能再分解的单元功能。

　　摘要：本文介绍了国家电动工具制造行业骨干企业宁波经济技术开发区中强电动工具有限公司cims工程实施与应用过程中的经验，为宁波市、浙江省制造企业实施cims提供了可借鉴的模式。

　　1993年正式投产的中强电动工具有限公司在我国电动工具制造行业竞争近乎白灼化的今天不仅站稳了脚跟，而且实现了产量和销售平均每年递增35%以上的快速增长，人均产值及利润连续多年在全国同行业中处于领先水平，目前已成为中国首屈一指的各类中高档电动工具专业制造商，拥有员工20xx人，年产值10亿元。中强公司的优势在于秉承“以人为本，科技创新”的立业理念，采用最有效的管理模式，集约社会资源，拥有产品市场和技术开发两大核心竞争力，而核心竞争力的背后则是拥有完善和强大的it体系。

　　中强公司的cims工程主要由计算机网络 / 数据库分系统、工程设计（cad）分系统、产品数据管理（pdm）分系统、企业资源计划（erp）分系统等四部分组成，包括：

　　工程设计（cad）分系统：二维cad绘图设计已完全普及，引进三维设计软件并逐步应用在新产品造型设计、总体设计、结构设计、零部件设计及总体装配等工作中，大大加快了设计开发进程，并提高了设计质量，优化了产品设计，缩短了产品开发周期。

　　产品数据管理（pdm）分系统：采用上海思普信息技术有限公司开发并由宁波联科电脑技术有限公司实施的产品数据管理（sipm / pdm）系统和图档管理系统 edm，有效地解决了设计流程、技术资料的规范化，技术信息传递、流转、反馈快速流畅，并保证了数据的完整性、安全性和保密性，目前已运行在公司产品设计部门，实现了产品设计、工作流程的无纸化管理。

　　企业资源计划（erp）分系统：采用宁波万通软件公司erp系统，并分批实施了制造数据管理、销售管理、技术工艺管理、生产计划、车间作业、物料需求计划、采购管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、设备管理、计件工资成本管理、pdm接口等一系列子系统，此外还开发实施了基于internet的订货管理子系统，作为销售管理子系统的上游子系统，为其提供数据。

　　系统集成：在基本完成各分系统应用后，对整个项目的系统集成进行了安装和调试，目前，整个系统已经可以集成运行，实现了cad、pdm和erp的信息集成。

　　通过cims工程的实施，中强公司在管理上已逐步形成一套快速响应市场变化、满足客户需求的企业内部运行机制，实现了产品销售、技术开发、生产计划、物料管理、财务管理等各个部门业务管理计算机化。

　　在中强公司cims工程中，主要应用软件均采用了国产软件，如intelcad和pdm软件是上海思普信息技术有限公司的自主软件产品，erp系统选用的是万通软件有限公司自主研究开发的erp系统软件，国产软件费用占软件总费用的70%以上。选用国产软件主要是基于以下考虑：

　　2.1 考虑中国国情。国外有许多好的管理软件，但是拿到中国后多数都不太适用，有些企业就是勉强用了也用不好。究其原因，主要是中国的企业管理水平和现状很难与国外软件的标准管理模式融合。企业花了很大的代价，花了很长的时间，实施的结果是弃之不舍，留之难用。中强公司选用的这些应用软件有较多的国情化处理，比较符合中国企业的实际情况，技术上较成熟，在国内有广泛的用户，且软件公司具有雄厚的技术实力和丰富的实施经验，技术支持力度强。

　　2.2 考虑投入产出。企业做任何事情都要考虑投入产出，要考虑风险，国外软件动则几十万上百万美元，对国内企业来讲是一个不小的负担，同时也增加了软件实施的风险，还有软件今后的升级费用等问题，都需要企业认真考虑。目前，国产软件（如两维cad、pdm、erp等）的水平有了很大的提高，已能够满足国内企业实际工作的需要。

　　2.3 考虑售后服务。软件特别是象erp、pdm这样大型软件的实施都会有一个较长的周期，企业应用咨询、软件原理培训、软件应用培训、软件客户化修改都是必不可少的，国外软件高昂的技术支持费用是国内企业难以承受的，更难长时间承受。同时国外软件的封闭性使国内企业的软件人员很难进行修改和变动。而国产软件则不同，尽管国产软件也要收取技术支持费用，但其收费标准国内企业可以承受，而且国产软件其源代码相对开放，较大的客户化变动委托给软件公司，一般性的修改完全可以由企业自己来解决。

　　当然，国产应用软件也不是十全十美，今后应该在专用界面、决策支持、特别是pdm软件在工程项目中的管理与控制、安全性管理、工作流的 并发机制处理、多bom视图形成等方面还须不断改进和提高。

　　中强公司应用国产软件实施cims工程，不仅提高了企业管理水平，同时也获得了良好的经济效益。直接经济效益如表一所示。

　　l 规范了企业的基础管理和运作方式，使公司建立起科学的管理体系和快速反应的企业经营机制，推动了企业管理流程的规范化、制度化，使各部门职责更加明确、科学合理。

　　此外，中强公司cims工程所产生的社会效益也是显著的，一方面为宁波市、浙江省制造企业实施cims提供了可贵的经验和可借鉴的模式，具有广泛的示范意义和推广应用价值，另一方面，为国产软件的发展和完善提供了机遇和舞台，树立了国内企业使用国产软件的信心，促进了国产软件的不断发展和提高。同时，实施cims工程，使中强公司产品更具有市场竞争能力，能以较高性价比的产品满足日益增长的市场需要，为加速我国电动工具行业的发展贡献了力量。

　　微电子机械系统主要结构有微型传感器、制动器以及处理电路。其是一种微电子电路与微机械制动器结合的尺寸微型的装置，其在电路信息的指示下可以进行机械操作，并且还能够通过装置中的传感器来获取外部的数据信息，将其进行转化处理放大，进而通过制动器来实现各种机械操作。而微电子机械系统技术是以微电子机械系统的理论、材料、工艺为研究对象的技术。微电子系统并不只是单纯的将传统的机电产品微型化，其制作材料、工艺、原理、应用等各个方面都突破了传统的技术限制，达到了一个微电子、微机械技术结合的全新高度。微电子机械系统是一种全新的高新科学技术，其在航天、军事、生物、医疗等领域都有着重要的作用。

　　传统机械加工技术的最小单位一般是cm，而微电子机械系统技术下的机械加工往往最小单位已经涉及到了微米甚至纳米。这以尺寸的巨大变化使得微电子机械系统技术下的原件具有微型化的特点，其携带方便，应用领域更加广阔。

