CN111933001B - 一种工程力学用教学演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种工程力学用教学演示装置，包括基座以及固定在基座上的支撑架；模拟滑道，其一端转动安装在支撑架边缘，其另一端转动连接有升降机构；测量组件，其连接在模拟滑道与所述支撑架之间，并用于测量模拟滑道的转动角度；自动喂球机构，其安装在支撑架上并靠近模拟滑道的升降端，自动喂球机构向模拟滑道内输送测试小球；滑动座，其固定安装在基座上并靠近模拟滑道的转动端；探测组件，其滑动安装在滑动座上；横移电子标尺以及采集计算装置，其采集测量组件、探测组件以及横移电子标尺的数据进行计算获得关联系数K；在教学过程中提供模型演示以提高学生理解能力，并让学生实践了解移动轨迹与碰撞作用力关系。

Description

一种工程力学用教学演示装置

技术领域

本发明涉及工程力学教学演示用品领域，具体涉及一种工程力学用教学演示装置。

背景技术

工程力学是培养具备力学基础理论知识、计算和实验能力的一门学科，并保证在各种工程(如机械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等)中从事与力学有关的科研、技术开发、工程设计和力学教学工作的顺利进行；特别是在课程讲解中对于汽车在行驶冲出现碰撞后产生的作用力与汽车在行驶前的运行轨迹之间存在如何的关系，单纯从理论进行教学，让学生缺少进行模拟试验的实践过程。

就目前的教学情况来说，一方面缺少相关模拟演示模型，二是没有能够让学生了解移动轨迹与碰撞作用力之间关系的实践过程。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种工程力学用教学演示装置，解决了教学中提供模型演示提高学生理解能力，并让学生实践了解移动轨迹与碰撞作用力关系的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种工程力学用教学演示装置，包括基座以及固定在所述基座上的支撑架；

模拟滑道，其一端转动安装在所述支撑架边缘，其另一端转动连接有升降机构；

测量组件，其连接在所述模拟滑道与所述支撑架之间，并用于测量所述模拟滑道的转动角度；

自动喂球机构，其安装在所述支撑架上并靠近所述模拟滑道的升降端，所述自动喂球机构向所述模拟滑道内输送测试小球；

滑动座，其固定安装在所述基座上并靠近所述模拟滑道的转动端；

探测组件，其滑动安装在所述滑动座上，并用于测量所述测试小球的冲击力；

横移电子标尺，其一端固定连接在所述支撑架上，其另一端固定连接在所述探测组件上；以及

采集计算装置，其采集所述测量组件、所述探测组件以及所述横移电子标尺的数据进行计算获得关联系数K；

所述采集计算装置还用于控制所述升降机构与所述自动喂球机构动作。

在一实施例中，所述关联系数K的计算公式为：

式中，

F为所述探测组件测量的冲击力；

θ为所述模拟滑道的转动角度；

L为所述横移电子标尺的测量数值；

a、b为常数。

在一实施例中，所述测量组件包括间隔固定安装在所述支撑架上的第一电子标尺以及第二电子标尺，所述第一电子标尺、所述第二电子标尺上端均转动安装在所述模拟滑道上；

所述第一电子标尺与所述第二电子标尺之间的间隔距离为固定值P；

当所述模拟滑道转动时，所述第一电子标尺与所述第二电子标尺的高度差绝对值为H；

则，

在一实施例中，所述探测组件包括安装在所述滑动座上的承载板，所述承载板上依次开设有第一台阶槽及第二台阶槽，所述第二台阶槽内安装有应变片，所述第一台阶槽内安装有用于贴合所述应变片的盖板；

所述承载板上还安装有连接所述应变片与所述采集计算装置的信号接头。

在一实施例中，所述滑动座包括固定在支撑架上的底座以及开设在所述底座上的滑槽；所述滑槽内滑动安装有与所述承载板固定连接的松紧调节件。

在一实施例中，所述自动喂球机构包括固定安装在所述支撑架上的支撑板，以及间隔安装在所述支撑板上的两个支板，靠近所述模拟滑道的所述支板高度小于远离所述模拟滑道的所述支板高度；

