CN112747881A - 一种摩擦耦合振动实验台及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摩擦耦合振动实验台及，包括机架、驱动装置、振动装置以及测量装置，驱动装置包括电机、驱动轴以及圆盘，圆盘水平设置，电机通过驱动轴与圆盘圆心传动连接；机架包括横梁以及竖杆，横梁水平设置，两根竖杆竖直间隔设置，上端分别与横梁固定连接；振动装置包括滑轨、滑块、横向导杆、质量块、摩擦座、弹簧、弹片以及物块；测量装置包括光纤光栅、解调仪以及处理器，各个弹片的两个侧面上均对称设置有光纤光栅。本摩擦耦合振动实验台及其测量方法通过电机带动圆盘转动，来模拟与摩擦座发生滑动摩擦，摩擦力方向的横向振动引起了垂向振动，带动质量块在水平方向和竖直方向上发生振动，从而能够研究二自由度条件下的振动情况。

Description

一种摩擦耦合振动实验台及其测量方法

技术领域

本发明涉及摩擦耦合振动技术领域，尤其涉及一种摩擦耦合振动实验台及其测量方法。

背景技术

摩擦自激振动是发生在两个相对滑动物体表面的一种不稳定振动，它是由物体之间的摩擦而导致的非线性振动。在日常生活和工程领域中，摩擦自激振动现象广泛存在。这种现象会导致相互接触的物体产生各种形式的波和振荡，从而加剧机械零件的磨损，并产生难以忍受的噪声，对工程生产和日常生活带来各种负面的影响。因此，对摩擦自激振动进行***研究，具有重大的现实和理论价值。

最近，模态耦合理论被认为是摩擦自激振动产生一种重要机理，它认为在二自由度的***中，存在结构和摩擦耦合，摩擦力方向的横向振动引起了垂向振动，当摩擦系数大于临界值时，横向与垂向的振动相位存在差值，并且振动频率逐渐合并，从而发生耦合，此时摩擦力输入***的功大于***输出的功，***产生摩擦耦合振动。对于摩擦耦合振动的实验研究，现有的实验装置大多采用传送带和直线移动的工作台作为激发振动的驱动装置，其中传送带刚度较低，传送稳定性差，而工作台的行程短，不便于持续研究振动现象。另外，现有实验装置大多为单自由度***，只存在单一方向的振动，无法对二自由度的摩擦耦合振动***进行研究。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种摩擦耦合振动实验台及其测量方法，用以解决现有技术中实验装置为单自由度***，只存在单一方向振动，无法对二自由度的摩擦耦合振动***进行研究的技术问题。

本发明提供一种摩擦耦合振动实验台，该摩擦耦合振动实验台包括：机架、驱动装置、振动装置以及测量装置，驱动装置包括电机、驱动轴以及圆盘，圆盘水平设置，电机通过驱动轴与圆盘圆心传动连接，能够驱动圆盘在水平面上转动；机架包括横梁以及竖杆，横梁水平设置，两根竖杆竖直间隔设置，上端分别与横梁固定连接；振动装置包括滑轨、滑块、横向导杆、质量块、摩擦座、弹簧、弹片以及物块，每个竖杆朝向另一个竖杆的侧面上均竖直设置滑轨，两个滑块分别与两个滑轨一一对应滑动连接，横向导杆一端与其中一个滑块固定连接，另一端通过第一弹片与另一滑块固定连接，质量块套设于横向导杆上并能沿横向导杆滑动，第一弹簧套设于横向导杆上，其一端抵接质量块，另一端抵接第一弹片，第二弹簧竖直设置，其上端固定连接质量块，下端固定连接摩擦座，摩擦座与圆盘上表面抵接，第二弹片与第三弹簧均倾斜设置，第二弹片上端与横梁固定连接，其下端与第三弹簧上端固定连接，第三弹簧下端与质量块固定连接，第三弹片竖直设置，其下端与质量块固定连接，其上端固定连接第一物块，第四弹片水平设置，其靠近第一弹片的一端与质量块固定连接，其远离第一弹片的一端与第二物块固定连接；测量装置包括光纤光栅、解调仪以及处理器，第一弹片、第二弹片、第三弹片以及第四弹片的两个侧面上均对称设置有光纤光栅，解调仪分别与各个光纤光栅电信号连接，处理器与解调仪电信号连接，各个光纤光栅产生波长信号传输至解调仪，经过解调仪解调后传输给处理器处理计算。