　　微电子机械系统技术下的原件实现了微型化为器件集成化提供了有力的基础。微型化的器件在集成上具有无可比拟的优势，其能够随意组合排列，组成更加复杂的系统。

　　微电子机械系统技术下的器件都是使用硅为基加工原料。地面表面有接近30%的硅，经济优势十分明显。硅的使用成本低廉这就使得微电子机械系统技术的下的器件成本大大缩减。硅的密度、强度等于铁相近，密度与铝相近，热传导率与钨相近。

　　微电子机械系统技术几乎涉及到所有学科，电子、物理、化学、医学、农业等多个学科的顶尖科技成果都是微电子机械系统技术的基础。众多学科的最新成果组合成了全新的系统和器件，创造了一个全新的技术领域。

　　体微机械加工技术主要将单晶硅基片加工为微机械机构的工艺，其最大的优势就是可以制作出尺寸较大的器件，最大的弊端是难以制造出精细化的灵敏系统。并且使用体微加工工艺难以优化器件的平面化布局，制作出来的器件难以与微电子线路直接兼容。体微机械加工工艺一般在压力传感器和加速度传感器的制造中普遍应用。

　　表面微机械加工技术就是通过集成电路中的平面化技术来实现微机械装置的制造。其主要优势表现在充分利用了已有的IC工艺，能够灵活掌握机械器件的尺寸，因此表面为微机械加工技术与IC之间是兼容的。表面微机械加工技术与集成电路的良好兼容性使得其在应用领域实现了快速普及。

　　复合微机械加工技术就是体微机械技工技术与表面微机械加工技术的结合，其结合了两者的优点，但又同时避免了相应缺点。

　　微电子机械系统技术下的微型设备可以在环境监测和数据处理分析上发挥巨大的作用。由化学传感器、生物传感器以及数据处理系统所集合的测量与处理设备。该微型装置可以用来监测空气和液体的成分，其独特优势在于尺寸微小，便于携带。

　　纳米器件所构成的装置先要对半导体器件运行速度高，携带方便，信息输出和处理快捷，在军事领域其能够用来制作各种微型设备，例如“蚊子导弹”、“麻雀卫星”等。

　　在临床化验分析、介入治疗领域其也能够实现巨大的价值。近几年获得发展的介入治疗技术与传统治疗技术相比临床治疗效果优越，能够有效缓解患者痛苦。但是当前介入治疗仪器价格高，体积巨大，准确性难以保证，尤其是在治疗重要器官时风险较大。微电子机械系统技术的微型与智能特性可以显著降低介入治疗的风险。

　　机械设备是工业自动化生产设施，用其取代人工参与生产活动具有实用性特点，帮助企业解决高难度生产操作任务。随着工业生产与制造规模扩大化，机械设备工作期间产生的能耗系数越来越大，这与机械传动系统效能存在直接关系。对机械传动产生影响的主要因素有：（1）结构因素。当前，机械设备已广泛应用于不同领域，在工业制造与生产中发挥重要作用，自动化控制系统是主要模式。不同机械设备对内部结构要求不一样，机械传动能耗系数过大，很大一部分原因是由于内部结构不合理，机械零部件配合系数低，导致整台设备运行速率地下。机械传动有带传动、链传动、齿轮传动等不同方式，若传动结合组合不科学则会影响工作效率。（2）操作因素。实际应用阶段，操作人员掌控设备方法不标准，容易造成机械零部件损耗过大，传动系统运行带来的能耗量过大。例如，数控机床操作人员对主轴控制不稳定，传动部件启动后出现磨损，整台机床工作效能将受到很大的影响。对于手动机械来说，人工操作水平直接决定机械传动作业效率，一旦出现失误则会增大能耗系数。（3）保养因素。除了日常使用外，后期保养对机械系统功能也有很大的影响，也是降低系统能耗系数的一大原因。机械化工程普及背景下，机械设备取代人工操作是必然趋势，长期依赖机械设备也导致荷载量大增、故障率提高、维修次数增多。而后期保养措施不当将增加传动系统的能耗指标，对人员及设备安全构成威胁。

　　机械传动系统是机械系统的核心构成，传动机构的工作效率对整个机械设备运行有直接性影响。为了顺序现代机械工程改造要求，必须要提出切实可行的节能设计改造方案，维持机械工程运行速率的稳定性。结合常见的机械传动方式，其节能设计改造方法：（1）齿轮传动。齿轮传动是依靠主动齿轮依次拨动从动齿轮来传递动力的，齿轮传动节能设计的要点是保证齿轮瞬时角速度比始终保持稳定。定轴齿轮系在工作时所有齿轮的回转轴线固定不变。设计人员可根据齿轮传动类型详细设计，以最优齿轮组合方式执行传动工作。例如，从零部件耗损率控制角度考虑，设计改造时可按照两齿轮传动时的相对运动为平面运动、空间运动，再将其分为平面齿轮传动、空间齿轮传动，选择最高效的方式作为机械设备动力来源，减少了齿轮啮合磨损。（2）蜗轮蜗杆传动。涡轮蜗杆传动效率偏低，且零部件磨损较大，长时间运行会出现不同程度的故障问题，阻碍了机械设备的稳步运行。在节能改造设计中，可用专用工具安装或拆卸，禁止用锤子敲击减速机部件；根据公差配合要求装配蜗轮输出轴；严格采用原厂配备的齿轮和蜗轮蜗杆进行成对更换；在空心轴上涂红丹油或防粘剂，防止配合面积垢和过度磨损产生的生锈。（3）带传动。机械设备选用带传动系统具有安装便捷、易操控等特点，但是带传动长时间处于高速、高温旋转状态下，易容易出现断裂、耗损等问题。节能设计中，需对主动轮、从动轮、环形带等进行优化设计，进而提高传动机构的稳定性。（4）链传动。链传动由主动链轮、从动链轮和环形链条组成，环形链条作为中间挠性件装在平行轴上，动力和运动的传递依靠链轮轮齿与链条的啮合动作完成。一般来说，链传动节能设计与改造需注意链条、链轮的高效搭配。例如，链传动工作时，为了便于链条联成环形时内、外链板正好相接，链接数一般取偶数；为了便于链接的啮合，链轮轴面齿形两侧应设计成圆弧状；链传动接头处需要用开口销或弹簧夹夹紧。链传动节能设计要考虑传动机构形式，合理控制小链齿轮数量，小链齿轮数尽量多一些。

