?全日制普通本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）
中 期 檢 查 表
學(xué)??院：?????工學(xué)院?????????????
學(xué)生姓名
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學(xué)????號
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年級專業(yè)及班級
?設(shè)計制造及其自動化(1)班
指導(dǎo)教師姓名
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指導(dǎo)教師職稱
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論文（設(shè)計）題目
某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的設(shè)計
畢業(yè)論文（設(shè)計）工作進(jìn)度
已完成的主要內(nèi)容
尚需解決的主要問題
相關(guān)文獻(xiàn)的大量搜集與閱讀
潤滑系統(tǒng)的總體方案
熱量計算部分
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流量計算
噴嘴的布置與設(shè)計
供油部分具體設(shè)計
回油冷卻部分具體設(shè)計
論文編寫
指導(dǎo)教師意見
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?????????????????????簽名：??????????????年????月????日???
檢查小組意見
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注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆填寫。
2.此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。
全日制普通本科生
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
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學(xué)生姓名
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年級專業(yè)及班級
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指導(dǎo)教師及職稱
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學(xué)????院
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??年?12 月??03日
填 寫 說 明
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一、畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書是學(xué)校根據(jù)已經(jīng)確定的畢業(yè)論文（設(shè)計）題目下達(dá)給學(xué)生的一種教學(xué)文件，是學(xué)生在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立從事畢業(yè)論文（設(shè)計）工作的依據(jù)。此表由指導(dǎo)教師填寫。
二、此任務(wù)書必需針對每一位學(xué)生，不能多人共用。
三、選題要恰當(dāng)，任務(wù)要明確，難度要適中，份量要合理，使每個學(xué)生在規(guī)定的時限內(nèi)，經(jīng)過自己的努力，可以完成任務(wù)書規(guī)定的設(shè)計研究內(nèi)容。
四、任務(wù)書一經(jīng)下達(dá)，不得隨意更改。
五、各欄填寫基本要求。
（一）畢業(yè)論文（設(shè)計）選題來源、選題性質(zhì)和完成形式：
請在合適的對應(yīng)選項前的“□”內(nèi)打“√”，科研課題請注明課題項目和名稱，項目指“國家青年基金”等。
（二）主要內(nèi)容和要求：
1．工程設(shè)計類選題
明確設(shè)計具體任務(wù)，設(shè)計原始條件及主要技術(shù)指標(biāo)；設(shè)計方案的形成（比較與論證）；該生的側(cè)重點(diǎn)；應(yīng)完成的工作量，如圖紙、譯文及計算機(jī)應(yīng)用等要求。
2．實驗研究類選題
明確選題的來源，具體任務(wù)與目標(biāo)，國內(nèi)外相關(guān)的研究現(xiàn)狀及其評述；該生的研究重點(diǎn)，研究的實驗內(nèi)容、實驗原理及實驗方案；計算機(jī)應(yīng)用及工作量要求，如論文、文獻(xiàn)綜述報告、譯文等。
3．文法經(jīng)管類論文
明確選題的任務(wù)、方向、研究范圍和目標(biāo)；對相關(guān)的研究歷史和研究現(xiàn)狀簡要介紹，明確該生的研究重點(diǎn)；要求完成的工作量，如論文、文獻(xiàn)綜述報告、譯文等。
（三）主要中文參考資料與外文資料：
在確定了畢業(yè)論文（設(shè)計）題目和明確了要求后，指導(dǎo)教師應(yīng)給學(xué)生提供一些相關(guān)資料和相關(guān)信息，或劃定參考資料的范圍，指導(dǎo)學(xué)生收集反映當(dāng)前研究進(jìn)展的近1－3年參考資料和文獻(xiàn)。外文資料是指導(dǎo)老師根據(jù)選題情況明確學(xué)生需要閱讀或翻譯成中文的外文文獻(xiàn)。
（四）畢業(yè)論文（設(shè)計）的進(jìn)度安排：
1．設(shè)計類、實驗研究類課題
實習(xí)、調(diào)研、收集資料、方案制定約占總時間的20%；主體工作，包括設(shè)計、計算、繪制圖紙、實驗及結(jié)果分析等約占總時間的50%；撰寫初稿、修改、定稿約占總時間的30%。
2．文法經(jīng)管類論文
實習(xí)、調(diào)研、資料收集、歸檔整理、形成提綱約占總時間的60%；撰寫論文初稿，修改、定稿約占總時間的40%。
六、各欄填寫完整、字跡清楚。應(yīng)用黑色簽字筆填寫，也可使用打印稿，但簽名欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆簽名。
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畢業(yè)論文
（設(shè)計）題目
某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的設(shè)計?
選題來源
□結(jié)合科研課題?? 課題名稱：????????????????????????????????????????
□生產(chǎn)實際或社會實際?????????? ■其他???
選題性質(zhì)
□基礎(chǔ)研究????? ■應(yīng)用研究???? □其他
題目完成形式
□畢業(yè)論文????? ■畢業(yè)設(shè)計???? □提交作品，并撰寫論文
主要內(nèi)容和要求
基本研究內(nèi)容有：
1.?根據(jù)某型直升飛機(jī)主減速器直齒輪疲勞試驗的需求，確定齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的設(shè)計方案；
2.?對齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，包括供油部分、噴嘴、回油部分及滑油溫度控制部分；
3.?對潤滑系統(tǒng)主要部件，例如電機(jī)、滑油泵、測控部分、傳感器等進(jìn)行設(shè)計或選型。
本課題的要求如下：
1.?要求設(shè)計一個齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)；
2?要求試驗齒輪潤滑為噴油潤滑，噴嘴孔徑為0.8mm，0.4mm兩種，噴油壓力從0到1MPa可手動調(diào)節(jié)，總供油量為12L/min，滑油溫度可調(diào)。
說明：設(shè)計工作量應(yīng)至少完成折合A0號圖紙三張和一份12000字以上的設(shè)計計算說明書。
注：此表如不夠填寫，可另加附頁。
主要中文參考資料與外文資料
[1]?姬小明.發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)設(shè)計新方法及其應(yīng)用[D].長春：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005
[2] 許翔，畢小平．車用傳動裝置潤滑系統(tǒng)的流動與傳熱仿真[J]．鄭州：機(jī)械傳動，2006，?30(5): 5-8
[3] 林基恕.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊第12冊：傳動與潤滑系統(tǒng)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.1
[4] 李林蔚，高紅霞等.減速器滑油冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計方法[J].北京：航空動力學(xué)報，2009，24（4）
[5] 盧元申,劉少軍.空間姿態(tài)可變的潤滑系統(tǒng)流動性能仿真[J].北京：微計算機(jī)信息,2010,26(12-1):184-186
[6] ?David G. Lewicki, John J. Coy. Helicopter Transmission Testing at NASA Lewis Research Center [C].NASA technical report 87-C-10.
[7] Dennis P. Townsend, Lee S. Akin. Gear Lubrication and Cooling Experiment and Analysis[J]. Journal of Mechanical Design, 1981, vol.103, no.4:219-226
[8] Dennis P. Townsend. Evaluation of the EHL Film Thickness and Extreme Pressure Additives on Gear Surface Fatigue Life[C]. NASA technical report ARL-TR-477
工作進(jìn)度安排
起止日期
主要工作內(nèi)容
2012.11.06～2012.12.02
選題
2012.12.03～2012.12.05
接受任務(wù)書
2012.12.06～2013.01.13
撰寫開題報告和開題
2013.01.14～2013.03.29
畢業(yè)設(shè)計
2013.03.30～2013.04.01
中期考核
2013.04.02～2013.05.06
完善畢業(yè)設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計總結(jié)
2013.05.07～2013.05.10
提交正稿與指導(dǎo)老師評閱
2013.05.11～2013.05.26
專業(yè)委員會評閱，答辯與修改定稿
要求完成日期：20??12年??5 月??6 日??????? 指導(dǎo)教師簽名：? ??????????????????????
審查日期：20?12 年?12月??4 日??????????? 專業(yè)委員會主任簽名：??????????????????
批準(zhǔn)日期：20?12 年??12月?5 ?日??????????? 學(xué)院指導(dǎo)委員會簽名（公章）：??????????
接受任務(wù)日期：20??12年??12月??5 日? ??????學(xué)生本人簽名：???????? ???????????????
注：簽名欄必須由相應(yīng)責(zé)任人親筆簽名。此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。
?全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
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某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的設(shè)計
LUBRICATION SYSTEM DESIGN FOR GEAR FATIGUE TEST BENCH OF A CERTAIN TYPE OF HELICOPTER TRANSMISSION
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學(xué)生姓名：??
學(xué)????號：?
