CN202230647U - 机械系统动力学教学实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了机械系统动力学教学实验装置，用于研究由弹簧、质量块与阻尼器组成的四阶系统的动力学特性。该装置包括空气轴承以及与之相连的圆柱型轴，装置使用的音圈用于增加可变阻尼，音圈的衔铁绕在铝柱筒上，若音圈为开路，则由于铝筒上存在涡流电流，具有少量阻尼；若将音圈短路，由于回路中没有了阻抗，则阻尼显著增大。为保证实验的准确性，采用了空气轴承作为支撑，实验装置的两个空气轴承之间，有一可调弹簧与中轴相连，通过减少弹簧的长度，可以观察到系统过阻尼、临界阻尼以及欠阻尼状态。在轴上装有线性可变差动传感器，用于测量脉冲动作，分析检测四阶系统的动力学特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种教学实验装置，具体涉及四阶机械系统动力学教学实验装置，用于研究由弹簧、质量块与阻尼器构成的四阶系统的动力学特性。
背景技术
目前我国高校动力学实验主要集中在医疗、生物方面，应用于心血管血液动力学、药物动力学、生物化学反应动力学等，而针对于工科类本科的教学实验还未见相关报道。鉴于机械设计中动力学建模分析的重要性，需要建立一套行之有效，易于入手，便于理解的机械动力学建模实验方案。机械动力学建模分析与控制是一门理论联系实践且基于实验的课程，需要为学生提供大量的实验器材，允许学生进行较高水平的实验练习。故实用新型的目的便是通过本四阶动力学教学实验装置的学习，培养学生掌握机械动力学分析的基本方法，提高学生对复杂机械系统动力学建模及分析的能力，具备分析和解决工程实际问题的水平。
机械动力学建模分析与控制是一门理论联系实践、基于实验的课程，需要为学生提供大量的实验器材，允许学生进行较高水平的实验练习。故本实验装置的实用新型目便是通过本教学实验的学习，培养学生掌握机械动力学分析的基本方法，提高学生对复杂机械系统动力学建模及分析的能力，具备分析和解决工程实际问题的水平。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供机械系统动力学教学实验装置，可供研究由弹簧、质量块与阻尼器组成的四阶系统的动力学特性，具体技术方案如下。
机械系统动力学教学实验装置，包括安装底板、音圈、安装角钢、松紧可调弹簧、飞轮、主轴和用于安装主轴的两个空气轴承，所述安装角钢和两个空气轴承安装在安装底板上，安装角钢位于主轴的一端，主轴的另外一端装有所述飞轮，两个空气轴承位于安装角钢和飞轮之间，音圈与安装角钢连接构成可变阻尼；音圈的线圈绕在主轴上；松紧可调弹簧的一端与主轴相连且连接点位于两个空气轴承之间，松紧可调弹簧的另一端与弹簧调节张紧装置连接；主轴的所述另外一端处还安装有线性可变差动传感器。
上述机械系统动力学教学实验装置中，所述主轴为铝制主轴，主轴右端还通过薄铝片连接有附加质量。
上述机械系统动力学教学实验装置中，还包括一个悬挂在绳索末端的用于碰撞主轴右端的所述附加质量块的小铜球。
上述机械系统动力学教学实验装置中，安装底板设有用于调节实验装置的水平度的地盘水平定位调节螺钉。
上述机械系统动力学教学实验装置中，所述弹簧调节张紧装置包括调节螺杆、滑块和安装在所述安装底板上的导轨，松紧可调弹簧的所述另一端与滑块连接，滑块位于导轨中，调节螺杆与导轨之间螺纹连接。
上述机械系统动力学教学实验装置中，还包括装有dSPACE系统的微机平台，微机平台与线性可变差动传感器的信号输出端连接。
本动力学实验装置主要用于研究由弹簧、质量块与阻尼器构成的四阶系统的动力学特性。该系统主要由圆柱转轴和其两端的空气轴承相连接构成，音圈连接于系统左端构成可变阻尼。将音圈的衔铁绕在铝柱筒上，当音圈为开路时，则由于铝筒上存在涡流电流，有少量的阻尼力存在。当音圈为短路时，则由于电路中没有了阻抗而令阻尼力显著增大。在两个空气轴承之间，有一可调弹簧与中轴相连。通过减少弹簧的长度，可以观察到系统过阻尼、临界阻尼以及欠阻尼三种状态。也可将一个小铜球悬挂在绳索末端去碰撞转轴右端的平板，向系统施加脉冲信号。在主轴的右侧装有LVDT（线性可变差动传感器），用来测量脉冲的动作信号。实验中需要注意弹簧与主轴上的卡圈需偏心连接，这是由于转轴旋转必然引起弹簧末端产生轴向位移，而且偏心连接可以减少弹性系数的线性度。
