[发明专利]机械系统动力学教学实验装置

说明书

技术领域

本发明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。故发明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。故本实验装置的发明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。

发明内容

本发明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，本发明具有如下优点和效果：