年級專業(yè)及班級：?
指導(dǎo)老師及職稱：??
學(xué)????院：?工學(xué)院
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?提交日期：??年?5月
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?畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告
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學(xué)生姓名
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學(xué)????號
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年級專業(yè)及班級
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指導(dǎo)教師及職稱
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學(xué)????院
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20 ???年?????月?????日
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畢業(yè)論文（設(shè)計）題目
某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的設(shè)計
文獻(xiàn)綜述（選題研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、主要參考文獻(xiàn)等，不少于1000字）
直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展是一個及其曲折的歷史，比起固定翼式飛機(jī)要困難許多，從人類第一臺直升機(jī)1906年在法國誕生至今已經(jīng)經(jīng)歷了100多年的歷史，但是人類從來沒有停止過對這項技術(shù)的研究與提高。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著科技水平的不斷發(fā)展，新的開發(fā)與研究方式被引入到直升機(jī)研究中，比如實驗室仿真實驗設(shè)施以及大量的分析模擬軟件。在主減速器的研究中就有大量的研究報告都是通過電腦的模擬分析得出的結(jié)果，從而也帶動了各種數(shù)字化平臺的建設(shè)與軟件開發(fā)，為直升機(jī)事業(yè)注入而來新鮮的血液。同時這些分析結(jié)果的得出一方面可以用于對過去數(shù)學(xué)方法的規(guī)律總結(jié)進(jìn)行對比與完善，另一方面也是未來實體試驗與開發(fā)的重要依據(jù)。本項目即是開發(fā)實驗室模擬試驗臺以便在已有的理論實驗基礎(chǔ)上實際操作、對比實驗，從而得出科學(xué)可靠的結(jié)論，推動直升機(jī)事業(yè)的發(fā)展。
本論文主要研究某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)，該實驗臺的主要作用是模仿直升機(jī)減速器齒輪箱，從而試驗檢測減速器齒輪的疲勞強(qiáng)度以及潤滑系統(tǒng)的可靠性與合理性。
潤滑系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮以下四個關(guān)鍵部分：供油部分、噴嘴部分、回油部分及滑油溫度控制部分。主要的工作就是對潤滑系統(tǒng)主要部件，例如電機(jī)、滑油泵、測控部分、傳感器等進(jìn)行設(shè)計或選型。
過去的文獻(xiàn)中，并沒有如本論文要求整體的對直升機(jī)主減速器齒輪箱潤滑系統(tǒng)的研究，但是在齒輪箱潤滑系統(tǒng)的各個部件有一些針對性的研究。
首先，從過去的研究經(jīng)驗以及本項目的要求來看，潤滑系統(tǒng)的主要功能有兩點(diǎn)，一是在齒輪嚙合部位產(chǎn)生油膜使兩嚙合表面分開，從而減少磨損；二是從齒輪嚙合部位等發(fā)生摩擦的部位帶走熱量，保證齒輪表面溫度不過熱而影響正常運(yùn)行。同時該齒輪箱的潤滑采用壓力潤滑形式，潤滑液選擇飛馬2號。要達(dá)到以上兩點(diǎn)功能要求，對于第一點(diǎn)，我們選擇飛馬2號潤滑液就可以解決。主要問題在于第二點(diǎn)，總的來說，研究潤滑液帶走熱量的流程在過去的研究基礎(chǔ)上可以總結(jié)為：計算熱量—噴嘴布置—計算流量—供油部分—回油冷卻系統(tǒng)，5個步驟。
在國內(nèi)外的文獻(xiàn)資料中，對每個部分都已經(jīng)有一些研究成果。
熱量計算方面，在航空工業(yè)出版社出版的《航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊——減速器》（下文稱《手冊》）中對減速器散熱量有公式化的描述，；（具體參數(shù)在正文中解釋），由此我們可以計算出齒輪和軸承摩擦產(chǎn)熱，從而找到本項目的關(guān)鍵問題所在。
流量計算方面，在哈爾濱東安發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司的徐海英發(fā)表的《直升機(jī)減速器壓力潤滑系統(tǒng)設(shè)計》中，也用到了代數(shù)的方法進(jìn)行整個潤滑系統(tǒng)的總流量的計算。在《手冊》中除了有系統(tǒng)總流量的計算外還主要有各個潤滑油共給點(diǎn)的流量的具體計算，計算公式都是用代數(shù)的方法總結(jié)得出，在目前的情況下也只有這個方法是最可行的。在《手冊》中還特別的有噴嘴與節(jié)流嘴的流量計算方法，也是噴嘴的選擇方案的確定方法。
噴嘴布置方面，在《手冊》有專門針對齒輪嚙合處以及軸承的潤滑方式的舉例說明，由于減速器齒輪屬于重載高速齒輪，所以潤滑方式對潤滑和散熱都有極大影響，噴嘴的布置形式多種多樣。
供油部分方面，供油部分的設(shè)計在過去的文獻(xiàn)中也有比較詳細(xì)的介紹，比如哈爾濱東安發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司的徐海英發(fā)表的《直升機(jī)減速器壓力潤滑系統(tǒng)設(shè)計》中就主要研究了潤滑系統(tǒng)的供油部分的結(jié)構(gòu)。
會有冷卻部分，當(dāng)潤滑油完成潤滑任務(wù)后，就進(jìn)入回油冷卻階段，在北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院李林蔚等學(xué)者在2008年發(fā)表的《某直升機(jī)主減速器華油冷卻系統(tǒng)設(shè)計》中提供了一種可行性比較高的設(shè)計方法以及設(shè)計方案，改進(jìn)了傳統(tǒng)的設(shè)計方法，不需要繁瑣的代數(shù)迭代，而可以直接可以求出需要的進(jìn)油溫度，讓減速器的產(chǎn)熱與散熱相等。本項目也會杰建筑這種新的方案。
參考文獻(xiàn)：
[1]《航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊》總編委會?航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊第13冊：減速器??航空工業(yè)出版社
[2] 李林蔚、高紅霞、余建祖?某直升機(jī)主減速器滑油冷卻系統(tǒng)設(shè)計?直升機(jī)技術(shù)?2008.4
[3] 徐海英?直升機(jī)減速器壓力潤滑系統(tǒng)設(shè)計??中國航空協(xié)會第十三屆機(jī)械力傳輸學(xué)術(shù)會議論文集
[4] 姬小明?發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)設(shè)計新方法及其應(yīng)用?吉林大學(xué)
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注：此表如不夠填寫，可另加頁。
研究方案（研究目的、內(nèi)容、方法、預(yù)期成果、條件保障等）
研究目的：研究某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)，該實驗臺的主要作用是模仿直升機(jī)減速器齒輪箱，從而試驗檢測減速器齒輪的疲勞強(qiáng)度以及潤滑系統(tǒng)的可靠性與合理性。
????研究內(nèi)容：對該主減速器齒輪疲勞試驗臺的潤滑系統(tǒng)的設(shè)計研究，主要有5點(diǎn)內(nèi)容：熱量的計算；噴嘴的布置；流量的計算；供油部分的設(shè)計；回油冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。
????預(yù)期成果：設(shè)計出符合該型號直升機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺正常使用以及極限狀態(tài)下的使用要求的潤滑系統(tǒng)，為將來該直升機(jī)主減速器齒輪箱的潤滑系統(tǒng)的設(shè)計提供可靠依據(jù)。
????條件保障：正常學(xué)校條件即可。
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進(jìn)程計劃（各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實施進(jìn)度、完成程度等）
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階段
階??段??內(nèi)??容
起止時間
前期
查閱文獻(xiàn)，翻譯英文文獻(xiàn)
2.24---3.10
中期
根據(jù)要求完成畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容
3.11---4.22
后期
整理設(shè)計結(jié)果及圖紙，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文
4.23---5.31
答辯準(zhǔn)備
準(zhǔn)備畢業(yè)答辯PPT，準(zhǔn)備答辯
6.1---6.6
答辯
參加畢業(yè)答辯
6月6、7日
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論證小組意見
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??????????????????????????????組長簽名：
?????????????????????????????????????20 ???年???月???日
專業(yè)委員會意見
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??????????????????????????????專業(yè)委員會主任簽名：