进一步的，机架还包括底板以及调整支脚，底板设置于四个调整支脚上，调整支脚能够沿竖直方向伸缩，从而调整底板的水平度，驱动装置设置于底板上。

进一步的，驱动装置还包括减速器以及联轴器，电机的传动轴连接减速器的输入端，减速器的输出端通过联轴器连接驱动器的下端。

进一步的，驱动装置还包括固定设置于底板上的支撑座，电机以及减速器均分别与支撑座固定连接。

进一步的，振动装置还包括竖向导杆，竖向导杆竖直设置，下端与摩擦座固定连接，上端穿过质量块，质量块与竖向导杆滑动连接。

进一步的，振动装置还包括固定块，横向导杆通过固定块与滑块或第一弹片可拆卸连接，固定块包括主体部、紧固耳、紧固螺栓以及连接螺栓，主体部为C型且具有弹性，其中部形成用于横向导杆穿过容纳空间，两个紧固耳相对设置并且分别与主体部两端一体成型连接，两个紧固耳上分别相对开设有紧固螺纹孔，紧固螺栓与紧固螺纹孔配合连接，缩短两个紧固耳之间的距离，从而使主体部发生形变夹紧横向导向杆，主体部上开设有连接螺纹孔，连接螺栓通过连接螺纹孔与滑块或第一弹片可拆卸连接。

进一步的，第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、第一弹片、第二弹片、第三弹片以及第四弹片处于同一平面上。

进一步的，横向导杆有上下平行排列的两根，第一弹簧套设于下方横向导杆上。

本发明还提供一种摩擦耦合振动实验台的测量方法，该摩擦耦合振动实验台的测量方法包括如下步骤：S1、分别对各个光纤光栅进行标定实验，得到应变标定方程；S2、将各个光纤光栅编号并与解调仪连接；S3、启动电机使得质量块产生摩擦耦合振动；S4、各个弹片随着质量块产生耦合振动，各个光纤光栅的波长发生变化，并将信号传输给解调仪；S5、解调仪采集光纤光栅信号解调后传输给处理器，处理器根据解调后的波长变化信号，计算得到弹片的弹性力和加速度的数据。

进一步的，还包括步骤S6、改变弹簧弹性系数或改变质量块的质量，并重复步骤S3至S5，从而研究弹簧弹性系数或改变质量块的质量对摩擦耦合振动的影响。

与现有技术相比，本摩擦耦合振动实验台及其测量方法通过电机带动圆盘转动，来模拟与摩擦座发生滑动摩擦，摩擦力方向的横向振动引起了垂向振动，带动质量块在水平方向和竖直方向上发生振动，从而能够研究二自由度条件下的振动情况，并根据振动时光纤光栅的波长会发生变化这一特性，测得了弹片的弹性力和加速度，从而对摩擦耦合振动进行更加准确的定量研究。

附图说明

图1为本发明提供的摩擦耦合振动实验台的结构示意图；

图2为图1中驱动装置的正视图；

图3为图1中振动装置的正视图；

图4为图3中局部放大图；

图5为图1中固定块的结构示意图；

图6为本发明提供的摩擦耦合振动实验台的信号连接示意图；

图7为本摩擦耦合振动实验台的测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参见图1至图6，本摩擦耦合振动实验台包括机架1、驱动装置2、振动装置3以及测量装置4，驱动装置2和振动装置3放置于机架1上，驱动装置2能够带动振动装置3振动，通过测量装置4测量振动装置振动的情况，以便于实验人员进行振动研究。

机架1包括调整支脚11、底板12、支撑柱13、横梁14以及竖杆15。底板12设置于四个调整支脚11上，调整支脚11能够沿竖直方向伸缩，从而调整底板12的水平度。支撑柱13设置在底板12上，用于支撑水平横梁14。横梁14的下方设置有两根间隔平行的竖杆15，竖杆15的上端与横梁14固定连接。

驱动装置2设置于底板12上，包括支撑座21、电机22、减速器23、联轴器24、驱动轴25以及圆盘26。支撑座21固定设置在底板2上，电机22和减速器23分别与支撑座21固定连接，电机22的传动轴竖直向上，连接减速器23的输入端，减速器23的输出端通过联轴器24连接驱动轴25的下端，驱动轴25的上端连接圆盘26的圆心，圆盘26水平设置，电机22通过减速器23减速之后，能够通过驱动轴25带动圆盘26以一个合适的速度在水平面上转动。