两个支板上固接有导向套管，所述导向套管内放置有多个测试小球；

所述导向套管的出球端设有用于控制测试小球出球速度的控制机构。

在一实施例中，所述控制机构包括滑动插入所述导向套管的止动针，以及与止动针连接的推动气缸；

所述推动气缸固定安装在靠近所述模拟滑道的所述支板上，并且推动气缸的轴线垂直于所述导向套管。

在一实施例中，所述推动气缸与所述止动针连接位置处设有限位挡板，所述止动针上位于所述限位挡板与所述导向套筒之间的部位上套设有复位弹簧。

在一实施例中，所述模拟滑道包括滑道本体以及开设在滑道本体上的导向槽，所述滑道本体底部分别固定安装有转动连接所述升降机构的第一转动座，以及转动连接在所述支撑架上的第二转动座；

所述导向槽的横截面形状呈类“V”形结构。

在一实施例中，所述升降机构包括固定安装在所述支撑架上的滑动轴承以及固定安装在所述基座上的升降气缸，所述升降气缸的伸缩杆穿过所述滑动轴承后与所述第一转动座转动连接。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、通过自动喂球机构向模拟滑道内输送测试小球，并且通过升降机构对模拟滑道的倾斜高度进行调节后，使得测试小球能够在不同坡度情况下滑动，并对探测组件进行冲击，同时通过移动探测组件在滑动座上的距离；不仅能够在教学过程中进行演示，以让学生能够直观了解运行轨迹对冲击力的影响情况；

2、通过采集计算装置对测量组件、探测组件以及横移电子标尺的数据进行采集后，通过多个数据点获得在不同条件下的关联系数K，从而能够绘制出关联系数曲线，便于更换测试小球后快速进行计算验证模拟过程。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图；

图2为探测组件的结构示意图；

图3为滑动座的俯视结构示意图；

图4为图1中的A处局部放大结构示意图；

图5为模拟滑道的结构示意图；

图6为模拟滑道的侧面示意图；

图中，基座1、支撑架2、模拟滑道3、滑道本体31、导向槽32、第一转动座33、第二转动座34、升降机构4、滑动轴承41、升降气缸42、测量组件5、第一电子标尺51、第二电子标尺52、自动喂球机构6、支撑板61、支板62、导向套管63、控制机构64、止动针641、推动气缸642、限位挡板643、复位弹簧644、测试小球7、滑动座8、底座81、滑槽82、松紧调节件83、探测组件9、承载板91、应变片92、盖板93、信号接头94、横移电子标尺10、采集计算装置11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的实施例中提出了一种工程力学用教学演示装置，其包括基座1以及固定在所述基座1上的支撑架2，还包括模拟滑道3，而模拟滑道3的一端转动安装在所述支撑架2边缘，模拟滑道3的另一端连接有升降机构4，通过升降机构4对模拟滑道3的倾斜坡度进行调节，从而使得在模拟滑道3上滑下的物品具有不一样的初始速度。为了对模拟滑道3的转动角度进行测量，在模拟滑道3与支撑架2之间设有测量组件5，通过测量组件5对模拟滑道3的转动角度测量，从而获得其目前状态下的倾斜坡度。在支撑架2上靠近所述模拟滑道3的升降端安装有自动喂球机构6，在进行模拟演示时，通过自动喂球机构6向模拟滑道3内输送测试小球7，从而能够在同一次演示或测试中，自动送入多个测试小球7。

在基座1上靠近模拟滑道3的转动端固定安装有滑动座8，并且在滑动座8上滑动安装有探测组件9，用于测量所述测试小球7从模拟滑道3下滑并撞击到探测组件9上的作用力；同时探测组件9能够在滑动座8上进行滑动，通过改变探测组件9距离模拟滑道3的距离，使得测试小球7移动距离变长，从而测量得到不同大小的冲击作用力，以探讨距离对于碰撞作用力的影响；为了准确获得探测组件9与模拟滑道3之间的移动距离，通过横移电子标尺10进行测量，而横移电子标尺10为可伸缩结构，并且让横移电子标尺10的一端固定连接在所述支撑架2上，其另一端固定连接在所述探测组件9上。

同时在基座1上安装有采集计算装置11，通过采集测量组件5、探测组件9以及横移电子标尺10的数据进行计算获得关联系数K，从而让学生能够根据不同条件获得关联系数K进行趋势图绘制；并且，在对升降机构4与自动喂球机构6的动作进行控制时，也通过采集计算装置11进行综合控制，而采集计算装置11为集成式工业计算机电脑。