本动力学实验装置使用基于微机平台的测量系统dSPACE界面来得到频率响应图。该测量系统能产生不同频率的正弦输入，并且通过LVDT测量系统的输出，即可用MATLAB计算软件编程求出系统传递函数的幅值与相位，并与实际测量的数值进行对比实验。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和效果：
本动力学实验装置可实现的实验内容包括：1）、用计算机测试系统测量频率响应。2）、使用函数发生器产生系统的第一个共振频率（与最低点的一对复极点相对应的频率）。观察并估测与相对于第一质量块m1的第二个质量块m2（见实施方式）的幅频与相频响应。3）、通过第一次共振时得到的超调量 
，估算与第一对复极点相对应的阻尼系数。4）、使用函数发生器产生系统的第2共振频率。观察并估测相对与第一质量块m1的第二个质量块m2的幅频与相频响应。5）、使用函数发生器产生与复零点对应的频率。估算相对于第一质量块m1的第二个质量块m2的幅频与相频率响应。在观察的基础上，得出与质量相关的零频率的公式，并计算系统元件的刚度。6）、写出线性可变差动传感器产生的电压与函数发生器产生的电压之间的传递函数，并试确定传递函数中的参数。
通过改变音圈中电流强弱，即可改变施加在轴承
上的外力
的大小，而线性可变差动传感器（LVDT）产生的电压与它的位移
成比例。该装置中与复极点相对应的两个共振频率，以及复零点的频率是实验中需要关注的物理量，频率为与第一对复极点相对应的频率时，两个质量块的移动没有相位差异，用肉眼就可以分辨出来。频率为与复零点相对应的频率时，第二个质量块m2相对第一质量块m1会有90度相角的延迟，然而在该频率下第二个质量块m2就像一个减震器使得第一质量块m1无法移动。频率为与第二对复极点相对应的频率时，第二个质量块m2与第一质量块m1沿着相反的方向运动，此时使用基于微机平台，利用dSPACE界面来得到频率响应图。该测量装置能产生不同频率的正弦输入，并且通过LVDT测量装置的输出，即可用MATLAB计算软件编程求出传递函数的幅值与相位，并与实际测量的数值进行对比，得出实验结果。
附图说明
图1为具体实施方式中机械动力学教学实验装置结构示意图。
图2为实施例中的理想四阶系统模型图。
图3a和图3b为电压V1（由LVDT产生）对电压V（由函数发生器产生）的理论/实际传递函数对比图。
具体实施方式
以上内容已经对本实用新型作了清楚的说明，以下再结合附图对本实用新型的实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保护范围不限于此。
机械系统动力学教学实验装置由附图2作为理论基础，附图1为实际实验装置的结构示意图，实验装置包括安装底板、音圈15、安装角钢1、松紧可调弹簧14、飞轮5、主轴2和用于安装主轴的两个空气轴承（3、4），所述安装角钢1和两个空气轴承（3、4安装在安装底板上，安装角钢1位于主轴的一端，主轴的另外一端装有所述飞轮5，两个空气轴承（3、4）位于安装角钢1和飞轮5之间，音圈15与安装角钢1连接构成可变阻尼；音圈的线圈绕在主轴2上；松紧可调弹簧14的一端与主轴相连且连接点位于两个空气轴承（3、4）之间，松紧可调弹簧14的另一端与弹簧调节张紧装置连接；主轴的所述另外一端处还安装有线性可变差动传感器（LVDT）6。
音圈15连接于安装角钢1构成可变阻尼。将音圈线圈绕在铝制主轴2上，当音圈为开路时，则由于铝制主轴2上存在涡流电流，有少量的阻尼力存在。当音圈为短路时，则由于电路中没有了阻抗，而令阻尼力显著增大。在两个空气轴承（3、4）之间，有一可调弹簧14与主轴2相连。通过调节弹簧14的松紧，可以观察到系统过阻尼、临界阻尼以及欠阻尼三种状态。也可将一个小铜球悬挂在绳索末端去碰撞主轴2右端的附加质量块8，向系统施加脉冲信号。实验装置中的空气轴承（3、4）（包括与之相连的飞轮5），线性可变差动传感器6的磁芯，音圈15等看作为质量块m1，忽略弹簧14（k1）的质量，系统中的音圈15作为可变阻尼器c1。附加质量8（m2）通过薄铝片与主轴2相连，铝片与系统连接处的模型可以用无质量弹簧k2与阻尼器c2表示，可获得四阶系统模型。