振动装置3包括滑轨31、滑块32、横向导杆33、质量块34、竖向导杆35、摩擦座36、第一弹簧37A、第二弹簧37B、第三弹簧37C、第一弹片38A、第二弹片38B、第三弹片38C、第四弹片38D、固定块39以及物块30。

在每个竖杆15朝向另一个竖杆15的侧面上均竖直设置滑轨31，两个滑块32分别与两个滑轨31一一对应滑动连接，能够在外力的作用下沿着滑轨31上下滑动。横向导杆33一端与其中一个滑块32固定连接，另一端通过第一弹片38A与另一滑块32固定连接，质量块34套设于横向导杆33上并能沿横向导杆33滑动。第一弹簧37A套设于横向导杆33上，其一端抵接质量块34，另一端抵接第一弹片38A。在本实施例中，横向导杆33设置有两根，上下平行排列设置，第一弹簧37A仅套设于下侧的横向导杆33上。

第二弹簧37B竖直设置，其上端固定连接质量块34，下端固定连接摩擦座36，摩擦座36放置于圆盘26上并与圆盘36上表面抵接。在本实施例中，为了确保质量块34的横向振动不会出现在第二弹簧37上，还在摩擦座36上固定设置有两根竖向导杆35，竖向导杆35上端穿过质量块34，质量块34能够相对竖向导杆35上下滑动。

第二弹片38B与第三弹簧37C均倾斜设置，第二弹片38B的上端与横梁14固定连接，下端与第三弹簧37C的上端固定连接并且第二弹片38B与第三弹簧37C相互垂直，第三弹簧37C的下端与质量块34固定连接。相适应地，质量块34上形成一斜面，第三弹簧37C垂直于该斜面上。在进行试验时，通过改变第二弹片38B与第三弹簧37C的夹角，能够研究第三弹簧37C的倾斜角度对摩擦耦合振动的影响。第三弹片38C竖直设置，第三弹片38C的下端与质量块34固定连接，上端固定连接第一物块30A。第四弹片38D水平设置，第四弹片38D靠近第一弹片38A的一端与质量块34固定连接，远离第一弹片38A的一端与第二物块30B固定连接。并且第一弹簧37A、第二弹簧37B、第三弹簧37C、第一弹片38A、第二弹片38B、第三弹片38C以及第四弹片39D均处于同一平面上，从而将振动控制在两个自由度上。

在本实施例中，横向导杆33两端通过固定块39分别与第一弹片38A或滑块32可拆卸连接。固定块39包括主体部391、紧固耳392、紧固螺栓393以及连接螺栓394。主体部391为C型且具有弹性，其中部形成用于横向导杆33穿过容纳空间，两个紧固耳392相对设置并且分别与主体部391的两端一体成型连接，两个紧固耳392上分别相对开设有紧固螺纹孔。紧固螺栓393与紧固螺纹孔配合连接，缩短两个紧固耳392之间的距离，从而使主体部391发生形变夹紧横向导向杆33。主体部391上开设有连接螺纹孔，连接螺纹孔的方向与紧固螺纹孔的方向垂直。连接螺栓394通过连接螺纹孔与滑块32或第一弹片38A可拆卸连接。

测量装置4包括光纤光栅41、解调仪42以及处理器43，第一弹片38A、第二弹片38B、第三弹片38C以及第四弹片38D的两个侧面上均对称设置有光纤光栅41，光纤光栅41采用环氧树脂AB胶进行封装。解调仪42分别与各个光纤光栅41电信号连接，处理器43与解调仪42电信号连接。在本实施例中，处理器43可以采用常见的计算机，并安装有专门的信号处理软件来进行计算。各个光纤光栅41产生波长信号传输至解调仪42，经过解调仪42解调后传输给处理器43处理计算，得到任意时刻弹片的振动和弹性力的测量值。。

本试验台的测量原理为：一束入射光在光纤光栅41中传输时，如果进入栅区的光和光纤光栅41的相位匹配，那么这些光会被反射回来形成一个相位相同的反射光，而不匹配的光会被透射出去形成相位错乱的透射光。其中，反射光的中心波长受气外界信号的影响，特别是对温度和应变很敏感。其波长变化可表示为：

Δλ_B＝K_εΔε+K_TΔT

其中，K_ε、K_T分别为光纤光栅的应变和温度灵敏度系数，Δε、ΔT为光纤光栅的应变和温度变化，利用此特性可以测量外界应变或温度变化，而在实际测量时，需要辨别两者具体引起的波长变化，这就是交叉敏感性。