???????????????????????????????????????????????20 ??年???月???日
注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆填寫。
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全日制普通本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）
開題論證記錄
學(xué) 院： 工學(xué)院 記錄人：
學(xué)生姓名
學(xué) 號
年級專業(yè)及班級
指導(dǎo)教師姓名
論文（設(shè)計）題目
某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的設(shè)計
論證小組質(zhì)疑：
1、 潤滑系統(tǒng)的作用是什么？
2、 研究的大體順序是什么
3、如何保證設(shè)計的工作時間？
學(xué)生回答簡要記錄：
1、潤滑系統(tǒng)的主要功能有兩點(diǎn)，一是在齒輪嚙合部位產(chǎn)生油膜使兩嚙合表面分開，從而減少磨損；二是從齒輪嚙合部位等發(fā)生摩擦的部位帶走熱量，保證齒輪表面溫度不過熱而影響正常運(yùn)行。
2、主要分5個步驟，按順序排列下來是：計算熱量—噴嘴布置—計算流量—供油部分—回油冷卻系統(tǒng)
3、我現(xiàn)階段還不需要到公司進(jìn)行實習(xí)，所以我會利用好我現(xiàn)有的時間，高效率地完成，安排好我的每一步所需要的時間。
論證小組
成員簽名
論證地點(diǎn)： 論證日期： 年 月 日
注：此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。記錄、簽名欄必須用黑色筆手工填寫。
目 錄
摘要…………………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞………………………………………………………………………………2
1 前言………………………………………………………………………………2
1.1論文課題來源…………………………………………………………………3
1.2論文設(shè)計的目的與意義………………………………………………………3
1.2.1設(shè)計目的……………………………………………………………………3
1.2.2設(shè)計意義……………………………………………………………………3
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………………………………………………………3
1.3.1 國外對齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的研究…………………………………3
1.3.2 國內(nèi)對齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的研究…………………………………4
1.4 本文的主要工作………………………………………………………………5
2 直升機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)設(shè)計方案…………………………5
2.1 直升機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺介紹………………………………………5
2.2 直升機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺主要試驗…………………………………6
2.2.1 輪齒溫度測試試驗…………………………………………………………6
2.2.2 不同條件下齒輪疲勞壽命實驗……………………………………………6
2.3 直升機(jī)主減速器試驗臺潤滑系統(tǒng)總設(shè)計方案………………………………6
3 潤滑系統(tǒng)相關(guān)量計算……………………………………………………………6 3.1 生熱計算………………………………………………………………………6
3.1.1 試驗齒輪生熱計算…………………………………………………………7 3.1.2 試驗軸承生熱計算 ………………………………………………………10
3.1.3 系統(tǒng)總生熱 ………………………………………………………………14
3.2 總供油量的計算 ……………………………………………………………14
3.3 本章小結(jié) ……………………………………………………………………15
4 潤滑組件設(shè)計計算與選型 ……………………………………………………15
4.1 噴嘴的設(shè)計計算 ……………………………………………………………15
4.2 油管的設(shè)計計算 ……………………………………………………………17
4.3 管接頭的選擇 ………………………………………………………………18
4.4 滑油泵的選型 ………………………………………………………………19
4.5 液壓閥的選型 ………………………………………………………………21
4.5.1 減壓閥的選型 ……………………………………………………………21
4.5.2 節(jié)流閥的選型 ……………………………………………………………22
4.5.3 單向閥的選型 ……………………………………………………………23
4.6 冷卻器的選型 ………………………………………………………………23
4.7 過濾器的選型 ………………………………………………………………25
4.8 油箱的設(shè)計計算 ……………………………………………………………27
4.9 潤滑系統(tǒng)監(jiān)測附件選型 ……………………………………………………28
4.9.1 系統(tǒng)性能參數(shù)監(jiān)測 ………………………………………………………28
4.9.2 滑油中碎屑監(jiān)測 …………………………………………………………29
4.10 本章小結(jié)……………………………………………………………………29
5 總結(jié)與展望 ……………………………………………………………………29
5.1 全文總結(jié) ……………………………………………………………………29
5.2 工作展望 ……………………………………………………………………30
6 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………30
致謝 ………………………………………………………………………………31
附錄 ………………………………………………………………………………32
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的設(shè)計
摘 要:直升機(jī)主減速器是直升機(jī)關(guān)鍵的組成部分之一,其作用是將發(fā)動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速按一定比例傳遞到旋翼、尾槳和各附件。主減速器中有非常多組齒輪副嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，因此主減速器中的齒輪疲勞壽命以及潤滑系統(tǒng)的性能都是決定其穩(wěn)定性與可靠性的關(guān)鍵因素。設(shè)計試驗臺，并用現(xiàn)場模擬的方法對直升機(jī)主減速器進(jìn)行研究，從而可以進(jìn)行齒輪疲勞壽命的試驗，同時有助于潤滑系統(tǒng)的性能測試及設(shè)計指導(dǎo)。本論文對于該齒輪疲勞試驗臺的潤滑系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究。
首先，本文收集了一系列國內(nèi)外對該類型試驗臺的研究成果，從中總結(jié)出本論文的主要工作。結(jié)合齒輪試驗臺對潤滑系統(tǒng)的需求，制定了設(shè)計該試驗臺潤滑系統(tǒng)的設(shè)計方案。
其次，對試驗中特定的齒輪副進(jìn)行了生熱量以及需要完成對該齒輪副潤滑以及冷卻所需要的滑油量的計算，結(jié)合試驗臺要求以及實際情況，對潤滑系統(tǒng)的各個部件進(jìn)行設(shè)計計算或選型，包括噴嘴、液壓閥、管路、油箱、冷卻裝置以及檢測裝置等。
關(guān)鍵詞：主減速器；壓力潤滑；生熱計算；噴嘴
The design of lubrication system for gear fatigue test bench of a certain type of helicopter transmission
Abstract: The helicopter transmission is one of the key part of helicopter and the main function of it is to transfer power and speed to rotor, tail and other accessories in a certain percentage. The helicopter transmission contains lots of gear pairs running inside, therefore the fatigue strength of the gears and the lubrication system are key factors of the stability and reliability of it. Design a text bench to imitate the helicopter transmission to do researches so we can text the fatigue strength of the gears and improve the lubrication system. In this paper, the lubrication system of the text bench is studied.
Firstly, a large number of research findings, both internal and abroad, are collected and summarized the main work of this paper. Design the scheme of the lubrication system base on the need of the main project.
Secondly, the main part of the paper is to calculate the heat and the oil quantity to lubricate and cooling of a specific gear pair in test. Then design the component of the lubrication system, including the spray nozzle, the hydro valves, the hydraulic tubes, the oil tank, the cooler and the detectors, base on the needs and reality.
