Прибор для демонстрации колебательных процессов системы

 

Изобретение относится к наглядным приборам для демонстрации колебательных процессов линейных и нелинейных механических систем и позволяет расширить диапазон решаемых задач путем исследования факторов, влияющих на вибрационные процессы. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦЕЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (19) (111 D 4G 09 В 23/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Р

° ° э а

ЬФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4067777/31-12 (22) 12. 05. 86 (46) 30.09.87. Бюл. К- 36 (71) Новосибирский электротехниче.ский институт (72) И.И.Гернер (53) 371,66(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 399906, кл. G 09 В 23/10, 1974. б (54) ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ СИСТЕМЫ (57) Изобретение относится к наглядным приборам для демонстрации колебательных процессов линейных и нелинейных механических систем и позволяет расширить диапазон решаемых задач путем исследования факторов, влияющих на вибрационные процессы.

341671

20

Прибор для демрнстрации колебательных процессов систем содержит несущ;.ю жесткую раму 1, на верхней полке которой установлены раздвижные жесткие упоры 7, 8, установленное между этими упорами упругое кольцо (УК) 4,имеющее возможность деформироваться на большие величины по вертикали, причем его концы К и К могут при регулировках поворачиваться специальным устройством поворо— та и поджиматься (по горизонтали) на необходимую величину болтом 9, устройство настройки на резонансные режимы, включающее две вертикально расположенные стальные пластины, соединенные по центру болтом, подвешенное на дугообразно изогнутых полосовых пружинах 3 и соединенное

Изобретение относится к наглядным пособиям для демонстрации колебательных процессов линейных и нелинейных механических систем и может быть использовано на лекциях и семинарских занятиях по теоретической и прикладной механике.

Цель изобретения — расширение диапазона решаемых задач путем исследования факторов, влияющих на вибрационные процессы.

На фиг.1 изображен прибор для демонстрации колебательных процессов системы, общий вид; на фиг.2 — вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 вид по стрелке Б на фиг..1; на фиг.4— вид по стрелке В на фиг.1.

Прибор для демонстрации колебательных процессов системы содержит несущую жесткую раму 1, установленную на основании 2, две закрепленные одним концом на стойке рамы 1 плоские параллельные пружины 3, воспри— нимающий и корректирующий колебания элемент, выполненный в виде разрезного вертикально расположенного в раме 1 кольца 4 и тягу 5 с гайками

6, связывающую кольцо 4 с генератором колебаний.

Прибор имеет устройство для поворота кольца 4 относительно вертижесткой тягой 5 с УК, тенератор механических колебаний, включающий два вибрационных возбудителя, в каждом иэ которых соответствующая вибрационная составляющая (гармоника) генерируется при обкатывании шарика по дорожке кольца 22.

Данный прибор позволяет наблюдать, как упруго деформируется УК 4 в динамических режимах, как постоянно меняется его форма и сбиваются резонансы при упругом взаимодействии данного УК 4 с упорами 7, 8, как в результате изменения (прн регулировках) — угла поворота.и величины поджатия концов УК 4 изменяются его жесткостные характеристики, в частности, можно получить квазинулевую жесткость. 3 э.п. ф-лы, 4 ил. кальной оси и устройство настройки на резонансные режимы, подвешенные на свободных концах плоских пружин

3, и ограничительные упоры 7 и 8, установленные на раме с возможностью горизонтального перемещения по обеим сторонам кольца 4.

Устройство для поворота кольца выполнено в виде двух соединенных болтом 9 направляющих элементов,связанных со стойками рамы 1, каждый из которых содержит цилиндрическую ось 10, отрезок уголкового профиля

11, нижняя полка которого имеет сквозной продольный паэ 12, гайку

13,навинченную на болт 9, который пропущен с зазором через паз 12, две проушины 14, установленные на нижней полке отрезка уголкового профиля 11 симметрично относительно паза 12, и две шпильки 15, ввинченные в противоположные грани гайки 13 и образующие ось, установленную в проушинах 14 с возможностью вращения, при этом на верхней полке отрезка уголкового профиля жестко зафиксирован один из концов разрезного кольца 4, а внешняя грань отрезка уголкового профиля жестко соединена с цилиндрической осью 10, установленной на верхней полке рамы

1341671

1 с возможностью вращения относительно нее.