　　机械工程快速发展趋势下，人们对机械系统结构组合形式展开深入研究，如何在满足机械系统工作性能前提下，通过优化系统结构以实现节能化控制，这是现代机械科技改造的先进趋势。机械传动系统防护也是节能改造设计的一部分内容，可综合防范机械故障发生带来的异常损耗。（1）齿轮传动。传动系统是机械设备的核心部分，能够为整台装备提供足够的动力来源，维持内部元器件持续运转。为了保证传动系统工作的连续性和稳定性，避免传动系统零部件产生异常工况造成的危险事故，齿轮传动机构必须安装全封闭的防护装置。（2）皮带传动。动力是维持一切机器设备运行的基本条件，传动系统是机械设备创造动力的根源。皮带传动装置可以采用全封闭型防护装置或带有金属骨架的防护网，也可以采用防护栏杆，从而保证皮带传动的耐用性和连续性。（3）联轴器。除了对机械设备直接性的改造设计，还要注重设备使用后期的综合养护，才可不断延长设备的使用寿命。联轴器需要加装防护罩，确保其在工作时不被破坏，从而延长使用寿命，比如Ω型防护罩；安全联轴器可以保证其在工作时没有突出的部分，确保联轴器的工作安全。

　　联手农机合作社从2013年开始开展“包修制”业务。主要包修机具是小麦联合收割机和玉米联合收获机。目前，“包修制”费用被定为3个档次：一是使用期限在1~2年的联合收割（获）机包修费用为1200元/年，二是使用期限在2~3年的联合收割（获）机包修费用为1500元/年，三是使用期限在3年以上的联合收割（获）机包修费用为1700元/年。2013年，参加中心包修业务的农机具共有210台，其中小麦联合收割机189台（使用期限在2~3年的机具达到60%；使用年限在1~2年和3年以上的机具分别占到20%）。全年包修营业额达到31万元，占到维修总营业额的55%。

　　截至目前，参加中心“包修制”的机具达到230台，有逐年增加的趋势。使用年限在2~3年的农机手参加“包修制”的积极性高，其主要原因：一是“三包”期限的延续，在“三包”期后，机手对维修保养知识未能掌握，机具出现故障的频率较高，自行寻求维修费用大；二是维修质量能够得到保障，参加“包修制”的机具，可得到生产厂家提供质量比较信赖的维修配件，维修质量能够得到保障；三是机具性能能够得到有效恢复，参加“包修制”的机具经过全面系统的检修和保养，能够使整机性能达到最佳状态，以“高效、低耗、安全”投入作业，使其达到利润的最大化。因此，使用2~3年的农机手参加“包修制”的积极性较高。

　　联手农机合作社自从2013年开展包修业务以来，在包修过程中积累了一些经验，其成员认为继续开展这项工作很有必要，但还尚存在着如下问题需要加以解决。（1）参加“包修制”机具数量少，企业效益较低。临渭区目前有3000余合收割机，加入合作社“包修制”的机具仅仅只有230台，没有形成规模效益，维修成本较高。例如，2013年合作社“包修制”收入31万元，其成本就高达30万元，利润微薄。

　　（2）合作社“包修制”服务质量有待提高。这项工作刚刚开始，由于宣传、服务等工作跟不上，使大多数机手处于观望状态，未能积极参与到“包修制”之中。

　　（3）缺乏技术人才。目前从事农机维修业的维修人员太少。从事农机维修业工作劳动强度大、工作环境差，所以无人愿意干，往往在维修旺季都招不到维修人员，给维修工作的开展带来不应有的损失。

　　（4）设备大。合作社每年场地租赁费6万元，每年设备折旧费达到20%（约6万元），人工费用每年达到30万元，日常性开支（包括水、电、文印）6万余元，因此合作社每年正常开支需要近50万元。以目前收费标准看，包修机具数量达到600台以上才能实现盈利。

　　（1）加强管理，降低成本。要通过对维修工时定额的重新审核和先进维修工艺的引进推广，降低作业成本，提高维修效益。

　　（2）做好宣传，扩大规模。要通过“包修制”机具的示范宣传，提高农机手对“包修制”的认知度，以调动机手参加“包修制”的积极性，扩大规模，提高效益，把这项有利于促进农机维修业发展和提高机具技术状态的工作做好做实。

　　【摘要】本文阐述了驱动桥齿轮机械闭式试验台对加载器功能的特殊要求，对现有加载器的诸多方案进行了对比、选择，最终研制出完全满足美国、日本驱动桥齿轮试验规范要求的新型加载器及其测控系统。