通过采集计算装置11对关联系数K进行计算时，计算公式为：

式中，

F为所述探测组件9测量的冲击力；

θ为所述模拟滑道3的转动角度；

L为所述横移电子标尺10的测量数值；

a、b为常数。

在进行计算时，冲击力大小、模拟滑道3的转动角度以及探测组件9的横移距离全部输入采集计算装置11后计算获得在当前条件下的关联系数K，通过输入条件进行变化后，以获得不同参数下的关联系数K，从而能够让学生在模拟过程中绘制出曲线图，便于在变换测试小球7的类别后再次进行模拟验证，从而形成一个完整的模拟演示过程。

如图1所示，测量组件5包括间隔固定安装在所述支撑架2上的第一电子标尺51以及第二电子标尺52，所述第一电子标尺51、所述第二电子标尺52上端均转动安装在所述模拟滑道3上；其中，所述第一电子标尺51与所述第二电子标尺52之间的间隔距离为固定值P；当所述模拟滑道3转动时，所述第一电子标尺51与所述第二电子标尺52的高度差绝对值为H；将第一电子标尺51与第二电子标尺52的计算基准放到同一水平线后围合形成直角三角形，从而在每次第一电子标尺51与第二电子尺的升降高度发生变化后，产生不同高度差，从而通过高度差与距离固定值能够计算出模拟滑道3当前转动的角度，则

计算获得的角度值直接带入到关联系数K的计算中。

在测量测试小球7的撞击作用力时，通过探测组件9进行测量并将数值传输到采集计算装置11中，如图2所示，探测组件9包括安装在所述滑动座8上的承载板91，所述承载板91上依次开设有第一台阶槽及第二台阶槽，所述第二台阶槽内安装有应变片92，所述第一台阶槽内安装有用于贴合所述应变片92的盖板93；所述承载板91上还安装有连接所述应变片92与所述采集计算装置11的信号接头94；当应变片92受到作用力后能够产生信号并传输到采集计算装置11中。

如图3所示，滑动座8包括固定在支撑架2上的底座81以及开设在所述底座81上的滑槽82，并且在滑槽82内滑动安装有与所述承载板91固定连接的松紧调节件83，松紧调节件83包括滑动安装在底座81上下两侧的两个限位板以及穿过滑槽82对两个限位板的松紧进行调节的锁紧螺栓，并且通过位于底座81上方的限位板对承载板91进行固定连接。

在进行模拟演示时，通过自动喂球机构6自动向模拟滑道3内输送测试小球7，如图1、图4所示，自动喂球机构6包括固定安装在支撑架2上的支撑板61，以及间隔安装在所述支撑板61上的两个支板62，并且让靠近所述模拟滑道3的支板62高度小于远离模拟滑道3的支板62高度，并且在两个支板62上固接有导向套管63，从而使得导向套管63朝向模拟滑道3倾斜设置，在导向套管63内放置有多个测试小球7，最多可同时在导向套管63内放置10个小球，并且在每个小球向下滑动时均通过自动控制的方式进行，避免手动产生干扰的因素，因此，在导向套管63的出球端设有用于控制测试小球7出球速度的控制机构64，通过控制机构64对测试小球7进行放行或止动；

其中，控制机构64包括滑动插入导向套管63的止动针641以及与止动针641连接的推动气缸642，其中，推动气缸642固定安装在靠近模拟滑道3的支板62上，并且让推动气缸642的轴线垂直于导向套管63，从而保证推动气缸642在动作时能够保证止动针641稳定在导向套管63上滑动。同时，为了在释放小球时能够让止动针641快速滑出导向套管63，在推动气缸642与止动针641连接位置处设有限位挡板643，并且止动针641上位于所述限位挡板643与所述导向套筒之间的部位上套设有复位弹簧644；通过复位弹簧644的作用力使得止动针641快速滑出，让测试小球7滑出时避免存在阻力的情况。

如图5、图6所示，模拟滑道3包括滑道本体31以及开设在滑动本体上的导向槽32，并且滑道本体31底部分别固定安装有转动连接所述升降机构4的第一转动座33，以及转动连接在支撑架2上的第二转动座34，并让导向槽32的横截面形状呈“V”形结构，从而使得测试小球7在变化直径后也能够在模拟滑道3上进行滑动。