Устройство настройки на резонансные режимы содержит упругий упор

16, предназначенный для взаимодействия с нижним концом тяги 5 и установленный на основании 2, две параллельные оси прибора, вертикально расположенные упругие пласитны 17, концы которых соединены отрезками швеллеров 18 и 19, а центры их соединены шпилькой 20, снабженной гайками 21, при .этом верхний швеллер (18) соединен с тягой 5, а нижний (19) жестко соединен с генератором механических колебаний, причем упругий упор 16 установлен на основании 2 с зазором под верхним швеллером 18. Упор 16 имеет возможность в динамических режимах взаимодействовать с концом жесткой тяги 5 (зазор l. можно при необходимости варьировать в широких пределах).

Генератор колебаний выполнен в виде двух соединенных между собой и зеркально симметрично установленных относительно продольной оси симметрии прибора вибрационных возбудителей, связанных с устройством настройки на резонансные режимы. Каждый вибрационный возбудитель состоит из кольца 22, шара 23, электродвигате= ля 24 с регулируемым числом оборотов, ротор 25 которого с одной стороны имеет паз 26, а с другой — лимб

27 для фиксации начального угла поворота, при этом кольцо 22 жестко закреплено на статоре электродвигателя 24, а шар 23 размещен в пазу

26 ротора 25 с возможностью обкатки по кольцевой канавке кольца.

Несущая жесткая рама 1 выполнена разрезной по вертикали (по вертикальной оси симметрии прибора) и по горизонтали и снабжена регулировочным болтом 28 с резьбой, который соединяет левую 29 и правую 30 верхние половины рамы 1.

Плоские пружины предварительно могут быть изогнуты по дугам окружности (или по синусоидам), как это показано на фиг.1, причем ширина и длина полосовых пружин 3 выбраны такими, чтобы обеспечивались колебания, в основном, только по вертикали. Если для установки данного прибора в демонстрационном кабинете имеется достаточно места, т.е. если габари10

55 ты прибора не ограничены, то предпочтительнее применять прямолинейные плоские пружины 3 большой длины, что обеспечивает большой ход по вертикали, при этом такие направляющие пружины при необходимости способны обеспечить колебания всей системы строго по вертикали.

Разрезное кольцо 4 выполнено из плоской пружины, т.е. изогнутой по окружности полосовой пружины. В недеформированном состоянии (фиг.1, штрихпунктирная линия) оно представляет собой разрезное кольцо, концы которого К, и К закреплены на верхних полках уголков 11, а верхняя точка К соединена с жесткой тягой

5. В деформированном состоянии разрезное кольцо 4 показано сплошной линией К К К1.

Упругое кольцо 4 имеет возможность деформироваться на большую величину, например, ход в вертикальном направлении может по величине быть соизмеримым с диаметром упругого кольца 4 и т.д. Жесткостные (упругие) характеристики кольца 4 можно регулировать в широком диапазоне пу тем поджатия и поворота его концов

К, и К, т.е. изменяя при регулировках величины 1 и q . Осуществляя такую регулировку, можно .очень тонко настроить упругое кольцо на любую несущую способность, частоту свободных колебаний и амплитуду. Величину пожатия и поворота концов кольца

4 можно подобрать так, что при заданной подвешенной к кольцу 4 массе (т.е. массе резонансного элемента и генератора механических колебаний) в вертикальном направлении колебательная система имеет силовую характеристику с участком квазинулевой жесткости, что позволяет обеспечить низкочастотный вибрационный процесс. Таким образом, упругое кольцо 4, сдеформированное по вертикали, является одновременно и несущим и корректирующим элементом, т.е. в одном упругом элементе, концы которого должным образом поджаты и повернуты, объединены функции двух исполнительных элементов. Поджатие концов упругого кольца 4, т.е. уменьшение длины 1 осуществляется вращением болта 28, в -результате чего левая 29 и правая 30 верхние части рамы 1 сближаются на требу5

134167 емую величину. Поворот концов упругого кольца 4 на необходимый угол ср осуществляется следующим образом.