Key words: Transmission; Pressure lubrication; Heat calculation; Spray nozzle
1 前言
直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展是一個及其曲折的歷史，比起固定翼式飛機(jī)要困難許多，從人類第一臺人駕駛直升機(jī)1907年在法國飛離地面[1] 至今已經(jīng)經(jīng)歷了100多年的歷史，但是人類從來沒有停止過對這項技術(shù)的研究與提高。尤其是在戰(zhàn)略角度，武裝直升機(jī)以其靈活多變的作戰(zhàn)功能受到各國軍方的高度重視，所以在上個世紀(jì)初，也就是直升機(jī)剛剛開發(fā)出來的時候，各國軍方就已經(jīng)開始研究武裝直升機(jī)，并且在第一次世界大戰(zhàn)中一些強(qiáng)國就開始應(yīng)用，在“越南戰(zhàn)爭”中被第一次大規(guī)模的使用，成為現(xiàn)代陸軍空兵的主要的主戰(zhàn)裝備[2]。
在直升機(jī)技術(shù)中，主加速器技術(shù)是一個絕對重點(diǎn)，也是技術(shù)壁壘非常嚴(yán)重的一個點(diǎn)。主減速器的作用就是連接發(fā)動機(jī)與主旋翼系統(tǒng)、尾傳動系統(tǒng)和附件傳動系統(tǒng)的中樞部件，將發(fā)動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速按照所需要的比例傳送給以上各系統(tǒng)，并且直接承受和傳遞來自主旋翼系統(tǒng)的升力和力矩[3] ，可以說它的性能對直升機(jī)的整體性能有著非常大的影響[4] ，因此對主減速器的設(shè)計與改進(jìn)一直是一個重點(diǎn)的研究方向。
隨著科技的進(jìn)步，對主減速器的研究也有了很多突破性的進(jìn)展，在研究中主要采用兩種方法，分別是分析軟件模擬以及實驗室試驗臺模擬。分析軟件模擬的方法通過電腦的模擬分析得出的結(jié)果，這樣靠計算機(jī)工作，不耗費(fèi)材料，成本小，而且過程安全，基本沒有風(fēng)險。實驗室試驗臺模擬，這也是研究中不可或缺的方法，一般在完成分析軟件模擬步驟后，將分析得到的結(jié)果實際裝配試驗，這樣可以更直觀的得到數(shù)據(jù)結(jié)果。這些結(jié)果的得出一方面可以用于對過去計算機(jī)模擬的結(jié)果進(jìn)行對比與完善，另一方面也是未來實體應(yīng)用與開發(fā)的重要依據(jù)。
本論文就是對某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，該實驗臺的主要作用是模仿直升機(jī)減速器齒輪箱，從而試驗檢測減速器齒輪的疲勞壽命以及潤滑系統(tǒng)的可靠性與合理性。
1.1 論文課題來源
本論文來自縱向課題，總裝預(yù)研項目：分扭構(gòu)型主減速器熱分析與潤滑系統(tǒng)設(shè)計仿真平臺研究。該課題的研究目標(biāo)為：掌握直升機(jī)主減速器熱分析和潤滑系統(tǒng)設(shè)計的先進(jìn)理論與方法，研發(fā)直升機(jī)主減速器熱分析和潤滑系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計與性能仿真分析平臺，提高直升機(jī)主減速器潤滑系統(tǒng)的設(shè)計水平與工作性能的分析能力。
1.2 論文設(shè)計的目的與意義
1.2.1 設(shè)計目的
根據(jù)某型直升飛機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺的特點(diǎn),本文設(shè)計的潤滑系統(tǒng)需滿足如下要求：
（1）潤滑系統(tǒng)符合試驗臺結(jié)構(gòu)需求，保證試驗臺正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在正常試驗情況下完成潤滑與冷卻。
（2）可以滿足將來在該試驗臺上進(jìn)行的針對齒輪或潤滑系統(tǒng)的正常試驗以及破壞試驗的各項基本要求。
1.2.2 設(shè)計意義
潤滑系統(tǒng)的良好性能是保證主減速器穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵條件，所以潤滑系統(tǒng)也是試驗臺的一個不可缺少的重要組成部分。擁有一個優(yōu)質(zhì)的潤滑系統(tǒng)，試驗臺可以進(jìn)行潤滑系統(tǒng)附件的性能測試以及在各種不同潤滑條件下的齒輪、軸承的潤滑試驗，從而驗證仿真分析的結(jié)果以及測量部分參數(shù)，為將來的直升機(jī)主減速器及其潤滑系統(tǒng)的設(shè)計和研究打下基礎(chǔ)
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1 國外對齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的研究
在戰(zhàn)爭強(qiáng)國，對武裝直升機(jī)這種重要的作戰(zhàn)裝備的研究一直在高速的進(jìn)行之中。在這項研究中，主減速器的研究可謂是重中之重，其穩(wěn)定性決定了整個直升機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。而在主減速器的研究方法中，主要的就是數(shù)字建模以及試驗臺仿真模擬，常常這兩種方式會以先數(shù)字建模后試驗臺模擬的順序先后被使用，以確保最后的成品的可靠性。
在制作試驗臺研究中，美國航空航天局NASA Lewis Center是最早一批也是最權(quán)威的，在1972年，NASA Lewis Center就已經(jīng)開發(fā)出航空用的齒輪疲勞試驗臺，至今連同直升機(jī)測試臺共有6臺，他們分別是：500馬力直升機(jī)傳動測試臺，3000馬力直升機(jī)傳動系統(tǒng)測試臺，行星輪齒輪測試臺，直齒輪失效測試裝置，螺旋齒輪裝置，以及高速齒輪測試臺。其中直齒輪失效測試裝置在1972年運(yùn)行，在齒輪材料，潤滑油和壽命方面提供了有價值的數(shù)據(jù)，該測試臺采用皮帶驅(qū)動，通過更換帶輪可以以幾種固定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。測試臺能夠在轉(zhuǎn)速10000rpm情況下，傳遞75kW的功率，可以全天24小時、每周7天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以提供表面疲勞測試所需的龐大測試周期數(shù)[5] 。為維持如此高速并且長時間的疲勞測試，試驗臺必須有合適的潤滑系統(tǒng)作為保障，齒輪的疲勞測試其實也可以是對潤滑系統(tǒng)穩(wěn)定性與可行性的測試。齒輪的潤滑與冷卻方法有很多種：飛濺潤滑、滴油潤滑、汽/油霧潤滑及增壓噴油潤滑等。有效潤滑的方法通過取決于具體的運(yùn)行條件，比如對于中速和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪，有必要采用增壓噴油潤滑來防止齒輪輪齒的擦傷。在研究中表明，從潤滑的角度看輪齒擦傷是由于輪齒之間的彈性流體動力學(xué)（EHD）油膜過薄造成的，而造成EHD膜過薄的原因通常是因為冷卻不夠充分，而不是潤滑油不足 [6] 。因為冷卻不足首先是會導(dǎo)致齒輪嚙合面溫度過高到齒輪不可接受的程度，其次是會改變滑油的物理以及化學(xué)性質(zhì)，從而影響正常潤滑[7] 。
同時，國外還進(jìn)行了LOL（失去潤滑）的極端條件下傳動系統(tǒng)的測試與改進(jìn)。如NASA Lewis實驗室中OH-58C主減速器LOL試驗已達(dá)到57-104分鐘。
這些研究成果的得出，為齒輪疲勞試驗臺的改進(jìn)做出了巨大的貢獻(xiàn)，也為直升機(jī)事業(yè)的發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。
1.3.2 國內(nèi)對齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)的研究
我國的武裝直升機(jī)事業(yè)起步較晚，但是發(fā)展迅速，目前對于主減速器的潤滑系統(tǒng)的研究已經(jīng)比較深入，使用壓力潤滑的方案也已經(jīng)設(shè)計完成了很多，對其熱穩(wěn)態(tài)的分析、軟件模擬設(shè)計等工作都在持續(xù)的進(jìn)行中，這些結(jié)果的得出都大大提高了武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)以及生存能力[8][9] 。而制作試驗臺對其進(jìn)行試驗校核也是一直使用的方法。齒輪疲勞試驗臺最早是運(yùn)用在汽車等交通工具的齒輪設(shè)計上，在這方面我們也積累了很多的經(jīng)驗。在我國早期的傳動試驗臺的研制存在自動化程度低，很難按事先設(shè)計的試驗過程進(jìn)行試驗，不易實現(xiàn)多參數(shù)自動控制[10] 。而進(jìn)入21世紀(jì)，在齒輪試驗臺的研制進(jìn)入了一個新的“井噴期”，試驗臺的設(shè)計主要分為開放式和封閉式，封閉式又分為機(jī)械封閉式和電能封閉式兩類[11] ，試驗臺同時也大都具有齒輪疲勞試驗以及潤滑系統(tǒng)可靠性試驗等多種功能，從而希望從中得到最平衡的設(shè)計方案，同時滿足齒輪疲勞要求又滿足潤滑要求的直升機(jī)主減速器。
