一种便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台技术领域
本发明涉及教学工具技术领域，特别涉及一种机械故障综合模拟试验台。
背景技术
机械系统中各零部件的安全运行是整个机械系统安全运行的保障，而齿轮、轴承等零件的
故障通常会影响系统的运行，引起振动、停车甚至发生事故，造成严重后果。因此，及时地监
测、发现零件的故障，采取相应措施，对于避免意外事故的发生，降低事故造成的经济损失具
有重要意义。各大学院校机械工程相关专业也都将《机械故障诊断》课程作为重要的专业主干
课程，机械故障综合模拟试验台是《机械故障诊断》课程实验的重要实验仪器，对于学生理解
课堂知识，增加实践经验有重要作用。
目前市场中相关产品种类繁多，可以实现各种齿轮、轴承、轴系等零件的常见故障模拟，
实现教学目的。但是，现有产品普遍存在故障零件更换困难的问题，导致实际教学实验中，学
生需耗费大量时间和精力更换故障零件进行实验，降低了课堂效率，润滑油易造成实验室环境
污染，而频繁地更换零件，也容易造成实验台本身精度降低，影响实验教学效果。
因此，针对以上问题，有必要设计一种新型的机械故障综合模拟试验台，实现更方便地更
换故障零件，为相关的实验教学与科研工作提供方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台，可以简便实
现各种故障零件的更换，加载装置易调节，方便于教学演示与科研工作的使用。
为实现上述功能，本发明采用如下技术方案：
一种便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台，包括电动机、故障模拟齿轮箱、阻
尼器和台座；电动机和故障模拟齿轮箱固定在台座上；故障模拟齿轮箱包括箱座、箱盖、高速
轴、低速轴和拨叉机构；箱座固定在台座上，箱座内平行安装有高速轴和低速轴；高速轴为输
入轴，低速轴为输出轴；高速轴和低速轴两端均通过轴承支撑在故障模拟齿轮箱的箱座上；高
速轴上装1个高速轴齿轮；低速轴上装多个低速轴齿轮；低速轴与低速轴齿轮之间通过键进行
周向定位，轴向通过轴套与轴肩进行定位；高速轴与高速轴齿轮之间通过键进行周向定位，轴
向能够通过拨叉机构带动进行滑动；高速轴齿轮为无故障的正常齿轮，低速轴齿轮中一个齿轮
为无故障正常齿轮，其余齿轮为故障齿轮；电动机的输出轴通过联轴器连接传动阶梯轴的输入
端，传动阶梯轴的输出端通过联轴器连接故障模拟齿轮箱的高速轴的输入端；故障模拟齿轮箱
的低速轴的输出端连接阻尼器。
进一步的，所述拨叉机构包括拨叉手柄、拨叉、方轴和方轴手柄；箱盖上开有窄槽作为
拨叉手柄的导轨；拨叉手柄通过弹簧滚珠结构在导轨中进行定位，弹簧滚珠结构置于拨叉手柄
内部与箱盖接触处；拨叉手柄下部开槽，槽宽与拨叉宽度相等；拨叉安装于拨叉手柄下部的槽
中，能够在拨叉手柄的带动下沿导轨方向移动；拨叉手柄两侧开圆孔，圆孔直径略大于方轴对
角线长度，保证方轴转动过程不与拨叉手柄发生干涉；拨叉上端开方形孔槽，与方轴间隙配合，
使拨叉能够在方轴上左右滑动；方轴穿过拨叉上端的方形孔槽和拨叉手柄的圆孔；固定连接方
轴的方轴手柄位于箱盖外侧；方轴手柄的周向转动能够通过方轴带动拨叉实现放下、抬起的操
作。
进一步的，箱盖上开有若干对应不同低速轴齿轮的V型槽作为定位槽。
进一步的，所述故障齿轮为断齿齿轮、磨损齿轮、点蚀齿轮或胶合齿轮。
进一步的，还包括故障模拟轴盘、故障模拟轴承和径向加载系统；故障模拟轴盘包括左
侧盘和右侧盘；故障模拟轴承包括左侧轴承座盖、左侧轴承、左侧轴承座、径向加载处轴承、
径向加载处轴承座、右侧轴、右侧轴承座盖和右侧轴承座；左侧轴承、径向加载处轴承座和右