　　一.引言： 随着国内外汽车工业的飞速发展，我厂齿轮研究所产品试验室现有的驱动桥齿轮机械闭式试验台，已经不能满足主机厂驱动桥齿轮试验的规范要求。其别是北京吉普汽车有限公司生产引进美国、日本技术的吉普轿车驱动桥齿轮的试验规范对转速和扭矩的要求。为此我厂决定对现有驱动桥齿轮机械闭式试验台进行改造，改造后的试验台运行转速要达到20__ r/min.；加载扭矩要达到20__ nm。试验台为了达到这一技术指标，现有的液压加载器已不能满足试验规范的要求，于是研制一种新型加载器和测控系统便提到议事日程。二.加载器概述：在机械闭式试验台中，加载器是很重要的部件。这是因为封闭回路中的负荷要靠它造成，另外其性能还直接影响试验台的主要技术经济指标。因此多年来，人们对它所下的功夫很多。甚至很大程度上可以认为，数十年来机械闭式试验台的发展其实质就是加载器的发展。据统计，现今国内外经使用证实行之有效的加载器多达数十种。适用的加载器种类虽然多，但是按动力学原理可将加载器分为三大类：1.简式加载器；2.支反力式加载器；3.力矩式加载器。在每一大类里又有诸多结构形式的加载器，下面有代表性地列举一些，详见下表1：表1 加载器分类一览表种类分 类型别结 构 特 点备 注简式加载器非差动简式(联轴节式)ⅰa普通刚性联轴节见图－1ⅰb蜗杆传动付，壳和轮封闭，蜗杆施载见图－2ⅰc弹簧联轴节，螺钉施载ⅰd大导程方牙螺旋齿花键联轴节，液压轴向施载ⅰe扇型齿花键（或称叶片式摆动油缸）液压联轴节见图－3ⅰf带偏心重块的齿轮联轴节ⅰg滑轮绕绳式联轴节，砝码施载差动简式(离合器式)ⅱa普通盘状摩擦离合器ⅱb液力偶合器支反力式加载器支反力式ⅲa斜齿圆柱齿轮传动箱，一齿轮轴向施载ⅲb两套螺旋相反参数相同斜齿齿轮传动箱ⅲc带惰轮直齿圆柱齿轮箱，惰轮平移动施载ⅲd为单级链传动ⅲe为两套相同链传动ⅲf蜗轮传动箱，轮和杆封闭，蜗杆轴向施载ⅲg带有悬挂重砣杠杆的平衡减速器，重砣加载见图－4皮带传动ⅳ平皮带（三角皮带）传动力矩式加载器非差动ⅴa同轴式啮合传动x[h],w[b] 为封闭端,y[a]施载见图－13（a）ⅴb同轴式啮合传动 为va方案封闭端对调,y[a]施载见图－13（a）ⅴc同轴式啮合传动 x[a],y[b]为封闭端,w[h]施载见图－13（c）ⅴd同轴式啮合传动 x[a],y[b]为封闭端,w[h]施载见图－13（e）差动ⅵa同轴式啮合传动 y[a],x[h]为封闭端,w[b]施载见图－13（a）同步传动ⅶa同轴式啮合传动a[h1 a1 ],b[b2]为封闭端, c[a1]施载见图－5ⅶb同轴式啮合传动a[a1b2],b[v2]为封闭端, c[h1]施载 见图－6ⅶc同轴式啮合传动 a[a2],b[b1b2]为封闭端,c[h1]施载见图－7ⅶd同轴式啮合传动a[b1b2],b[h2]为封闭端,c[a1]施载见图－8衡量一种加载器的好坏，可按如下各项性能要求满足情况来评定：1.结构简单；2.结构紧凑；3.冷加工工艺性良好；4.装配工艺性好；5.对零件材质及热处理无过高要求；6.维护保养简便；7.能在试验台运转中改变封闭端力矩的大小；8.能在试验台运转中改变封闭端力矩的方向；9.改变封闭端力矩大小操作简便；10.改变封闭端力矩方向操作简便；11.在试验台长期运转中封闭端力矩值能稳定维持；12.施载运动行程角允许值无限；13.具有力素放大能力；14.运转中能耗极小；15.运转中震动与噪音很小；16.通用性良好，可以方便地串入任何封闭回路中；17.施载装置及其控制系统简单。其中1～6为结构性能，而7～16为使用性能。用这17项性能要求来衡量上表中所列26种加载器方案的优缺点，列表2如下：表2： 加载器方案性能对比一览表型号1314151617ⅰa√√√√√√×××××√×√√√√ⅰb√√√√√√×××××√√√√√√ⅰc√√√√√√×××/××√√√√√ⅰd√√√√√√√√√√√×√√√√√ⅰe×√×√×√√√√√√××0√√0ⅰf√√√√√√0/0/√×√√√√√ⅰg√×√√√√√/√/√0×√×√√ⅱa√√√√××√√√√×√××××√ⅱb×√×√×√√√√√√√××√×√ⅲa√×00×0√√√√√×√0××√ⅲb××00×0√√√√√×√0√√√ⅲc×××××0√√√√√××0××√ⅲd√×00×0√×√×√×××××√ⅲe√×00×0√×√×√×××√√√ⅲf×××0××√√√√√×××××√ⅲg√×00×0√×√×√×××××√ⅳ√×00√0√0√00√××√×√ⅴa×000×0√√√√√√√√××√ⅴb×000×0√√√√√√√√××√ⅴc0000×0√√√√√√×0××√ⅴd000××0√√√√√√√0××√ⅵa×000×0√√√√0√×0××0ⅶa×√××√√√√√√√√√√√√×ⅶb×√×0√√√√√√√√√√√√×ⅶc×√××√√√√√√√√√√√√×ⅶd×√×0√√√0√0√√√√√√0种类如此繁多的加载器之所以能够共存，是由于它们各自有其特点与适用范围。现重点介绍几种常用的典型加载器，例如：1.扭杆式加载器是简式加载器的一种，其结构见图－1。在突缘处是一对普通刚性联轴节，通过扭杆使两个半联轴节相对扭转一个角度位移，然后将其锁紧，这样在系统内就施加了载荷。它的缺点是不能在运转过程在加载。由于结构简单，50年代～60年代初期，国内汽车变速器试验中应用较多。在德国慕尼黑工业大学尼曼教授所创建的齿轮试验室已把这种加载器所构成的试验台标准化，并用这种试验手段进行了30多年有价值的试验。 图－1 图－22.扭角调节器是也是简式加载器的结构之一，见图－2所示，其内部结构实际上是一套蜗轮传动付，其扭转角度不受限制，且可以自锁。缺点是只能靠人力在静止状态加载。

　　图－33.液压加载器是我厂研制，使用已有30多年的另一种简式加载器。其结构由液压箱、摆动油缸及控制器构成。见图－3所示，摆动油缸的扭矩由液压推动叶片产生，叶片数一般为2～4片，当叶片数为3时，转角为100°。扭矩范围为500～6000nm，其扭矩随液压变化的规律比较稳定，适用于程序控制，载荷可以精细调节，也可以反向加载，缺点是扭转角受限。它在简式加载器中应该是一种操作轻便、性能较好的加载装置。4.摇摆箱式加载器是属支反力式的一种加载器，在国内早期应用较广。其结构见图－4，带有悬挂重砣杠杆的平衡减速器，在重砣q作用下，驱使齿轮1和齿轮2按箭头所示方向转动，但是齿轮3、4阻止其转动，遂使齿轮互相咬紧。这样，封闭系统内就被施加上了载荷。这种加载方式结构简单，可以在运转过程中调整和测量施加的载荷。但是增大扭转角度，改变载荷方向困难；且在运转中发生明显的抖动，影响试验的准确性。

　　图45.如图－5所示是一种美国格里申公司在50年代研制的世界上最早出现的同轴力矩式加载器，它是由两套同轴式啮合传动系统串联而成[见图－13(d)、(f)]]，施载装置为双向作用控制式微电机，传递扭矩方向可以任意改变。6.如图－6所示是前苏联60年代研制的另一种同轴力矩式加载器，它是由两套相同的同轴式啮合传动系统串联而成[见图－13 (g)]，施载装置为双向作用控制式微电机。后由全苏建筑与道路研究所对 这种加载器作了系列化设计，极限封闭端力矩为250～10000nm;封闭端转速达1400～2500r/min;施载电机功率为0.093～0.6kw;两级传动比达13300：1。7.如图－7所示是某大学研制的目前国内通用性较好的一种同轴力矩式加载器。它也是由两套同轴式啮合传动系统串联而成[见图－13 (g)、(f)]，施载装置为双向作用控制式微电机，封闭端极限扭矩为±25000nm;封闭端极限转速达6500r/min。8.如图－8所示的同轴力矩式加载器是国内为解决国产船用齿轮箱（内有液压式多盘摩擦离合器）的耐久试验而提出的，它也是由两套相同的同轴式啮合传动系统串联而成[见图－13 (a)]。所使用的施载装置为小型（或微型）水力测功机。