1.4 本文的主要工作
主要針對直升機(jī)主減速器的潤滑冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計計算：將整體的直升機(jī)減速器潤滑系統(tǒng)的設(shè)計步驟以及設(shè)計方法進(jìn)行整理，具體對一對傳動比為0.66的一對定尺寸直齒輪在2900r/min左右的轉(zhuǎn)速下主要發(fā)熱部件（齒輪和軸承）的潤滑系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計，參數(shù)計算，以及各組件的設(shè)計和選型。
2 直升機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺潤滑系統(tǒng)設(shè)計方案
2.1 直升機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺介紹
直升機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺以實驗室模擬的方法，驗證計算機(jī)仿真的有效性，并開展試驗獲取更多的實際參數(shù)。該試驗臺由試驗齒輪箱、試驗軸承箱、驅(qū)動齒輪箱、連接軸以及電動機(jī)等部分組成。試驗齒輪箱與試驗軸承箱分開，試驗齒輪在最靠邊位置，為懸臂結(jié)構(gòu)，在試驗齒輪箱邊開有觀察孔，方便試驗觀察?？傮w設(shè)計如圖1：
1 電動機(jī)，2 驅(qū)動齒輪軸承箱，3 斷路離合器，4 彈性扭力軸，5 加載離合器，6 扭矩加載裝置，7 試驗軸承箱，8 試驗齒輪箱，9 觀察孔
1 Motor, 2 The driving gear and bearing box, 3 Circuit breaker clutch, 4 Elastic torque axis, 5 Loading clutch, 6 The loading device, 7 The text bearing box, 8 The text gear box, 9 The observation hole
圖1 試驗臺總體設(shè)計
Fig 1 General design scheme of the test bench
該試驗臺可以完成齒輪生熱測試，疲勞試驗測試，溫度場的分析，干潤滑，軸承環(huán)向潤滑，噴油測試等試驗，通過這些試驗獲得數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化直升機(jī)主減速器及其潤滑系統(tǒng)的設(shè)計。
2.2 直升機(jī)主減速器齒輪疲勞試驗臺主要試驗
2.2.1 輪齒溫度測試試驗
試驗?zāi)康模簻y試不同條件（轉(zhuǎn)速、扭矩）對齒輪生熱的影響。
試驗方法：（1）齒輪裝置將在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，施加相同的切向載荷，保持潤滑系統(tǒng)正常工作，測定試驗中齒輪表面的溫度；（2）齒輪在穩(wěn)定的相同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，分別施加不同大小的切向載荷，保持潤滑系統(tǒng)正常工作，測定實驗中齒輪表面溫度。
2.2.2 不同條件下齒輪疲勞壽命實驗
試驗?zāi)康模簻y試不同扭矩加載的情況下齒輪疲勞壽命
試驗方法：將齒輪傳動軸上加載不同扭矩、改變主齒輪轉(zhuǎn)速或改變滑油噴油壓力，保持以上三變量中兩個，以剩下的一個作為變量，使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，直到試驗齒輪達(dá)到疲勞壽命而被破壞。
2.3 直升機(jī)主減速器試驗臺潤滑系統(tǒng)總設(shè)計方案
為滿足上述試驗的要求，本試驗臺潤滑系統(tǒng)由四大部分組成，分別是供油系統(tǒng)、回油冷卻系統(tǒng)、噴嘴以及監(jiān)測系統(tǒng)。供油系統(tǒng)又過濾器、滑油泵、壓力調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥以及流向調(diào)節(jié)閥組成，確?；瓦M(jìn)入噴嘴的壓力與清潔度，流量可以達(dá)到要求；回油冷卻系統(tǒng)由冷卻器和過濾器組成，確?；氐接拖涞幕屠鋮s到合適的溫度與清潔度流回油箱；噴嘴需要選用合適的孔徑、數(shù)量以及布置方案，確保齒輪以及軸承可以得到所需的潤滑效果；監(jiān)測系統(tǒng)布置在供油系統(tǒng)、回油冷卻系統(tǒng)以及噴嘴前端，用于收集試驗數(shù)據(jù)并確保潤滑系統(tǒng)的工作參數(shù)在試驗要求范圍內(nèi)，否則報警提示操作人員。由此該潤滑系統(tǒng)的總設(shè)計方案如圖2
3 潤滑系統(tǒng)相關(guān)量計算
3.1 生熱計算
在直升機(jī)實際情況中，齒輪箱熱量主要來自齒輪、軸承等摩擦生熱，以及從發(fā)動機(jī)傳導(dǎo)或輻射而來的熱量，但是由于試驗臺沒有大功率發(fā)動機(jī)，因此忽略傳導(dǎo)或輻射帶來的熱量，即：
Q=PΣ+N （1）
式中：Q——減速器滑油散熱量，kW；
PΣ——齒輪總功率損失，kW；
N——軸承總功率損失，kW；
1 油箱，2 、17 過濾器，3 冷卻器，4、8、10、18 溫度計，5 金屬探測器及其指示燈，6 陪試齒輪、軸承箱噴嘴組合，7 試驗軸承箱噴嘴組合，9 試驗齒輪箱噴嘴組合，11 壓力計，12 流量計，13 單向閥，14節(jié)流閥，15 減壓閥，16 滑油泵
1 Tank, 2,17 Filter, 3 Cooler, 4,8,10,18 Thermometer, 5 Metal detector with alarm light, 6 The spray nozzles of driving gear and bearing box, 7 The spray nozzles of text bearing box, 9 The spray nozzles of text gear box, 11 Pressure gauge, 12 Flow meter, 13 One-way valve, 14 Throttle valve, 15 pressure relief valve, 16 Pump
圖2直升機(jī)主減速器試驗臺潤滑系統(tǒng)總設(shè)計方案
Fig 2 General design scheme of the lubrication system of the helicopter transmission text bench
3.1.1 試驗齒輪生熱計算
國外學(xué)者研究得出齒輪功率損失的計算方法主要有：Anderson and Loewenthal, Buckingham, Chiu, Merritt和Shipley五種方法[12]。Neil Anderson和Stuart Loewenthal通過對著五種方法計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)只有他們的研究方法能夠在不同負(fù)載、轉(zhuǎn)速和噴油條件下，持續(xù)給出比較好的功率損失預(yù)測結(jié)果[13] 。
Anderson-Loewenthal的方法中，齒輪生熱主要來源是齒輪傳動中的功率損失，其中包括三部分：滑動、滾動和風(fēng)阻損失[14][15]。本論文的研究對象為試驗臺要求的一對直齒輪，齒輪的基本參數(shù)如表1所示，其功率損失即可以按照Anderson-Loewenthal的公式直接進(jìn)行計算。
表1 試驗齒輪的參數(shù)
Table 1 parameter of tested gears
型號
齒數(shù)
模數(shù)
壓力角
齒寬
齒頂圓半徑
傳動比
最大轉(zhuǎn)速
大齒輪
24
0.0045m
20°
0.020m
0.05625m
0.66
2900
小齒輪
16
0.0045m
20°
0.020m
0.044385m
4393
1、 齒輪嚙合線長度
g=（ra12-rb12）0.5+（ra22-rb22）0.5-（r1+r2）sinα （2）
式中：g—嚙合線長度，m；
ra—齒頂圓半徑，m；
rb—基圓半徑，m；
r—節(jié)圓半徑，m；
α—壓力角，（°）；
下標(biāo)：1—主動齒輪；
2—從動齒輪。
計算得齒輪嚙合線長度為0.0625m
2、 平均滑動速度
Vs=0.02618n1g（z1+z2）z2 （3）
式中：Vs—平均滑動速度，ms；
z—齒數(shù)
n—轉(zhuǎn)速，rmin。
計算得平均滑動速度為11.8628ms
3、 平均滾動速度
VΥ=0.2094n1r1sinα-0.125g（z2-z1）z2 （4）
式中：VΥ —平均滾動速度，ms。
計算得平均滾動速度為13.5900ms
4、 扭矩