如图1所示，升降机构4包括固定安装在所述支撑架2上的滑动轴承41以及固定安装在所述基座1上的升降气缸42，升降气缸42的伸缩杆穿过滑动轴承41后与第一转动座33转动连接，通过升降气缸42带动伸缩杆上下移动，从而对模拟滑道3的转动角度进行调节，以便于模拟滑道3形成不同坡度状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种工程力学用教学演示装置，其特征在于，包括基座以及固定在所述基座上的支撑架；

模拟滑道，其一端转动安装在所述支撑架边缘，其另一端转动连接有升降机构；

测量组件，其连接在所述模拟滑道与所述支撑架之间，并用于测量所述模拟滑道的转动角度；

自动喂球机构，其安装在所述支撑架上并靠近所述模拟滑道的升降端，所述自动喂球机构向所述模拟滑道内输送测试小球；

滑动座，其固定安装在所述基座上并靠近所述模拟滑道的转动端；

探测组件，其滑动安装在所述滑动座上，并用于测量所述测试小球的冲击力；

横移电子标尺，其一端固定连接在所述支撑架上，其另一端固定连接在所述探测组件上；以及

采集计算装置，其采集所述测量组件、所述探测组件以及所述横移电子标尺的数据进行计算获得关联系数K；

所述采集计算装置还用于控制所述升降机构与所述自动喂球机构动作；

所述自动喂球机构包括固定安装在所述支撑架上的支撑板，以及间隔安装在所述支撑板上的两个支板，靠近所述模拟滑道的所述支板高度小于远离所述模拟滑道的所述支板高度；

两个支板上固接有导向套管，所述导向套管内放置有多个测试小球；

所述导向套管的出球端设有用于控制测试小球出球速度的控制机构；所述控制机构包括滑动插入所述导向套管的止动针，以及与止动针连接的推动气缸；

所述推动气缸固定安装在靠近所述模拟滑道的所述支板上，并且推动气缸的轴线垂直于所述导向套管；

所述推动气缸与所述止动针连接位置处设有限位挡板，所述止动针上位于所述限位挡板与所述导向套筒之间的部位上套设有复位弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种工程力学用教学演示装置，其特征在于，所述关联系数K的计算公式为：

式中，

F为所述探测组件测量的冲击力；

θ为所述模拟滑道的转动角度；

L为所述横移电子标尺的测量数值；

a、b为常数。

3.根据权利要求2所述的一种工程力学用教学演示装置，其特征在于，所述测量组件包括间隔固定安装在所述支撑架上的第一电子标尺以及第二电子标尺，所述第一电子标尺、所述第二电子标尺上端均转动安装在所述模拟滑道上；

所述第一电子标尺与所述第二电子标尺之间的间隔距离为固定值P；

当所述模拟滑道转动时，所述第一电子标尺与所述第二电子标尺的高度差绝对值为H；

则，

4.根据权利要求2所述的一种工程力学用教学演示装置，其特征在于，所述探测组件包括安装在所述滑动座上的承载板，所述承载板上依次开设有第一台阶槽及第二台阶槽，所述第二台阶槽内安装有应变片，所述第一台阶槽内安装有用于贴合所述应变片的盖板；

所述承载板上还安装有连接所述应变片与所述采集计算装置的信号接头。

5.根据权利要求4所述的一种工程力学用教学演示装置，其特征在于，所述滑动座包括固定在支撑架上的底座以及开设在所述底座上的滑槽；所述滑槽内滑动安装有与所述承载板固定连接的松紧调节件。

6.根据权利要求1所述的一种工程力学用教学演示装置，其特征在于，所述模拟滑道包括滑道本体以及开设在滑道本体上的导向槽，所述滑道本体底部分别固定安装有转动连接所述升降机构的第一转动座，以及转动连接在所述支撑架上的第二转动座；所述导向槽的横截面形状呈类“V”形结构。

7.根据权利要求6所述的一种工程力学用教学演示装置，其特征在于，所述升降机构包括固定安装在所述支撑架上的滑动轴承以及固定安装在所述基座上的升降气缸，所述升降气缸的伸缩杆穿过所述滑动轴承后与所述第一转动座转动连接。

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