　　三.新加载器方案的选定：我厂驱动桥齿轮机械闭式试验台改造前的结构原理，见图－9所示，采用叶片式液压加载器方案，其缺点是即使叶片数选最少为2时，这时的扭转角也只能增加到127°。由于系统内有4根半轴，系统的刚性比较低，当时的解决方案就是增加一个扭角调节器。在每次试验开始前，先将扭角调节器调整出一个初始角度，然后再用液压加载器加载进行试验。该试验台使用的扭矩一般不大于1000nm,转速一般不高于750r/min。但是随着汽车工业的发展，主机厂试验规范要求的试验转速越来越高，加载扭矩也越来越大，于是我们将新加载器设计转速定为3500r/min;设计扭矩定为2500nm。由于扭角调节器不容易动平衡，上高速时会抖 转接箱 加载齿轮箱 扭角调节器 减速器 皮带传动 试验样品 转矩转速传感器 液压加载器 转接箱 电机 图－9动，我们首先想到的是取消扭角调节器，这样要使液压加载器增大扭角，就要将叶片式液压加载器方案改变为螺旋式液压加载器的方案。其结构见图－10所示，由液压推动活塞往复移动，活塞不转动，在活塞心部的大导程螺母就迫使螺杆转动，活塞移动一个导程，螺杆就转动360°，这样在系统内就施加了载荷。但是螺旋式液压加载器设计、制做，不是我厂的技术优势。于是我们委托某大学液压教研室设计、研制这种加载器。这种加载器的工艺难点：一是配磨螺旋副；二是主轴心部的深孔加工（配压阀对活塞a面供油时，液压油从主轴心部走，供油孔深度较大）。最终因此深孔无法加工，不得不改变配压阀原设计方案：将原配压阀仅在b方向供油，改为两个配压阀在a、b两个方向供油，这样在a方向的配压阀密封圈内径就由原来φ60mm增大到φ170mm。由于液压加载器供油用的配压阀，不能随主轴旋转，这样配压阀高压密封圈由于工作线速度的限制，试验台主轴转速要达到1500r/min以上就比较困难，于是试制工作中止。但是我们认为如上图所示的原设计方案仍然不失为一个好方案。在广泛调研中，我们又发现某大学与某厂共同研制的滚珠螺旋加载器，其结构原理见图－11，实际上是表1中ⅰd型方案的改进。图中螺旋轮3、4旋向相反，外装滚珠套筒5，当电机经蜗杆减速器驱动加载螺旋8，由横键7和拉杆6使套筒5产生轴向移动，驱使螺旋轮3、4向相反方向转动，于是在系统内产生载荷。这种加载器转速能达到3000r/min，只要螺杆足够长，就能使扭转角满足使用，能动态加载，载荷精度高，但因价格高未谈成。

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　　图－11最后，我们决定自己研制一种比其价位偏低，但是性能更好的加载器。通过多种方案对比选择，我们将新加载器的设计方案锁定在同轴力矩式加载器的方案上。为了通用性好，加载器方案的工作型式定为水平支架式，两端由法兰盘输出扭矩，其结构原理见图－12所示，加载器本身实际上是一个能高速运转的旋转体，其内部结构主要由三部分组成：电动机、制动器和减速器。这样就要求电动机和制动器体积尽量小，其中电动机要求三相交流380供电。

　　图－12以便容易实现计算机自动控制，按载荷谱加载；制动器要求工作在失电制动状态，以便能在不耗能状态下保持载荷精度，于是我们选择了yej系列带盘式制动器的微电机。不难看出减速器设计是加载器的核心技术，在我们研究了诸多同轴力矩式加载器的方案后，认为应该吸取它们的优点，克服它们的缺点。其设计原则是：1.减速器结构要紧凑，回转半径要小，轴向要短，重量要轻；2.结构要尽量简化、优化，要轴对称，以便容易动平衡、上高速；3.力素放大能力要尽量大，以便实现使用微电机输出大扭矩。根据设计原则，减速器经过设计计算，减速比要大于10000才能满足加载速度和扭矩放大的要求。这样大的减速比，其内部啮合传动系统宜选为两级串联。据有关资料介绍，常用的同轴啮合传动结构基本型式有如下十种，见图－13所示，其中（a）～（f）及（i）、（j）为2k-h型行星和谐波传动；（g）为k-h-v型行星或摆线k型行星传动（注：k为齿轮，h为行星架，v为转轴）。一般的同轴力矩式加载器采用的内部啮合传动结构无非是这些基本型式的一种或者两种的串联组合，或改进而成。我厂新加载器方案的减速器内部结构采用的啮合传动型式也不例外，只不过是进行了精心的优化设计，满足了设计原则的要求。

　　图－13四.新加载器的测控系统：在新加载器机械图纸设计完成后，又进行了测控系统的方案设计，其功能要求是:1.通过工控机按试验规程自动控制过程，能实施自动等幅加载，随机加载或按载荷谱加载，使试验条件能逐步逼近和模拟产品使用的实际工况进行试验，提高试验水平。2.在试验调试和试验过程中能观察到载荷曲线、峰值、加载时间和扭矩角度位移，便于监控。 自动测控系统实现原理为： （1）微电机―――控制卡等―――软件(控制部分)：通过工控软件实施模拟或数字量控制，起动加载器实现同步加载和自动加载，自动补偿功能、等幅及载荷谱加载等。 （2）测速传感器―――数据采集卡等―――软件(测量部分)：1.扭角显示―测速传感器测量出微电机转速，软件记录加载时间，再根据减速器的减速比，转换成扭角值。2.载荷显示－转矩转速传感器获得信号由计算机显示转矩值。五.新加载器的研制实施：目前新加载器已经研制成功，命名为bc*j-25/35型电动式机械加载器。经过试验验证额定扭矩为±2500牛米，额定转速为3500转/每分钟，在短时间内扭矩、转速允许超过额定值的一倍半；工作时正常耗电量不会超过一千瓦，达到了原设计要求。已经安装在驱动桥齿轮机械闭式试验台进行使用。其与国内同类产品相比，技术更先进，结构更合理，性能更优良，运行更可靠，具有更高的性能价格比。本研制成果属一项技术创新工程，其具有独特的经过优化设计的内部啮合传动系统——比同类产品结构简单而紧凑、轴对称性好、体积小、质量轻，实现转速更高。已经申请获取了一项“实用新型专利”。该加载器产品外观,见图片一所示；其测控系统计算机界面，见图片二所示：

　　机械工具的出现促使人类文明向前迈进了一大步，它使得人类社会的生产率发生了重大变化，从原始改造转变为机械劳动。在当今世界中机械工业的发展水平标志着一个国家生产力的发展水平。不论是从机械系统的发展方向上，还是从社会对机械系统新的要求上，均要求其有着更高的可靠性与安全性，机械设备状态监测技术是未来机械设备发展的重要方向。