T1=9549Pn1 （5）
式中：T1—扭矩，N·m；
P—轉(zhuǎn)動功率，KW。
計算得扭矩為24.69N·m
5、 平均法向載荷
Fn=T1（r1cosα） （6）
式中：Fn—平均法向載荷，N。
計算得平均法向載荷為486.68N
6、 摩擦系數(shù)
f=0.0127lg29.66Fn/(bμ0vsvΥ2) （7）
式中：f—摩擦系數(shù)；
b—齒寬，m（對于齒輪副，取齒寬較小的）；
μ0—滑油動力粘度，mPa·s。
計算得摩擦系數(shù)為0.016
7、 平均滑動損失
ps=fFnvs/1000 （8）
式中：ps—平均滑動損失，kW。
計算得平均滾動損失為0.009kW
8、 當(dāng)量曲率半徑
ρr=r1sinα+0.25g(r2sinα-0.25g)/[r1+r2sinα] （9）
式中：ρr—當(dāng)量曲率半徑，m。
計算得當(dāng)量曲率半徑為-0.0037m
9、 油膜厚
h=2.051×10-7（VΥμ0)0.67Fn-0.067ρr0.464 （10）
式中：h—EHD油膜厚度，m。
計算得油膜厚度為2.3×10-6m
10、重合度
ε=1000g/(πmcosα) （11）
式中：ε—重合度；
m—模數(shù)，mm；
計算得重合度為4.7047
11、平均滾動損失
PR=90000VΥbεh （12）
式中：PR—平均滾動損失，kW。
計算的平均滾動損失為0.2646kW
12、風(fēng)阻損失
Pw1=2.82×10-71+2.3br1n12.8r14.6(0.028μ0+0.019)0.2 （13）
Pw2=2.82×10-71+2.3br2(n1z1z2)2.8r24.6(0.028μ0+0.019)0.2 （14）
式中：Pw—風(fēng)阻損失，kW；
計算得風(fēng)阻損失為：Pw1=8.69×10-4kW
Pw2=0.0033kW
13、齒輪總損失
PΣ1=Ps+PR+Pw1+Pw2 （15）
式中：PΣ1—試驗齒輪總損失，kW。
計算得齒輪總損失為0.2830kW
上述計算中一些參數(shù)才計算與選取詳見文獻(xiàn)[14]中第七節(jié)所述。
14、陪試齒輪生熱計算
為了使陪試齒輪不過早的損壞，在不改變嚙合傳動有關(guān)的參數(shù)的情況下選取更大的齒寬，從而散發(fā)疲勞應(yīng)力，減少疲勞損傷。由此計算產(chǎn)熱為PΣ2=0.5299kW。
3.1.2 試驗軸承生熱計算
軸承生熱主要也是由軸承中的摩擦引起，按瑞典科學(xué)家Palmgren從軸承疲勞壽命理論中總結(jié)出來的計算方法比較成熟[16] ，將摩擦力矩分為外載荷引起的摩擦力矩和粘性摩擦力矩兩個部分。該試驗臺設(shè)計使用的是四對完全相同的深溝球軸承。
1、 外載荷引起的摩擦力矩
M1=f1Fβdm （16）
式中：M1—外載荷引起的摩擦力矩，N·m；
f1—與軸承結(jié)構(gòu)及相對載荷有關(guān)的因子；
Fβ—當(dāng)量載荷，N；
dm—軸承節(jié)圓直徑，m。
式中的f1、Fβ、dm三個參數(shù)都要查表或計算獲得。
① f1的確定
對于球軸承：
f1=z‘(Fs/Cs)Y （17）
式中：z‘、Y—系數(shù)；
Fs—當(dāng)量靜載荷，N；
Cs—額定基本靜載荷容量，N。
z‘、Y值查表：
表2 z‘、Y取值
Table 2 the z‘ and Y
球軸承類型
z‘
Y
深溝球軸承αr=0°
0.0009
0.55
角接觸球軸承
αr=30°
αr=40°
0.0010
0.0013
0.0003
0.33
0.33
0.40
自動調(diào)心球軸承
注：表中αr—接觸角（°）
由此選擇z‘=0.0009、Y=0.55
Fs數(shù)值去下兩式中較大者
Fs=XsFr+YsFa （18）
Fs=Fr （19）
式中：Fa—軸向力，N；
Fr—徑向力，N；
Xs、Ys—當(dāng)量靜負(fù)荷折算系數(shù)；
表3 Xs、Ys取值
Table 3 the Xs and Ys
軸承類型
單列
雙列
Xs
Ys
Xs
Ys
向心球軸承
0.6
0.5
0.6
0.5
取Xs=0.6、Ys=0.5；設(shè)計Fr=3000N、Fa=200N。
計算得，式（18）=1900N；式（19）=3000N；因此取Fs=3000N。
Cs=2.758izsD2cosαr[2f2(1-γ)/(2f2-1)]0.5 （20）
式中：f2=rs/D1；
γ=D1cosαr/dm；
rs—溝道曲率半徑，m；（D1/2）
dm—軸承節(jié)圓直徑，m；((d+D)/2)
D1—鋼球直徑，m；((D-d)/4)
i—滾動體列數(shù)；
zs—每列滾動體數(shù)目。
計算得額定基本靜載荷容量為6826N
將Fs、Cs的結(jié)果帶入（17）
由此計算f1=0.0005
② Fβ值的確定
對于向心球軸承，F(xiàn)β值取下列兩式中較大者
Fβ=0.9Facotαr-0.1Fr （21）
Fβ=Fr （22）
只有（22）式合理，所以Fβ=Fr=3000N。
③ dm值的確定
dm≈(d+D)/2 （23）
式中：d—軸承內(nèi)孔徑，m；
D—軸承外孔徑，m。
計算得軸承節(jié)圓直徑為0.06m。
將（17）、（22）、（23）的結(jié)果的帶入（16）
計算得：M1=0.1031N·m。
2、 粘性摩擦力矩
Mv=9.79×10-11f0(v0n)23dm3 （24）
Mv=9.79×10-11f0dm3 （當(dāng)v0n＜2000） （25）
式中：Mv—粘性摩擦力矩，N·m；
f0—與軸承類型和潤滑方式有關(guān)的因子；
v0—滑油運(yùn)動粘度，mm2/s；
dm—軸承節(jié)圓直徑，mm；
n1—大齒輪軸承轉(zhuǎn)速，r/min；
n2—小齒輪軸承轉(zhuǎn)速，r/min。
f0的確定：
表4 f0取值
Table 4 the f0
軸承類型
油脂潤滑
噴射潤滑
單列深溝球軸承
1.5~2
3~4
單列角接觸球軸承
2
4
雙列角接觸球軸承
4
8
單列圓錐滾子軸承
3~4
6~8
單列圓柱滾子軸承
2~3
4~6
雙列球面滾子軸承
4~6
8~12
f0取4，查得v0=20mm2/s，本試驗齒輪v0n>2000，所以選用式（25）
計算的粘性摩擦力矩分別為：Mv1=0.1267N·m；
Mv2=0.1661N·m。
3、 總功率損失
N1=2[1.047×10-4Mv1+M1] （26）
N2=2[1.047×10-4Mv2+M1] （27）
N=N1+N2 （28）
式中：N—試驗軸承總功率損失，kW。
計算中有兩對共4個軸承，所以在公式前誠意系數(shù)2，且Mv不同，因此帶入式（28）
計算得軸承總功率損失為0.3847kW。
4、陪試軸承生熱計算
陪試軸承與試驗齒輪軸承完全相同，總功率損失相同，Np=N=0.3847kW。
3.1.3 系統(tǒng)總生熱
系統(tǒng)的總生熱即為所有齒輪副以及軸承的生熱量之和，
Q=PΣ1+PΣ2+N+Np （29）
計算得系統(tǒng)總生熱為1.5823kW。
3.2 總供油量的計算
總功率損失理論上全部用于發(fā)熱，設(shè)計之中根據(jù)滑油性質(zhì)以及實際要求設(shè)定滑油溫升?t，設(shè)計發(fā)熱完全被潤滑油帶走，由此所需滑油總流量的計算表達(dá)式為：
W=60×106Q/(cpρ?t) （30）
式中：W—滑油流量，L/min；
Q—滑油散熱量，kW；
cp—滑油定壓比熱容，J/(kg·℃;( 1870J/(kg·℃))
ρ—滑油密度，kg/㎡；(900 kg/m3)
?t—溫升，℃，一般取30℃到50℃。（取30℃）
依照公式分別帶入數(shù)據(jù)計算
試驗齒輪副供油量
試驗齒輪齒輪Q=PΣ，代入（30）得W1=0.3363 L/min 。
陪試齒輪副供油量
陪試齒輪齒輪Q=PΣ，代入（30）得W2=0.6298 L/min 。
大齒輪對應(yīng)軸承供油量
大齒輪對應(yīng)軸承Q=N1，代入（30）得W3=0.0829 L/min 。
小齒輪對應(yīng)軸承供油量
小齒輪對應(yīng)軸承Q=N2，代入（30）得W4=0.1457L/min 。
系統(tǒng)總供油量
供油處包括試驗齒輪副、陪試齒輪副、4個大齒輪對應(yīng)軸承、4個小齒輪對應(yīng)軸承
W=W1+W2+4W3+4W4 （31）
計算得系統(tǒng)總供油量為1.8804Lmin
3.3 本章小結(jié)
本章進(jìn)行試驗臺一對特定試驗齒輪副以及與其配合的陪試齒輪副、試驗軸承、陪試軸承在正常工作狀態(tài)下的生熱與滑油需求量的計算。試驗齒輪副和陪試齒輪副生熱的計算使用Anderson-Loewenthal的方法，試驗軸承和陪試軸承的計算使用Palmgren從軸承疲勞壽命理論中總結(jié)出來的計算方法。以上兩種方法是目前世界上對齒輪副以及軸承的生熱計算中最精確的方法。總供油量的計算是使用傳統(tǒng)的流量計算方法，分別求出各個發(fā)熱點(diǎn)的滑油需求量然后求和。
4 潤滑組件設(shè)計計算與選型
4.1 噴嘴的設(shè)計計算