为消除温度影响，在正反两面对称地粘贴光纤光栅，同一位置处的两根光纤光栅受界温度变化的影响相同，而受应变变化的影响相反，则两个光纤光栅的波长变化可表示为：

Δλ_B1＝K_ε1Δε+K_rΔT

Δλ_B2＝-K_ε2Δε+K_TΔT

可化为：

Δλ_B1-Δλ_B2＝(K_ε1+K_ε2)Δε

令Δλ_B1-Δλ_B2＝Δλ_B，K_ε1+K_ε2＝K_ε，则上式可表示为

Δλ_B＝K_εΔε

这样便消除了温度的影响，突显了应变的影响。

参见图7，本摩擦耦合振动实验台的测量方法包括如下步骤。

S1、分别对各个光纤光栅41进行标定实验，给各个弹性钢片(38A、38B、38C以及38D)的活动端施加一组力，并记录光纤光栅41的波长变化量，可以测算出应变灵敏系数，从而得到力与波长变化量的标定方程。

S2、将各个光纤光栅41编号并接入到解调仪42的各个通道内。

S3、设定电机22转速，并测量横向导杆33与圆盘26中心的距离，然后运行本摩擦耦合振动实验台，圆盘26以一定转速开始运动，质量块34受到摩擦力和各个弹簧的弹性力，并在横向导杆33、竖向导杆35和滑轨31、滑块32的导向作用下，在垂向和横向发生耦合振动。

S4、随着质量块34进行耦合振动，物块(30A、30B)随着质量块34的振动过程中使弹性钢片(38C以及38D)受力弯曲而产生应变，使得光纤光栅41的波长发生变化。同时第一弹片38A、第二弹片38B活动端分别受到第一弹簧37A和第三弹簧37C的交变弹性力而产生应变，使得光纤光栅41的波长发生变化。各个光纤光栅41将波长信号实时传输给解调仪42。

S5、解调仪42采集到摩擦耦合振动过程的光纤光栅41信号，并进行解调传输至处理器43，处理器的信号采集软件实时采集解调信号，并保存到处理器上，能够得到同一的各个测量点的测量值，从而实现同时测量。对于振动的测量，通过第三弹片38C以及第四弹片38D上的光纤光栅41的数据，再根据标定方程分别计算出横向和垂向受力大小，再根据牛顿第二定律分别计算出横向和垂向加速度大小。对于弹性力的测量，通过第一弹片38A、第二弹片38B上的光纤光栅41的数据，再根据标定方程分别计算出弹性力大小。

S6、改变摩擦耦合振动实验台的实验条件，并重复步骤S3-S5，研究不同条件下摩擦耦合运动状态与特性。如：通过调整电机22的转速或调整支撑座21设置在底板2上的位置来改变摩擦座36与圆盘26接触的位置，进而获得不同接触位置处的圆盘速度，研究不同圆盘26的速度的对摩擦耦合振动的影响。通过改变第一弹簧37A、第二弹簧37B、第三弹簧37C的弹性系数，研究不同弹簧弹性系数对摩擦耦合振动的影响。通过改变质量块34的质量，研究不同质量块34质量的对摩擦耦合振动的影响。通过设置第三弹簧37C不同的倾角，沿第三弹簧37C的倾斜角度对摩擦耦合振动的影响等。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本摩擦耦合振动实验台及其测量方法通过电机带动圆盘转动，来模拟与摩擦座发生滑动摩擦，摩擦力方向的横向振动引起了垂向振动，带动质量块在水平方向和竖直方向上发生振动，从而能够研究二自由度条件下的振动情况，并根据振动时光纤光栅的波长会发生变化这一特性，测得了弹片的弹性力和加速度，从而对摩擦耦合振动进行更加准确的定量研究。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摩擦耦合振动实验台，其特征在于，其包括：机架、驱动装置、振动装置以及测量装置，