При вращении болта 9 гайки 13 сбляВ жаются, оси 15 поворачиваются в отверстиях проушин и передают силовое воздействие на уголки 11, которые поворачиваются на осях 10„ s результате чего концы упругого разрез— ного кольца 4 также поворачиваются на необходимую величину, изменяя жесткость кольца. Таким образом, упругие характеристики кольцевого корпуса 4 могут эффективно регулироваться путем поджатия и поворота его концов на требуемые величины.

Кроме этого, упругие свойства (определяющие динамические и, в частности, резонансные свойства колеба тельной системы) можно менять путем введения соответствующих упоров.

Если по обеим сторонам упругого кольца 4 расположить жесткие упоры 7

f и 8 на некотором расстоянии 1 25 (фиг.1),то при достижении определенной степени деформации упругое коль.цо 4 начинает своими боковыми поверхностями касаться жестких упоров 8, в результате чего жесткость кольца и силовая характеристика (а вместе с ней жесткость и частота свободных колебаний) резко меняются, что позволяет демонстрировать многие интересные явления из курса теории коле35 баний, например, существенное уменьшение резонансных пиков в результате обеспечения возможности ударного деформирования упругого кольца 4 при взаимодействии с жесткими упорами.

Когда пластины 17 зафиксированы шпилькой 20 и гайкой 21 таким образом, что они параллельны друг другу (фиг.1), то, если их длина соизмерима с шириной (например, длина только в 2-5 раз больше ширины), жесткость пластин 17 в вертикальном направлении очень велика и они рабо-тают в этом направлении как абсолютно жесткие (т.е. недеформируемые) связи. В этом случае пластины 17 передают вибрационную нагрузку от генератора механических колебаний (от обоих вибрационных возбудителей) в масштабе 1:1. т.е. без каких-либо трансформации и изменения.

Однако, если шпилькой 20 и гайками 21 разжать пластины 17 на требуемую величину так,чтобы в зафикси1 6 рованном положении пластины 17 выгнулись в синусоидальные дуги (фиг.1, пунктирные линии I, ЕХ, III), то в вертикальном направлении жесткость пластин 17 существенно уменьшается, по вертикали они работают как упругие связи, т.е. деформируются. Упругость пластин 17 подбирается разжатием шпилькой 20 так, что в динамическом режиме вибрационные воздействия генератора механических колебаний на кольцо 4 существенно усиливаются, т.е. передаются в резонансном режиме. Таким образом,устройство настройки на резонансные режимы позволяет при необходимости моделировать требуемые резонансные режимы. С его помощью моделируются и виброударные режимы за счет взаимодействия нижнего конца жесткой тяги 5 с упругим упором 16 в виде, например, резинового блока. Рассто- . яние 1, между ними изменяется в необходимых пределах.

При обкатывании шарика 23 создается центробежная сила F> = m>z R (где т — масса шарика; ы — угловая скорость вращения ротора электродвигателя, изменяющаяся в широких пределах (в результате изменяется на любую требуемую величину Р,„);

R — расстояние от оси ротора электродвигателя до центра тяжести шарика

Центробежная сила, которая при обкатывании шарика 23 постоянно меняет свое направление в вертикальной плоскости„ обуславливает возникновение (генерирование) вибрационной составляющей, т.е. одной гармоники. Два вибровозбудителя генерируют две гармоники (в сумме они образуют полигармоническую составляющую) с разными частотами Ы,. и со и фазами d, и d . Частоты и фазы регулируются в широких пределах, что позволяет изменять генерируемую полигармонику. Например, эту регулировку можно осуществить следующим образом. С .помощью лимба