噴嘴是壓力潤滑系統(tǒng)中最終執(zhí)行噴射潤滑的原件，主要向摩擦副結(jié)合處噴射潤滑液，從而帶走熱量并實現(xiàn)潤滑。由上文計算結(jié)果可知每個需要潤滑的部分所需的潤滑油量，由此即可完成噴嘴的設(shè)計。潤滑噴嘴的經(jīng)驗數(shù)據(jù)大概是0.7mm~1.5mm，因為噴嘴過小，則容易被堵塞，從而影響潤滑。噴嘴過大，則無法達(dá)到壓力要求，從而無法使?jié)櫥偷竭_(dá)需要潤滑的部位，也會影響潤滑。
為保證噴出的滑油有合適的圓柱段，主減速器所用的噴嘴的孔長、孔徑之比通常都大于3，且其出口邊緣應(yīng)保持銳邊，因此屬于厚壁孔[17][18] ，其噴射速度就主要取決于噴嘴的供油壓力。噴嘴壓力的選定是在系統(tǒng)初步設(shè)定時以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況而被選定。所用，在工程設(shè)計中，通常先選定供油壓力，再校對噴嘴孔徑。
本系統(tǒng)中，噴嘴的供油壓力選在0.24Mpa到0.48Mpa之間。
噴嘴直徑計算公式
d=[W/(0.658×P-P0×n)]0.5 （32）
式中：d—噴嘴直徑，mm；
W—該噴嘴流量，L/min；
P—噴嘴孔口前壓力，bar；
P0—環(huán)境壓力，bar；
n—噴嘴個數(shù)。
因為本試驗臺各個噴嘴所需流量較小，使得計算得噴嘴直徑非常小，從而引發(fā)兩個問題，一是直徑過小，難以加工，若要加工到計算直徑，成本太高而且精度難以保證；二是噴嘴直徑太小，很容易被潤滑系統(tǒng)中的雜質(zhì)堵塞，從而無法達(dá)到潤滑功能，反而破壞機(jī)器。所以在設(shè)計中，通常把流量增大，從而可以在不影響潤滑效果的前提下增大噴嘴直徑。本實驗臺設(shè)計將各個噴嘴流量都設(shè)為0.7 L/min，噴嘴孔口前壓力為0.3Mpa=3bar，環(huán)境壓力為0Mpa，從而計算試驗齒輪、陪試齒輪、大齒輪對應(yīng)軸承、小齒輪對應(yīng)軸承的噴嘴直徑均為d=0.7837mm。
流量值改變后，系統(tǒng)總流量也隨即發(fā)生變化，設(shè)計的噴嘴數(shù)量依然為10個（每對齒輪副一個，每個軸承一個），因此W=n×0.7=7 L/min。
由于流量已經(jīng)放大，本試驗臺噴嘴在齒輪副嚙合的處設(shè)置單孔噴嘴，而且只需在嚙合線嚙入側(cè)供油。軸承也只需要在單側(cè)供油即可達(dá)到要求。具體的布置方法[19] 如圖3和圖4
圖3 齒輪潤滑示意圖 圖4 軸承潤滑示意圖
Fig 3 Sketch map of gear lubrication Fig 4 Sketch map of bearing lubrication
4.2 油管的設(shè)計計算
潤滑油管路的結(jié)構(gòu)與布局需要根據(jù)噴嘴的位置以及機(jī)匣的結(jié)構(gòu)確定，由于本項目研究的試驗臺機(jī)匣構(gòu)造簡單，所以主要考慮噴嘴位置。
管路的直徑計算公式
dg=4.6×(WV)0.5 （32）
式中：dg—管路公稱直徑，mm；
W—管路所連噴嘴的滑油總流量，L/min；
V—潤滑油許可流速，m/s。
W由上文計算結(jié)果可以簡單求得，V可查下表[20] ：
表5 潤滑油許可流速
Table 5 the Permit velocity of lubricating oil
系統(tǒng)壓力MPa
0.3
0.5
1.0
2.5
管內(nèi)流速m/s
0.8
1.0
1.3
2.0
由于試驗臺所需壓力很小，所以取V=0.8m/s。
設(shè)計計算中，到每個齒輪箱或軸承箱的進(jìn)油與回油管路選型相同，其直徑分別設(shè)為，總油管，dg；試驗齒輪箱油管，dg1；試驗軸承箱油管，dg2；陪試齒輪、軸承箱油管，dg3。將數(shù)據(jù)代入（32）
計算得油管直徑分別為dg=13.6070mm，取整為15mm；
dg1=4.3029mm，取整為5mm；
dg2=8.6058mm，取整為10mm；
dg3=9.6216mm，取整為10mm。
取值皆向上取整，壓力和流量由主管路閥門控制。管路都選用金屬圓管，其規(guī)格見表6。
表6 液壓管技術(shù)規(guī)格
Table 6 the Technical specifications of hydraulic tube （mm/）
油管
公稱通徑
鋼管外徑
管接頭連接螺紋
試驗齒輪箱油管
5
10
M10×1
試驗軸承箱油管
10
18
M18×1.5
陪試齒輪、軸承箱油管
10
18
M18×1.5
總油管
15
22
M22×1.5
在泵站中，各個液壓元件用軟管連接，軟管直徑依照公式
Ar=W6V （33）
式中：Ar—軟軟截面積，cm2；
由此算得泵站中軟管直徑約為15mm，由于管徑過大，液壓泵站的安裝不方便，而且本系統(tǒng)的壓力、流速都較小，在后文中選定液壓閥時可以提供足夠的流量和壓力的調(diào)節(jié)域度，所以將軟管內(nèi)徑取得較小，方便液壓站安裝，本試驗臺選用1T型軟管，在接管接頭時不切除或部分切除外膠層。其技術(shù)規(guī)格見表7。
表7 液壓軟管技術(shù)規(guī)格
Table 7 the Technical specifications of hydraulic hose (mm)
公稱內(nèi)徑
內(nèi)徑
增強(qiáng)型外層
成品軟管外徑
最小值
最大值
最小值
最大值
最小值
最大值
6.3
6.1
6.9
10.6
11.7
15.1
16.7
4.3 管接頭的選擇
話油管路公稱直徑計算之后，便可以根據(jù)結(jié)果查表選擇管接頭。本試驗臺選擇擴(kuò)口式管接頭，該類型接頭構(gòu)造簡單，性能良好，加工使用方便，適用于以油、氣為介質(zhì)的中、低壓管路系統(tǒng)。試驗臺需要直通式、直角式以及三通式三種標(biāo)準(zhǔn)管接頭如圖5、圖6和圖7，選擇的尺寸參數(shù)如表8和表9[20] ，其余特殊管路大小管接頭需定制
圖5擴(kuò)口式直通管接頭
Fig 5 Straight flared tube fittings
表8 擴(kuò)口式直通管接頭尺寸參數(shù)
Table 8 the Technical specifications of Straight flared tube fittings （mm）
D0
d0
d1
L13
e1
e
S1
S
5
3.5
M10×1
40
15
15
13
13
12
10
M18×1.5
58
27.7
24.2
24
21
14
12
M22×1.5
58
31.2
27.7
27
24
圖6擴(kuò)口式垂直管接頭 圖7擴(kuò)口式三通管接頭
Fig 6 Vertical flared tube fittings Fig 7 three ways flared tube fittings
表9 擴(kuò)口式垂直、三通管接頭尺寸參數(shù)
Table 9 the Technical specifications of vertical and three ways flared tube fittings （mm）
D0
d0
d
L9
e1
S1
S
5
3.5
M10×1
25.5
15
13
8
12
10
M18×1.5
38
27.7
24
21
14
12
M22×1.5
39.5
31.2
27
21
液壓泵站軟管選用卡套式軟管接頭，接頭型號依據(jù)所選軟管直徑以及所連接液壓附件的進(jìn)出油口直徑確定，特殊螺紋或口徑的管接頭需定制。
4.4 滑油泵的選型
滑油泵在試驗臺設(shè)計中多采用齒輪泵，選型時要根據(jù)系統(tǒng)的供油量，供油壓力以及泵的機(jī)械特性決定。由于在設(shè)計前已經(jīng)將滑油壓力擬定，完成后再進(jìn)行試驗校核，因此，主要根據(jù)泵的流量來進(jìn)行設(shè)計。
滑油泵的供油量Wb，一般取每個噴嘴所需油量和的1.2～1.5倍，從而保證系統(tǒng)有一定的供油裕度，
Wb=1.2~1.5W （34）
計算中取1.4倍，計算得油泵供油量應(yīng)為9.800L/min。
在選型時，還要考慮到滑油泵的工作壓力、流量、轉(zhuǎn)速以及安裝尺寸等因素來進(jìn)行泵的校核，看是否能夠滿足總體設(shè)計要求。本試驗臺選擇CB-B10齒輪泵如圖8，其技術(shù)規(guī)格和安裝尺寸規(guī)格如表10和表11所示。
表10 CB-B10齒輪泵技術(shù)規(guī)格
Table 10 the Technical specifications of CB-B10 gear pump
排量ml/r
額定壓力Mpa
轉(zhuǎn)速r/min
驅(qū)動功率kW
容積效率
10
2.5
1450
0.51
≥0.70
圖8 CB-B10齒輪泵
Fig 8 the CB-B10 gear pump
表11 CB-B10齒輪泵安裝尺寸參數(shù)
Table 11 the Installation dimension of CB-B10 gear pump （mm）
L
S
H
l
l1
D
D1
d
M
A
B
b
t
94
65
95
30
25
φ50
35-0.03-0.02
φ12
M6
30
35
4
13.5
本試驗臺選用CB-B低壓齒輪油泵臥式電機(jī)組，如圖9，圖10：
圖9 CB-B低壓齒輪油泵臥式電機(jī)組
Fig 9 the CB-B low pressure gear pump horizontal motor group