此实验装置可实现的实验内容包括：1）、用计算机测试系统测量频率响应。2）、使用函数发生器产生系统的第一个共振频率（与最低点的一对复极点相对应的频率）。观察并估测与相对于质量块1的第二个质量块2的幅频与相频响应。3）、通过第一次共振时得到的超调量
，估算与第一对复极点相对应的阻尼系数。4）、使用函数发生器产生系统的第2共振频率。观察并估测相对与质量块1的第二个质量块的幅相频响应。5）、使用函数发生器产生与复零点对应的频率。估算相对于质量块1的第二个质量块的幅相频率响应。在观察的基础上，得出与质量相关的零频率的公式，并计算系统元件的刚度。6）、写出线性可变差动传感器产生的电压与函数发生器产生的电压之间的传递函数，试确定传递函数中的参数。
该动力学教学实验装置设有地盘水平定位调节螺钉10，用于保证实验装置的水平度。同时设有弹簧调节张紧装置，通过调节螺杆9、导轨11及滑块12，可调节弹簧的松紧，使实验系统达到过阻尼、临界阻尼以及欠阻尼三种状态。当调节音圈15在主轴2上施加力
时，LVDT将产生与位移
成比例的电压V1。
最后通过使用基于微机平台的测量系统，利用dSPACE界面来得到频率响应图。该测量系统能产生不同频率的正弦输入，并且通过LVDT测量系统的输出，即可用MATLAB计算软件编程求出系统传递函数的幅值与相位，并与实际测量的数值进行对比，实验结果如附图3a和图3b所示 。
Claims (6)
1.机械系统动力学教学实验装置，包括安装底板，其特征在于还包括音圈（15）、安装角钢（1）、松紧可调弹簧（14）、飞轮（5）、主轴（2）和用于安装主轴的两个空气轴承（3、4），所述安装角钢（1）和两个空气轴承（3、4）安装在安装底板上，安装角钢（1）位于主轴的一端，主轴的另外一端装有所述飞轮（5），两个空气轴承（3、4）位于安装角钢（1）和飞轮（5）之间，音圈（15）与安装角钢（1）连接构成可变阻尼；音圈的线圈绕在主轴（2）上；松紧可调弹簧（14）的一端与主轴相连且连接点位于两个空气轴承（3、4）之间，松紧可调弹簧（14）的另一端与弹簧调节张紧装置连接；主轴的所述另外一端处还安装有线性可变差动传感器（6）。
2.根据权利要求1所述机械系统动力学教学实验装置，其特征在于所述主轴（2）为铝制主轴，主轴（2）右端还通过薄铝片连接有附加质量（8）。
3.根据权利要求2所述机械系统动力学教学实验装置，其特征在于还包括一个悬挂在绳索末端的用于碰撞主轴（2）右端的所述附加质量块（8）的小铜球。
4.根据权利要求1所述的动力学教学实验装置，其特征在于安装底板设有用于调节实验装置的水平度的地盘水平定位调节螺钉（10）。
5.根据权利要求1所述的动力学教学实验装置，其特征在于所述弹簧调节张紧装置包括调节螺杆（9）、滑块（12）和安装在所述安装底板上的导轨（11），松紧可调弹簧（14）的所述另一端与滑块（12）连接，滑块（12）位于导轨（11）中，调节螺杆（9）与导轨之间螺纹连接。
6.根据权利要求1~5任一项所述的动力学教学实验装置，其特征在于还包括装有dSPACE系统的微机平台，微机平台与线性可变差动传感器（6）的信号输出端连接。
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| CN102306466A (zh) * | 2011-09-09 | 2012-01-04 | 华南理工大学 | 机械系统动力学教学实验装置 |
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- 2011-09-09 CN CN2011203380790U patent/CN202230647U/zh not_active Expired - Fee Related
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