侧轴承依次安装在传动阶梯轴上；左侧轴承座和右侧轴承座固定在台座上；左侧轴承和右侧轴
承分别安装在左侧轴承座和右侧轴承座中；左侧轴承座盖和右侧轴承座盖通过螺钉可拆卸的安
装在左侧轴承座和右侧轴承座上，并将左侧轴承和右侧轴承分别固定于左侧轴承座盖和左侧轴
承座之间、右侧轴承座盖和右侧轴承座之间；径向加载处轴承安装在径向加载处轴承座上；左
侧盘和右侧盘安装在于传动阶梯轴上，左侧盘位于左侧轴承和径向加载处轴承之间；右侧盘位
于径向加载处轴承和右侧轴承之间；径向加载系统用于对径向加载处轴承座施加径向载荷。
进一步的，径向加载系统包括液压缸和液压缸支座；液压缸安装在液压缸支座顶部；液
压缸支座安装在台座上，液压缸支座的中部具有一个内凹的开口，径向加载处轴承安装于液压
缸支座的中部开口中，液压缸的输出轴作用在径向加载处轴承座上，通过径向加载处轴承座向
径向加载处轴承和阶梯轴施加径向载荷
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、故障模拟轴盘系统采用阶梯轴设计，便于轴上盘、加载块、轴承等零件装卸，防止装
卸过程划伤轴表面。
2、故障诊断轴盘系统由传动轴和两个盘组成，在盘上增加质量块可以模拟轴系不对中等
故障，盘与轴采用紧配合，由轴肩单侧定位；传动轴通过轴肩与轴承座上的轴承定位。
3、故障模拟轴盘系统增加径向加载装置，通过液压驱动，实现精确的连续加载，加载处
采取特殊设计，加载装置不影响轴盘及轴上零件的装卸。
4、所述的加载系统通过液压驱动，加压大小变化范围大，便于控制，适合实验教学需要。
5、两组轴承尺寸不同，可根据实验需求布置正常齿轮与故障齿轮。
6、齿轮箱通过拨叉结构，实现在停机状态下不打开齿轮箱，即可通过拨动拨叉实现不同
故障齿轮的啮合，进行各种齿轮故障的模拟。
7、齿轮箱拨叉通过弹簧滚珠结构定位，通过橡皮塞固定。
8、通过阻尼器作为转动的载荷。
附图说明
图1为本发明便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台的立体图。
图2为本发明便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台的故障模拟齿轮箱的立体
图。
图3为本发明便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台的故障模拟齿轮箱的隐藏
箱盖及相关连接螺钉的立体图。
图4为本发明便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台的故障模拟齿轮箱中拨叉
结构工作原理的示意图。
图5为本发明便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台的故障模拟轴盘的立体图。
图6为本发明便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台的故障模拟轴盘传动阶梯
轴的立体图。
图中，各序号对应零部件分别为：电动机(1)、联轴器(2)、故障模拟轴盘(3)、故障模
拟齿轮箱(4)、故障模拟轴承(5)、径向加载系统(6)、阻尼器(7)、台座(8)、键(9)、箱
座(11)、箱盖(10)、轴承盖(12)、高速轴(13)、低速轴(14)、高速轴齿轮(15)、低速轴
齿轮(16)、轴承(17)、拨叉手柄(18)、拨叉(19)、方轴(20)、方轴手柄(21)、液压缸(22)、
液压缸支座(23)、左侧盘(24)、左侧轴承座盖(25)、左侧轴承(26)、传动阶梯轴(27)、
轴承座底座螺钉(28)、左侧轴承座(29)、径向加载处轴承(30)、径向加载处轴承座(31)、