27 ротор левого вибрационного возбудителя поворачивают, например, так, чтобы шарик 23 установился на горизонталь NN (фиг.4), а такой же шарик у правого вибрационного возбудителя устанавливают так, чтобы линия между центром тяжести шарика и осью ротора 25 составляла

7 134 с горизонталью NN угол <р, . Если одновременно запустить оба вибрационных возбудителя, то оба шарика начинают обкатываться по кольцевым канавкам. Однако, поскольку угол рассогласования у остается практически постоянным, обе центробежные силы (т.е. силы, получаемые при обкатывании первого и второго шарика) находятся в различных фазах, что обеспечивает возможность получения устойчивого и чистого полигармонического воздействия. Изменяя нри регулировке величину начального угла рассогласования ср,, получают в приборе полигармоники самого широкого спектра.

После того, как все описанные регулировки основных функциональных элементов прибора (упругого разрезного кольца, устройства настройки на резонансные режимы, вибрационных возбудителей) выполнены, запускают вибрационные возбудители, ша-, рики 23 начинают обкатывать по кольцевым канавкам колец 22 и возникаю- . щие при этом центробежные силы являются теми полигармоническими вибрационными воздействиями, которые через устройство настройки на резонансные режимы 16 — 17 — 18 — 19 — 20 — 21 передаются на разрезное кольцо 4, вызывая его упругие деформации, в результате чего вся система начинает колебаться по вертикали с заданной амплитудой. При этом роль массы (т.е. колеблющегося груза) выполняют вибрационные возбудители и устройство настройки на резонансные режимы (в этом случае верхний ., ! швеллер 18 выполняется достаточно массивным)..

Тот или иной динамический режим (линейный резонанс, нелинейный резонанс, резонанс.на основной или кратной гармонике, гашение резонанса при взаимодействии упругого кольца

4 с упорами 7 и 8, осуществление виброударного режима за счет взаимодействия верхнего швеллера t8 резонансного элемента с упругим упором

16 и т.д.) обеспечивается соответствующей регулировкой указанных основных функциональных элементов.

Учащиеся могут наблюдать как в динамическом режиме упруго деформируется на большую величину разрезное кольцо 4, как меняется при этом

1671 его форма, как в резонансном режиме при резком изменении амплитуды колебаний этот корпус начинает соприка5 саться и упруго взаимодействовать с упорами 7 и 8; при этом упругая характеристика (т.е. жесткость) коль= ца 4 изменяется и резонанс либо прекращается, либо развивается качественно по иному (например, происхо- дит хорошо визуально заметный срыв амплитуды колебаний, т.е. ее уменьшение, что является важной особенностью нелинейной колебательной системы). Студенты могут вручную .изменять упругость разрезного кольца, вращая болт 9; используя не только соответствующие технические средства (индикаторы, динамоменты и т.д.) но и наощупь определять требуемую, в том числе квазинулевую, жесткость кольца 4. Например, студент большим пальцем левой руки деформирует и изгибает кольцо, ощущая его упругость и степень жесткости, а правой рукой вращает болт 9 до тех пор, пока не почувствует, что кольцо 4 стало. существенно менять свою силовую характеристику, т.е. размягчаться и приобретать при заданной несущей способности (т.е. при определенном давлении на него пальцем) .практически квазинулевую жесткость.

Очень наглядным в практическом

35 отношении является также и устройство настройки на резонансные режимы

16 — 17 — 18 — 19 — 20 — 21. Например, если в устройстве настройки на резонансные режимы пластины 17 пря"

40 молинейны, т.е. параллельны друг другу и вертикальной оси прибора, то их продольная жесткость (жесткость в вертикальном направлении) так велика (что достигается соответству-.