　　所谓系统，就是相对于个体而言整体的寓意。不同领域不同学科对于系统的具体涵义存在着不同概括，但总体上来看，都将系统看做是多个小系统组成的，它的运行过程涉及到很多个微小系统的运行。现如今，普遍接受的系统论是由美籍奥地利人、理论生物学家-贝塔朗菲所创立的，它针对系统的模式、结构以及内部规律进行了深入的分析与研究，按照数学理论定量的对系统特征（整体性、结构等级分层、相互关联、动态平衡、时序性等）进行了全方面的描述。

　　系统论是研究系统整体性的重要理论之一，其核心思想就是整体性。它支持将自然界中的物质看作是一个统一整体，自然界中各个组成部分只有和谐相处才能够保证自然界的稳定运行，不同的组成部分通过逻辑关系密切联系在一起。系统所表现出来的整体性是单独的组成部分所不具备的，只有每一个组成部分有机的结合在一起，相互关联才能够共同发挥作用。同样，系统如果失去了任何一个组成部分，那么其整体性能也会出现很大的变化，从而影响其整体特性。

　　层次分析法是基于系统理论发展起来的一种层次权重分析法。现如今在很多工业生产过程中，都可以看见层次分析法的影子，它对于复杂度高而且需要定性定量分析的工业控制很有帮助。对问题进行定性定量，根据所反映的综合信息，通过专业判断来对目标标准进行加权处理，从而匹配出标准相对重要度，这样就可以根据所得到的相对重要度来排列解决方法的优先顺序。该方法在1982年就已经进入我国，并在很多行业中得到了应用。正是由于其在定性与定量结合处理复杂问题上的优势，使得其在我国很多领域内都有着广泛的认同。

　　通过层次分析法来对问题进行研究，其基本原理就是根据问题的性质以及所要实现的最终目标，把被研究问题划分为多个不同的组成成分，同时根据成分与成分之间的相互关系再细分为不同层次的组合，从而构建出一个多层次的用于分析研究的模型结构。使用层次分析法来研究具体问题，可以将整个步骤用图1来表示。

　　机械产品设备及系统逐渐的向大型化、复杂化、高集成、多参数以及自动化方向发展，工业发展需要更为可靠、更加智能的机械水平，对工作环境有着更高的要求，而且机械设备的维护也越发的复杂与困难。显然，机械产品设计需要全面的更新改革。现在很多产品在设计时并不会考虑到未来的监测问题，所以大部分产品机械系统的可监测性能较差，对于其使用过程中状态信息的收集十分复杂困难。即使通过其他手段采集到了状态信息，也因为各种因素导致信息的过时或者缺失。

　　（1）可监测性设计研究的对象。相对于整个庞大的系统而言，产品最为重要的一个设计属性就是可监测性。也就是说，对于某一个组成部分或者某一块组成部分进行可监测性研究是没有任何意义的，必须是对于整个系统而言，才有可监测性这一概念。所以，我们研究可监测性首先要研究具体的机械结构，然后扩展分析到整个系统。

　　（2）可监测性设计相关的技术领域。可监测设计理论在当前很多机械系统中有着非常广泛的应用，它需要多门学科的协同配合才能够实现整个系统的可监测性。从整体上来看，想要进行一个全面的可监测性设计，必须要使用到计算机、网络通信、系统工程、优化算法等多种技术。

　　可监测性理论的应用前提是系统整体，对于系统中的任何一个小系统或者小环节而言，就没有可监测性这一概念，所以我们要从整体上去把握系统的可监测性，不要刻意去追求系统中某一个小系统。基于此在进行可监测性设计时，应该从系统的综合特性角度出发，分析系统内部各个小系统相互之间的逻辑关系，分析相互之间的约束条件，实现整个系统的可靠稳定高效运行。

　　（1）可监测性设计相关术语研究。这一部分的研究主要是通过CMFD技术、PHM技术、现代机械设计理论等，加之系统的科学调研过程以及领域内专家的研讨等方式，全面的对机械系统状态监测以及现代设计理论进行研究，形成可监测性设计体系所使用的基本术语；

　　（2）可监测性分配方法研究。实质上，可监测性分配方法就是对系统监测点优化的一个过程。具体来说，就是通过可靠性、维修性等分配方法理论，按照机械系统高可靠性、高安全性以及智能化的设计目标，最终实现准确反映机械系统运行状态信息的可靠获取；

　　（3）可监测性设计方法研究。在对机械系统设计方法全面深入研究的基础之上，通过可靠性设计、可维修性设计以及保障性设计等方法上，对可监测性设计的设计标准、实施过程，采用并行工程思想以及全生命周期设计理念进行系统效益、安全、可靠等多参数分析，共同构建可监测性设计方法体系；

　　（4）可监测性设计评价研究。进行科学评价制度的构建是可监测性设计的关键部分，这个研究过程影响着这个可监测性设计的内容。这里面不仅仅包含了对设计阶段的评价，还包含着生产阶段、使用阶段的评价内容。简单来说，就是依靠已有的系统评价理论以及相关方法，对所收集到的各种机械系统运行数据信息，构建一个各种特征参数信息均可研究的机械系统可监测性设计评价体系，从而实现对系统可监测性设计各个阶段的科学有效评价。

　　机械对于人类文明的发展而言，有着非常重大的意义，它是人们转换能量、改造社会，提高社会生产率的主要工具。机械工业的发展水平标志着一个国家生产力的发展水平。随着科学技术的不断发展，机械装置的体积、质量不断增大，复杂程度也在不断的提高，机械系统运行参数个数不断地增多。机械系统这些方面的改变与发展，势必会提高整个系统运行过程中的不确定性，导致经济生产活动以及科学探索活动突发、中断事故的增多。机械系统体积的增大，复杂程度的提高，对系统安全可靠运行有着很大的影响，很容易增加系统的研发成本；科技的发展使得机械系统所应用的环境有着飞速的扩展，更多的复杂恶劣环境都对机械系统性能有着更大的考验；很多领域都需要机械系统能够长时间的安全可靠运行，对于无故障运行时间有着新的更高的要求；很多机械系统均与操作人员的生命息息相关，这不得不促使人们关注机械系统运行的安全可靠性。所以，不论是从机械系统的发展方向上，还是从社会对机械系统新的要求上，均要求其有着更高的可靠性与安全性，机械设备状态监测技术是未来机械设备发展的重要方向。