圖10 CB-B低壓齒輪油泵臥式電機(jī)組裝配圖
Fig 10 the Assembly drawing of CB-B low pressure gear pump horizontal motor group
其安裝尺寸見表12
表12 CB-B低壓齒輪油泵臥式電機(jī)組安裝尺寸參數(shù)
Table 12 the Installation dimension of CB-B low pressure gear pump horizontal motor group
（mm）
C
L
A
B
Φ
HB
H
電動機(jī)
電機(jī)功率kW
178
359
35
90
7
10
71
DM7124
0.55
4.5 液壓閥的選型
由于系統(tǒng)的壓力、要求以及流量要求是試驗范圍之一，而且系統(tǒng)正常工作需要的流量以及壓力都比較小，所以在齒輪泵選定后需要配合設(shè)置減壓閥和節(jié)流閥來控制油壓與流量。
4.5.1 減壓閥的選型
因為選擇的滑油泵額定壓力為2.5Mpa，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)要求的壓力，而且在實驗中需要實現(xiàn)對話有壓力的調(diào)節(jié)，從而制造不同的潤滑條件，所以需要選擇減壓閥實現(xiàn)壓力調(diào)整。本試驗臺選擇DR-10-1-30/100-Y減壓閥如圖11，其具體技術(shù)參數(shù)及安裝尺寸參數(shù)如表13和表14所示
表13 DR-10-1-30/100-Y減壓閥技術(shù)規(guī)格
Table 13 the Technical specifications of DR-10-1-30/100-Y pressure relief valve
通徑mm
螺紋mm
工作壓力Mpa
進(jìn)口壓力Mpa
出口壓力Mpa
被壓Mpa
16
15
≤10
≤10
0.3~10
≤10
1 回油口，2 鎖緊螺母，3 調(diào)節(jié)刻度套，4 調(diào)節(jié)手柄，5調(diào)節(jié)裝置，6 調(diào)節(jié)手柄（帶鎖），7 遙控口，8 標(biāo)牌
1 Oil return port, 2 Lock nut, 3 Adjusting set, 4 Adjusting hand shank, 5 Adjusting device, 6 Adjusting hand shank (with lock), 7 Control port, 8 Label
圖11 DR-10-1-30/100-Y減壓閥
Fig 11 DR-10-1-30/100-Y Pressure relief valve
表14 DR-10-1-30/100-Y減壓閥安裝尺寸參數(shù)
Table 14 the Installation dimension of DR-10-1-30/100-Y pressure relief valve
（mm）
B1
φD1
φD2
φD3
H1
H2
H3
H4
L1
L2
L3
L4
T1
63
9
G34
42
125
105
28
75
85
40
62
90
16
4.5.2 節(jié)流閥的選型
因為選擇的滑油泵額定流量為14.5L/min，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)要求的流量，而且在實驗中需要實現(xiàn)對話有流量的調(diào)節(jié)，從而制造不同的潤滑條件，所以需要選擇節(jié)流閥實現(xiàn)流量調(diào)整。本試驗臺選用SRC-T-06-50節(jié)流閥如圖12，其具體技術(shù)參數(shù)及安裝尺寸參數(shù)如表15和表16所示。
表15 SRC-T-06-50節(jié)流閥技術(shù)規(guī)格
Table 15 the Technical specifications of SRC-T-06-50 throttle valve
通徑mm
額定流量L/min
最小穩(wěn)定流量L/min
最高工作壓力Mpa
20
85
8.5
25
圖12 SRC-T-03-50節(jié)流閥
Fig 12 SRC-T-06-50 Throttle valve
表16 SRC-T-03-50節(jié)流閥安裝尺寸參數(shù)
Table 16 the Installation dimension of SRC-T-06-50 throttle valve （mm）
A
B
C
D
E
F
G
H
72
36
44
105.5
53.5
38
46
22
4.5.3 單向閥的選型
因為試驗臺的布置油箱在試驗操作臺的下方，為避免滑油因重力原因向油箱回流，必須在共有路上設(shè)置單向閥。本實驗臺中單向閥要求結(jié)構(gòu)簡單，只需具備使滑油單向流通的功能即可，因此選擇S型單向閥S-15-A-0—2-0如圖13所示，其具體技術(shù)參數(shù)及安裝尺寸參數(shù)如表17和表18所示。
表17 S-15-A-0—2-0單向閥技術(shù)參數(shù)
Table 17 the Technical specifications of S-15-A-0—2-0 one-way valve
通徑mm
最大工作壓力Mpa
連接形式
最大流量L/min
15
21.5
管式
65
圖13 S-15-A-0—2-0單向閥
Fig 13 S-15-A-0—2-0 one-way valve
表18 S-15-A-0—2-0單向閥安裝尺寸參數(shù)
Table 18 the Installation dimension of S-15-A-0—2-0 one-way valve （mm）
D1
H1
L1
T1
G34
41.5
85
16
4.6 冷卻器的選型
在航空發(fā)動機(jī)和減速器的設(shè)計中，因為發(fā)熱非常大，所以對滑油的冷卻時一個非常重要的步驟，故潤滑系統(tǒng)中應(yīng)有符合最大散熱量要求的冷卻器[19]。
本項目是齒輪實驗臺，產(chǎn)生的熱量比實際的航空減速器要小很多，所以不需要特別大型的冷卻系統(tǒng)。而且在過去的研究經(jīng)驗中得出，系統(tǒng)通過傳導(dǎo)等方式，會散發(fā)約15%的熱量，因此冷卻器只需要帶走總熱量的85%，也就是Ql=85%Q=1.1351kW.設(shè)計中采用最常用的水冷式多管冷卻器。
冷卻器散熱面積計算[20 ] 從總熱量入手，通過經(jīng)驗得到的系數(shù)，從而計算得面積。
A=QlK?T （35）
式中：A—散熱器散熱面積，m2；
Ql—散熱器帶走熱量，W；
K—冷卻器傳熱系數(shù)，W/(m2·k)；
?T—平均溫差，℃。
?T=t1+t2-t1'+t2'/2 （36）
式中：t1、t2—滑油進(jìn)、出口溫度，℃；
t1'、t2'—水進(jìn)、出口溫度，℃。
上文的計算中滑油的溫升為30℃，因此冷卻的溫度也降低30℃，根據(jù)比熱容關(guān)系以及流量要求，計算得水的溫升也為30℃左右。為滿足試驗臺的基本實驗要求，滑油起始溫度（即冷卻器入口）設(shè)為50℃，出口溫度為80℃，水的起始溫度（即冷卻器入口溫度）設(shè)為室溫20℃，出口溫度為50℃。
計算得散熱器所需面積為0.3262m2。
所需水量計算[20 ] ，根據(jù)滑油流量以及比熱容關(guān)系，計算水量，在此假設(shè)熱量都由冷卻水帶走
Ws=WCρ(t2-t1)/[C'ρ't1'-t2'] （37）
式中：Ws—冷卻器所需水量，Lmin；
W—滑油流量，Lmin；
C、C'—滑油、水比熱容，J/(kg·℃； C=1870J/(kg·℃)、C'=4186.8J/(kg·℃)
ρ、ρ'—滑油、水密度，ρ=900 kg/㎡、ρ'=1000 kg/㎡
計算得所需水流量為2.8138Lmin
由于計算結(jié)果為溫升的正常情況，所以冷卻器散熱面積向上取合適面積，選用A=0.39m2的KMCL多管式冷卻器如圖14，其具體技術(shù)參數(shù)及安裝尺寸參數(shù)如表19和表20所示。
表19 KMCL多管式冷卻器3Y04技術(shù)參數(shù)
Table 19 the Technical specifications of KMCL multi-tubular cooler 3Y04
通徑mm
油出入口
水出入口
額定流量L/min
散熱面積m2
重量KG
10
PT3/4
PT3/4
60
0.39
9.5
圖14 KMCL多管式冷卻器3Y04
Fig 14 KMCL multi-tubular cooler 3Y04
表20 3Y04多管式冷卻器KMCL安裝尺寸參數(shù)
Table 20 the Installation dimension of KMCL multi-tubular cooler 3Y04 （/mm）
A
B
C
D
E
F
G
595
408
270
92.5
89
120
138
H
I
J
K
L
M
N
76
62
20
95
115
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4.7 過濾器的選型
過濾器是液壓系統(tǒng)中的重要元件，他可以清除液壓油中的污染物，保持液壓油的清潔度，確保系統(tǒng)元件工作可靠性。
在過濾器的選擇設(shè)計中，主要