右侧盘(32)、右侧轴承(33)、右侧轴承座盖(34)、右侧轴承座(35)、轴承座螺钉(36)。
具体实施方式
下面根据附图，对本发明的具体实施方案进行详细说明。
本发明提出一种便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台，以解决实际教学实验和科
研活动中，机械故障综合模拟试验台进行故障演示实验过程中，更换故障齿轮费时费力的问题。
属于机械故障综合模拟试验台设计领域的技术发明，具有实用性强、应用范围广、生产成本低、
操作方便、加载方便等优点。
请参阅图1，本发明一种便于更换故障零件的机械故障综合模拟试验台，包括：电动机1、
联轴器2、故障模拟轴盘3、故障模拟齿轮箱4、故障模拟轴承5、径向加载系统6、阻尼器7、
台座8和防护罩。
电动机1、径向加载系统6和故障模拟齿轮箱4固定在台座8上；电动机1的输出轴通过
联轴器2连接传动阶梯轴27的输入端，传动阶梯轴27的输出端通过联轴器2连接故障模拟齿
轮箱4的高速轴13的输入端；故障模拟齿轮箱4的低速轴14的输出端连接阻尼器7。故障模
拟轴盘3和故障模拟轴承5安装于传动阶梯轴27上。
该机械故障综合模拟试验台以实现齿轮、轴承、轴的各种常见机械故障模拟为目的。齿轮
故障的模拟通过故障模拟齿轮箱4实现；轴承故障的模拟通过故障模拟轴承5实现；轴系故障
的模拟通过故障模拟轴盘3实现；动力由电动机1提供；系统的径向加载通过径向加载系统6
实现，扭矩载荷通过阻尼器7实现；各模块之间通过联轴器2连接。进行故障模拟实验时，将
需要演示其故障的零件连入传动链，传动链其他零件均使用无故障零件，启动电机带动轴系、
齿轮及相关零件转动，在相应位置布置适当的传感器即可实现机械故障的模拟演示。
请参阅图2、图3，该机械故障综合模拟试验台的故障模拟齿轮箱4，包括箱座11、箱盖
10、轴承盖12、高速轴13、低速轴14、高速轴齿轮15、低速轴齿轮16、轴承17、拨叉手柄
18、拨叉19、方轴20和方轴手柄21。箱座11固定在台座8上，箱座11内平行安装有高速轴
13和低速轴14。
齿轮故障模拟是该实验台的重要功能，常见齿轮故障主要包括断齿、磨损、点蚀、胶合等，
实验台旨在实现不打开齿轮箱的情况在，即可在停机状态下切换不同故障演示。故障模拟齿轮
箱4中，高速轴13为输入轴，低速轴14为输出轴；高速轴13和低速轴14两端均通过轴承支
撑在故障模拟齿轮箱4的箱座11上。高速轴13上装1个高速轴齿轮15，高速轴齿轮15为小
齿轮，设计为29齿，低速轴14上装4个低速轴齿轮16，低速轴齿轮16为大齿轮，设计为71
齿。高速轴齿轮15为无故障的正常齿轮，低速轴齿轮16中最左侧齿轮为无故障正常齿轮，其
余3齿轮为故障齿轮，具体为何种故障可根据实验具体需求进行更换。此处低速轴齿轮16不
限定一定为4个，可根据具体需求调整齿轮个数，并设置与之配套的轴套即可。
故障模拟齿轮箱4的低速轴14与低速轴齿轮16之间为较小的过盈配合或过渡配合，通过
键进行周向定位，轴向通过轴套与轴肩进行定位。
故障模拟齿轮箱高速轴13与高速轴齿轮15之间为较小的间隙配合，通过键9进行周向定
位，轴向不进行定位，可通过拨叉19拨动高速轴齿轮15使之在高速轴13上轴向移动。通过
齿轮转动溅起润滑油进行润滑，保证高速轴齿轮15可以在高速轴上通过拨叉19拨动顺利进行
轴向滑动。
请参阅图4，该机械故障综合模拟试验台的故障模拟齿轮箱拨叉结构，包括高速轴13、低
速轴14、高速轴齿轮15、键9、轴承17、拨叉手柄18、拨叉19、方轴20和方轴手柄21，以
实现左右拨动高速轴齿轮15。拨叉19上端开方形孔槽，与方轴20间隙配合，可在方轴20上
左右滑动。方轴20周向转动可以带动拨叉19实现放下、抬起的操作，通过设置于箱盖10外