　　2.1 系统理论 所谓系统，就是相对于个体而言整体的寓意。不同学科对于系统的定义也不同，所以至于系统的确切含义与理解，不同学科之间也存在着很大的差别。系统论指出，系统就是不同数量的元素之间按照一定的结构组成具备某种功能的有机的统一整体，它不仅仅需要确定结构以及组成要素，还需要对各个组成要素之间的关系做出明确的定义。现如今，普遍接受的系统论是由美籍奥地利人、理论生物学家-贝塔朗菲所创立的，它针对系统的模式、结构以及内部规律进行了深入的分析与研究，按照数学理论定量的对系统特征（整体性、结构等级分层、相互关联、动态平衡、时序性等）进行了全方面的描述。

　　2.1.1 系统论核心思想 系统论的核心思想就是系统整体性，该理论把世间所有的事物均看做是一个整体，统称为一个系统，这个系统是由很多不同的组成部分按照一定的逻辑，合理的组合在一起的，并不是这些组成部分随机组合的。系统所表现出来的整体性是单独的组成部分所不具备的，只有每一个组成部分有机的结合在一起，相互关联才能够共同发挥作用。同样，系统如果失去了任何一个组成部分，那么其整体性能也会出现很大的变化，从而影响其整体特性。

　　2.1.2 系统论研究方法 使用系统论去研究问题，最核心的方法就是把被研究对象看做是一个整体，是一个系统，通过系统论的思想去分析与研究对象的各种特性，去把握

　　被研究对象各个组成部分之间的关系以及相互之间所存在的变化规律，最终实现被研究对象的全面性能优化。

　　2.1.3 系统的种类 我们可以把整个世界看作是很多系统的集合，在这个集合当中存在着多种多样的系统，不同的系统其组成成分也有着很大的区别。区分不同系统的方法有很多种，所使用的方法以及出发的角度均会划分出很多种不同的系统集合。譬如，所谓大小系统之说，就是从系统的容量大小角度出发来划分系统的。

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　　2.1.4 系统论研究的目的和意义 之所以要对系统论进行深入的分析与研究，就是为了能够更加全面的认识系统普遍存在的特点及共性，从而能够更好的把握系统的发展规律，去管理并控制系统，进而创造出新的优化的更加符合社会发展方向及程度的系统。总之，对系统论的研究可以全面的优化现有系统结构，促进所涉及学科更加合理快速的发展，为现代科学理论提供更有价值的技术支持，能够解决社会发展过程中出现的越来越复杂的问题。

　　2.1.5 系统论发展趋势 从当前的发展方向来看，系统论有着越来越多新技术、新知识的融合，使得该理论得以快速健康的发展，未来的发展趋势可以归纳为两个方面：当前先进的科学技术、新兴学科与系统论相互融合；信息论、控制论在系统论的基础之上，共同向着同一个方向发展。

　　2.2.1 层次分析法 上世纪70年代初，美国著名的运筹学专家萨蒂在网络系统理论和多目标综合评价方法的应用基础之上，提出了层次分析法这一概念。这种方法实质上就是针对层次权重分析所提出的一种最为合理科学的方法。随着工业水平的不断发展，层次分析法在解决复杂决策问题的定性与定量分析上有着非常明显的优势。对问题进行定性定量，根据所反映的综合信息，通过专业判断来对目标标准进行加权处理，从而匹配出标准相对重要度，这样就可以根据所得到的相对重要度来排列解决方法的优先顺序。该方法在1982年就已经进入我国，并在很多行业中得到了应用。正是由于其在定性与定量结合处理复杂问题上的优势，使得其在我国很多领域内都有着广泛的认同。

　　2.2.2 基本原理和基本流程 通过层次分析法来对问题进行研究，其基本原理就是根据问题的性质以及所要实现的最终目标，把被研究问题划分为多个不同的组成成分，同时根据成分与成分之间的相互关系再细分为不同层次的组合，从而构建出一个多层次的用于分析研究的模型结构。这样所要研究的问题就变成了对不同层次相对重要权值的确定，或者说优劣情况的排序。使用层次分析法来研究具体问题，可以将整个步骤用图1来表示。

　　①机械产品设备及系统逐渐的向大型化、复杂化、高集成、多参数以及自动化方向发展，工业发展需要更为可靠、更加智能的机械水平，对工作环境有着更高的要求，而且机械设备的维护也越发的复杂与困难。显然，机械产品设计需要全面的更新改革。②现在很多产品在设计时并不会考虑到未来的监测问题，所以大部分产品机械系统的可监测性能较差，对于其使用过程中状态信息的收集十分复杂困难。即使通过其他手段采集到了状态信息，也因为各种因素导致信息的过时或者缺失。这些情况均无法准确实时的反映出系统的实际状态。

　　①可监测性设计研究的对象。相对于整个庞大的系统而言，产品最为重要的一个设计属性就是可监测性。也就是说，对于某一个组成部分或者某一块组成部分进行可监测性研究是没有任何意义的，必须是对于整个系统而言，才有可监测性这一概念。基于此可以得到，可监测性设计所要研究的对象首先是机械，其次是整个系统。

　　②可监测性设计相关的技术领域。可监测性设计理论是多种学科交叉的一门基础理论，它涉及到机械学学科、信息学学科、数学学科、材料学科等多个领域。从整体上来看，想要进行一个全面的可监测性设计，必须要使用到计算机、网络通信、系统工程、优化算法等多种技术。

　　根据上述的研究知道，可监测性设计是对于系统而言的，对于系统中的任何一个组成部分均没有可监测性设计这一概念。实质上，可监测性设计是一个综合性设计，它需要全面综合考虑系统的每一个部分以及他们之间的相互关系，综合考虑系统的运行过程以及各种监测技术的相互配合。通过对系统监测可观性、可达性的分析与研究，实现内外部监测设备通力配合，保证系统状态监测的全寿命周期设计。图2给出了可监测性设计理论体系的主要内容。

　　①可监测性设计相关术语研究。这一部分的研究主要是通过CMFD技术、PHM技术、现代机械设计理论等，加之系统的科学调研过程以及领域内专家的研讨等方式，全面的对机械系统状态监测以及现代设计理论进行研究，形成可监测性设计体系所使用的基本术语。

　　②可监测性分配方法研究。可监测性设计的关键就在于科学的选取测点，这对于最终设计的实施效果有着非常重要的影响。实质上，可监测性分配方法就是对系统监测点优化的一个过程。具体来说，就是通过可靠性、维修性等分配方法理论，按照机械系统高可靠性、高安全性以及智能化的设计目标，最终实现准确反映机械系统运行状态信息的可靠获取。

　　③可监测性设计方法研究。在对机械系统设计方法全面深入研究的基础之上，通过可靠性设计、可维修性设计以及保障性设计等方法上，对可监测性设计的设计标准、实施过程，采用并行工程思想以及全生命周期设计理念进行系统效益、安全、可靠等多参数分析，共同构建可监测性设计方法体系。

　　④可监测性设计评价研究。进行科学评价制度的构建是可监测性设计的关键部分，这个研究过程影响着这个可监测性设计的内容。这里面不仅仅包含了对设计阶段的评价，还包含着生产阶段、使用阶段的评价内容。简单来说，就是依靠已有的系统评价理论以及相关方法，对所收集到的各种机械系统运行数据信息，构建一个各种特征参数信息均可研究的机械系统可监测性设计评价体系，从而实现对系统可监测性设计各个阶段的科学有效评价。

　　[1]王玉玲.机械可靠性维修性优化设计方法及其在工程机械中的应用[D].济南：山东大学，2007.