所述驱动装置包括电机、驱动轴以及圆盘，所述圆盘水平设置，所述电机通过所述驱动轴与所述圆盘圆心传动连接，能够驱动所述圆盘在水平面上转动；

所述机架包括横梁以及竖杆，所述横梁水平设置，两根所述竖杆竖直间隔设置，上端分别与所述横梁固定连接；

所述振动装置包括滑轨、滑块、横向导杆、质量块、摩擦座、弹簧、弹片以及物块，每个所述竖杆朝向另一个所述竖杆的侧面上均竖直设置所述滑轨，两个所述滑块分别与两个所述滑轨一一对应滑动连接，所述横向导杆一端与其中一个所述滑块固定连接，另一端通过第一弹片与另一所述滑块固定连接，所述质量块套设于所述横向导杆上并能沿所述横向导杆滑动，第一弹簧套设于所述横向导杆上，其一端抵接所述质量块，另一端抵接所述第一弹片，第二弹簧竖直设置，其上端固定连接所述质量块，下端固定连接所述摩擦座，所述摩擦座与所述圆盘上表面抵接，第二弹片与第三弹簧均倾斜设置，所述第二弹片上端与所述横梁固定连接，其下端与所述第三弹簧上端固定连接，所述第三弹簧下端与所述质量块固定连接，第三弹片竖直设置，其下端与所述质量块固定连接，其上端固定连接第一物块，第四弹片水平设置，其靠近所述第一弹片的一端与所述质量块固定连接，其远离所述第一弹片的一端与所述第二物块固定连接；

所述测量装置包括光纤光栅、解调仪以及处理器，所述第一弹片、所述第二弹片、所述第三弹片以及所述第四弹片的两个侧面上均对称设置有所述光纤光栅，所述解调仪分别与各个所述光纤光栅电信号连接，所述处理器与所述解调仪电信号连接，各个所述光纤光栅产生波长信号传输至所述解调仪，经过所述解调仪解调后传输给所述处理器处理计算。

2.根据权利要求1所述的摩擦耦合振动实验台，其特征在于，所述机架还包括底板以及调整支脚，所述底板设置于四个所述调整支脚上，所述调整支脚能够沿竖直方向伸缩，从而调整所述底板的水平度，所述驱动装置设置于所述底板上。

3.根据权利要求2所述的摩擦耦合振动实验台，其特征在于，所述驱动装置还包括减速器以及联轴器，所述电机的传动轴连接所述减速器的输入端，所述减速器的输出端通过所述联轴器连接所述驱动器的下端。

4.根据权利要求3所述的摩擦耦合振动实验台，其特征在于，所述驱动装置还包括固定设置于所述底板上的支撑座，所述电机以及所述减速器均分别与所述支撑座固定连接。

5.根据权利要求4所述的摩擦耦合振动实验台，其特征在于，所述振动装置还包括竖向导杆，所述竖向导杆竖直设置，下端与所述摩擦座固定连接，上端穿过所述质量块，所述质量块与所述竖向导杆滑动连接。

6.根据权利要求5所述的摩擦耦合振动实验台，其特征在于，所述振动装置还包括固定块，所述横向导杆通过所述固定块与所述滑块或所述第一弹片可拆卸连接，所述固定块包括主体部、紧固耳、紧固螺栓以及连接螺栓，所述主体部为C型且具有弹性，其中部形成用于所述横向导杆穿过容纳空间，两个所述紧固耳相对设置并且分别与所述主体部两端一体成型连接，两个所述紧固耳上分别相对开设有紧固螺纹孔，所述紧固螺栓与所述紧固螺纹孔配合连接，缩短两个所述紧固耳之间的距离，从而使所述主体部发生形变夹紧所述横向导向杆，所述主体部上开设有连接螺纹孔，所述连接螺栓通过所述连接螺纹孔与所述滑块或所述第一弹片可拆卸连接。

7.根据权利要求6所述的摩擦耦合振动实验台，其特征在于，所述第一弹簧、所述第二弹簧、所述第三弹簧、所述第一弹片、所述第二弹片、所述第三弹片以及所述第四弹片处于同一平面上。

8.根据权利要求7所述的摩擦耦合振动实验台，其特征在于，所述横向导杆有上下平行排列的两根，所述第一弹簧套设于下方所述横向导杆上。

9.一种摩擦耦合振动实验台的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、分别对各个所述光纤光栅进行标定实验，得到应变标定方程；

S2、将各个所述光纤光栅编号并与所述解调仪连接；

S3、启动所述电机使得所述质量块产生摩擦耦合振动；

S4、各个所述弹片随着所述质量块产生耦合振动，各个所述光纤光栅的波长发生变化，并将信号传输给所述解调仪；

S5、所述解调仪采集光纤光栅信号解调后传输给所述处理器，所述处理器根据解调后的波长变化信号，计算得到所述弹片的弹性力和加速度的数据。

10.根据权利要求9所述的摩擦耦合振动实验台的测量方法，其特征在于，还包括步骤S6、改变所述弹簧弹性系数或改变所述质量块的质量，并重复步骤S3至S5，从而研究所述弹簧弹性系数或改变所述质量块的质量对摩擦耦合振动的影响。

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