45 ющим подбором длины и ширины пластин), что они практически работают как абсолютно жесткие связи,т.е. в масштабе 1:i без изменения и трансформации передают вибрационную

50 нагрузку от вибрационных возбудителей на упругое разрезное кольцо 4 °

Если шпилькой 20 разжать пластины 17, т.е. изогнуть их так, чтобы oak приняли очертания полуеинусоид (фиг.t пунктирная линия I, 1Т, III)

55 то их жесткость в вертикальном направлении резко уменьшается и они под действием вибрации, генерируемой вибровозбудителями, могут упруго Hs9 1 34 гибаться, т.е. работать как упругие тела. В этом случае между упругим кольцом и вибрационными возбудителями появляется дополнительная упругая связь, являющаяся своеобразным фильтром; теперь вибрация передается на кольцо 4 с изменением, с трансформацией. Упругость этой связи может быть выбрана такой, что колебания вибровозбудителей начинают передаваться на кольцо 4 в резонанс— ном режиме, т.е. в режиме существенного усиления, на частотах, не совпадающих с частотой свободных колебаний этого кольца. Таким образом, резонансный элемент,в котором пластины 1? разжаты на требуемую величину шпилькой 20, генерирует нужный дополнительный резонансный режим, что также хорошо визуально могут наблюдать студенты. Кроме того,они могут самостоятельно нужным образом быстро отрегулировать устройство настройки на резонансные режимы на необходимый рабочий режим.

Формула изобретения

1. Прибор для демонстрации колебательных процессов системы, содержащий несущую жесткую раму., воспри нимающий и корректирующий колебания элемент, выполненный в виде разрезного вертикально расположенного в раме кольца, генератор колебаний, тягу, связывающую кольцо с генератором колебаний, и две закреплен— ные одним концом на стойке рамы плоские параллельные пружины, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона решаемых задач путем исследования факторов, влияющих на вибрационные процессы, он имеет устройство для поворота кольца относительно вертикальной оси и устройство настройки на резонансные режимы, подВешенные на свободных концах плоских пружин, и ограничительные упоры, установленные Hd раме с возможностью горизонтального перемещения по обеим сторонам кольца, при этом рама выполнена разрезной по вертикали и горизонтали, верхние ее части связаны регулировочным винтом, а генератор колебаний выполнен в виде двух соединенных между собой и зеркально симметрично

4. Прибор по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что каждый вибрационный возбудитель состоит из электродвигателя с регулируемым числом оборотов, ротор которого с оцной стороны имеет паз, а с другой — лимб для фиксации начального угла поворота, кольца шарикоподшипника,жестко соединенного со статором электродвигателя, и шара, размещенного в пазе ротора с возможностью обкатки по канавке кольца.

f671 расположенных относительно продольной оси симметрии прибора вибрационных возбудителей, связанных с устройством настройки на резонансные режимы.

2. Прибор по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что устройство для поворота кольца выполнено в виде двух соединенных болтом направляющих элементов, связанных со стойками рамы, каждый из которых включает цилиндрическую ось, отрезок уголкового профиля, нижняя полка которого имеет сквозной продольный паз, гайку, на15 винченную на болт, которыи пропущен с зазором через паз, две проушины, установленные на нижней полке отрезка уголкового профиля симметрично относительно паза, две шпильки,ввинченные в противоположные грани гайки и образующие ось, установленную в проушинах с возможностью вращения, при этом на верхней полке отрезка уголкового профиля жестко зафиксирован один из концов разрезного кольца, а внешняя грань отрезка уголкового профиля жестко соединена с цилиндрической осью, установленной на верхней полке рамы с возможностью вращения относительно нее.

3. Прибор по п.1, с т л и ч а— ю шийся тем, что устройство настройки на резонансные режимы включает упругий упор, предназначенный для взаимодействия с нижним концом тяги, две параллельные оси прибора, вертикально расположенные упругие пластины, концы которых соединены отрезками швеллеров, а центры их со4О единены шпилькой, при этом верхний швеллер соединен с тягой, а нижний швеллер жестко соединен с генератором механических колебаний, причем упругий упор размещен с зазором под:верхним швеллером.

1341671

Юод 6

Вид В

Составитель Г.Григорян

Техред А.Кравчук Корректор Г.Решетник

Редактор Л.Пчолинская

Тираж 433 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий.

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ 4440/54

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4