　　[2]王权伟，蒋里强，王维兴.武器系统维修性分配的线性规划方法研究[J].装备指挥技术学院学报，2006，17（3）：33-36.

　　[3]李昕，张春良，李建.机械故障诊断技术的发展及其在核机械中的应用[J].装备制造技术，2009（10）：104-109.

　　《机械原理》是高等工科院校机械专业必修的一门重要的专业技术基础课[1，2]，《机械原理课程设计》则是使学生较全面系统地掌握及深化机械原理课程的基本原理和方法，培养学生综合运用所学知识，提高分析和解决工程实际问题的能力的重要实践环节。

　　我校《机械原理课程设计》所选用的设计题目以往多为针对不同类型的连杆机构进行运动分析及动态静力分析。机构的类型机构及尺寸由教师指定，一般为平面六杆机构。班级各学生所需分析的机构类型或机构的尺寸不同。

　　随着科技的进步与发展，对高等教育的要求也在不断提高。培养具有创新精神和实践能力的人才，提高工科学生的综合能力已成为机械工程教育工作者的共识。在此大环境下，对《机械原理课程设计》进行改革，将以分析为主的《机械原理课程设计》改变为“机械系统运动方案设计[3，4]——型综合——尺度综合——运动动力分析”的设计型《机械原理课程设计》，势在必行。

　　课题组首次在大三詹天佑班及车辆专业部分学生中试点，进行了设计型《机械原理课程设计》的探索与实践。

　　课题组在充分调研查阅的基础上，选用文献[5]作为主要参考教材，并自编了与之配套的任务书等教学资料。

　　1.设计的目的及任务。设计型《机械原理课程设计》的目的在于：使学生巩固理论知识，并使其对于机械的组成结构、运动学以及动力学的分析与设计建立较完整的概念；掌握机械运动方案设计的内容、方法和步骤，培养机构选型与组合和确定运动方案的能力；培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力。其任务为：针对某种简单机器（它的工艺动作过程比较简单）进行机械运动简图设计，包括机械系统运动方案的设计与评定，机构尺度综合等。

　　2.设计题目。本次《机械原理课程设计》选择了“圆盘型自动包本机进本系统”、“水稻插秧机”等六种机械系统作为设计与分析的对象。各个机械系统由多个能够完成具体工作的机构组成，其各组成机构必须动作协调，方能实现预期要求的功能。教师根据各机械系统所包含的具体工作机构的数目，将学生分为2～4人一组，每位学生在完成所要求的整体机械系统运动方案设计的前提下，还须独立完成该机械系统中的指定工作机构的型综合、尺度综合及其运动分析（动力分析部分为选作）。因此，任意一名学生的工作均需各自完成，不可能“拷贝”他人成果。

　　3.设计内容及要求。设计型《机械原理课程设计》要求学生根据教师下达的任务书完成：①全组讨论及提出两个以上系统设计方案；②经比较、选优，确定系统最终方案；③每个学生设计分析总体系统中的一个机构；④每个学生对自己设计的机构运用解析法完成机构运动分析；运用解析法选作机构受力分析；⑤每个学生运用软件选作机构的仿真与验证；⑥完成设计说明书。

　　1.《机械原理课程设计》前期工作。《机械原理课程设计》为期两周，为使学生能够有充分的时间消化理解《机械原理课程设计》的内容，做好先期准备工作，我们提前一周半进行《机械原理课程设计》授课。许多学生听课后即开始查阅资料，重温课程设计中所用到的相关先修课程的知识，讨论方案，主动找老师答疑等，教师也插空到班级辅导，收到良好的效果。

　　2.集思广益，确定机械系统运动方案。各组学生拟定出两个以上机械系统运动设计方案。所有参加设计型《机械原理课程设计》的六十多名学生一起进行讨论，集思广益，优选机械系统运动方案。具体做法为：每组选派一名学生主讲，其他学生补充，借助PPT介绍本组初定的几种设计方案，指出各方案的优缺点及筛选原因，其他学生提出问题及建议。通过讨论，学生对许多概念、基本理论有了新的认识和理解，巩固了课堂教学中学到的知识，并且各组学生取长补短，相互学习，开阔了思路，对本组原有的设计方案又有了许多新的设想。

　　3.理论联系实际，完成机构设计。由于所承担的任务不同，每个学生必须独立完成总体系统中一个机构的设计，难度较大。指导教师与实验室老师一道，带领学生参观各类机构模型，演示各类机构动画，讲解各类机构的优缺点及适用场合，一一解答学生的各种问题。指导学生运用solidworks软件对自己设计的机构进行仿线.综合运用知识，对机构进行运动分析和力分析。教师对运用解析法对机构进行运动分析和动态静力分析进行了较为详细的讲解，对运用solidworks软件和ADAMS软件进行机构的运动分析和力分析的方法及常见问题的解决进行了辅导，使得学生在求解机构的运动过程中即“知其然”又“知其所以然”。

　　5.在课程设计的各环节中强化学生综合素质的培养。教师在课程设计整个过程中注重对学生查阅文献、基础理论知识的掌握、各科知识的融会贯通、理论联系实际、独立思考、综合运用所学知识解决实际问题、动手能力、克服困难、创新意识、团队协作精神等多方面的能力进行培养，并在对每位学生单独进行答辩的过程中加以考核。强化了对学生综合素质的培养，效果较为理想。许多学生感慨，这次课设虽经历了许多困难，但收获了知识，获得了成功的喜悦。

　　1.使学生进一步巩固和加深了对理论知识的理解，并逐步掌握了工科学生应具备的理论联系实际的学习方法。

　　2.调动了学生学习的主动性和积极性，使学生动手实践能力、创新设计能力、团结协作精神和综合素质得到了提高。

　　[1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社，2006.

　　[2]谢进，万朝燕，杜立杰.机械原理[M].第二版.北京：高等教育出版社，2010.

　　[3]孟宪源，姜琪.机构构型与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

　　[4]邹慧君.机械原理课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，1998.