侧的方轴手柄21带动方轴20转动，可以通过齿轮箱外部的操作，实现拨叉19抬起放下的动
作，在实验台运行时，通过方轴手柄21将拨叉抬起，防止其与转动的齿轮15发生干涉。
工作台停机后，通过手动拨动拨叉手柄18可以实现在不打开齿轮箱在齿轮箱外部实现齿
轮切换，在箱盖10上开一窄槽作为拨叉手柄18的导轨，拨叉手柄18下部开槽，槽宽与拨叉
19宽度相等，存较小间隙，以保证拨叉19进行抬起放系动作时不与拨叉手柄18干涉，拨叉
手柄18两侧开圆孔，圆孔直径略大于方轴20对角线长度，保证方轴20转动过程不与拨叉手
柄18发生干涉。
拨叉手柄18通过弹簧滚珠结构进行定位，弹簧滚珠结构置于拨叉手柄18内部与箱盖10
接触处，箱盖10上开相应V型槽作为定位槽。每台实验台选用低速轴齿轮16厚度不同、数
量也不同，故拨动高速轴齿轮15定位时所需的位置不同，根据不同定位位置，在箱盖10拨叉
手柄导轨上开若干V型槽作为定位槽。由于高速轴齿轮15与拨叉19、拨叉19与拨叉手柄18
间均存在轴向间隙，故定位时需要考虑回程误差的问题，本试验台中，选用左侧作为基准，即
从左至右拨动高速轴齿轮15时，到达定位位置即为准确位置；自右向左拨动高速轴齿轮15
时，需将手柄自右向左拨动超过定位槽一段距离，再自左向右拨动到达定位位置，方为准确位
置。考虑到齿轮箱通过润滑油进行润滑，箱盖10开槽可能导致润滑油由孔槽处飞溅而出，因
此实验台运行过程中，需要使用橡皮塞将孔槽塞住。
请参阅图5，该机械故障综合模拟试验台的轴承故障模拟系统与轴盘故障模拟系统包括液
压系统(未画出)、液压缸22、液压缸支座23、左侧盘24、左侧轴承座盖25、左侧轴承26、
传动阶梯轴27、轴承座底座螺钉28、左侧轴承座29、径向加载处轴承30、径向加载处轴承座
31、右侧盘32、右侧轴承33、右侧轴承座盖34、右侧轴承座35和轴承座螺钉36。
左侧盘24、右侧盘32主要进行轴系不对中故障的模拟实验，在盘的不同相位增加质量块，
可以获得不同的不对中故障信号演示。
轴承故障模拟系统包括三个轴承(左侧轴承26、径向加载处轴承30、右侧轴承33)，左
侧轴承26与右侧轴承33尺寸相同；径向加载处轴承30尺寸大于轴承座处两轴承，在选择更
换故障轴承进行故障模拟时，三处均可替换为故障轴承进行模拟实验，实现不同系列轴承的故
障信号模拟。
径向加载装置由液压系统驱动，可以在径向施加较大的压力，压力可调节范围大，且加载
量连续、精确可控，实现有径向负载的工况下，机械故障的模拟。液压缸22与液压缸支座23
的位置保证径向加载装置不会影响轴盘的拆装及轴上零件的装卸。液压缸支座23安装在台座
8上，液压缸支座23的中部具有一个内凹的开口，供径向加载处轴承30安装并供阶梯轴27
穿过。径向加载处轴承30安装在径向加载处轴承座31中，液压缸22的输出轴作用在径向加
载处轴承座31上，通过径向加载处轴承座31向径向加载处轴承30和阶梯轴27施加径向载荷。
请参阅图6，该机械故障综合模拟试验台的轴盘故障模拟系统的传动轴采用阶梯轴设计，
其设计结构如图所示。
阶梯轴27中间粗，两头细；自左至右各轴肩分别对应左轴承座轴承26、左侧盘24、径向
加载处轴承30、右侧盘32、右轴承座轴承33，设计充分考虑了更换盘(左侧盘24、右侧盘
32)与轴承(左侧轴承26、径向加载处轴承30、右侧轴承33)的方便性，减小各盘(左侧盘
24、右侧盘32)、各轴承(左侧轴承26、径向加载处轴承30、右侧轴承33)所在轴段的长度，
使更换过程中轴承(左侧轴承26、径向加载处轴承30、右侧轴承33)、盘(左侧盘24、右侧
盘32)的内表面与轴27的外表面摩擦经过的路径减至最小，减小更换故障零件的难度，同时
降低更换零件的过程中零件内表面与轴的外表面被划伤的可能性。