CN112781814A - 一种二自由度摩擦耦合振动实验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二自由度摩擦耦合振动实验台，包括机架、驱动装置以及振动装置，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、第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、第一弹片、第二弹片，实施本发明实施例，具有如下有益效果：本二自由度摩擦耦合振动实验台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

一种二自由度摩擦耦合振动实验台

技术领域

本发明涉及摩擦耦合振动技术领域，尤其涉及一种二自由度摩擦耦合振动实验台。

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，有必要提供一种二自由度摩擦耦合振动实验台，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。

本发明提供一种二自由度摩擦耦合振动实验台，该二自由度摩擦耦合振动实验台包括：机架、驱动装置以及振动装置，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、第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、第一弹片、第二弹片，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。

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，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。

进一步的，质量块形成有一斜面，第三弹簧垂直斜面并且其下端与斜面固定连接。

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

进一步的，第二弹片与第三弹簧垂直并且与水平面的夹角均为45°。

与现有技术相比，本二自由度摩擦耦合振动实验台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。

附图说明

图1为本发明提供的二自由度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中振动装置的结构示意图；

图4为图3中局部放大图。

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4，本二自由度摩擦耦合振动实验台包括机架1、驱动装置2以及振动装置3，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，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以及固定块39。

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，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。在本实施例中，第二弹片38B与第三弹簧37C相互垂直并且与水平面的夹角均为45°。并且第一弹簧37A、第二弹簧37B、第三弹簧37C、第一弹片38A以及第二弹片38B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。

质量块34由分别平行和垂直于圆盘26设置的第一弹簧37A和第二弹簧37B保持位置，第三弹簧37C偏离于垂向倾斜设置。当圆盘26以恒定转速转动时，质量块34开始沿横向运动，若横向导杆33与圆盘26的中心的距离为r，且连线与纵向夹角为θ，则可以得到如下关系式，

即v＝ω·r。

因此，质量块34沿横向运动的任意点圆盘线速度相等。当质量块34受到向右的摩擦力时，质量块34开始向右作加速运动，且第一弹簧37A被拉伸，对质量块34产生向左的弹力，第三弹簧37C产生沿斜向的弹力。从能量的角度来看，正是由于第三弹簧37C产生的弹力，使得摩擦力产生的能量从横向振动传递到垂向振动，第三弹簧37C也受力变形。当质量块34向右加速运动到某一点时，第一弹簧37A和第三弹簧37C的横向弹力大于摩擦力时，质量块34向右作减速运动直至到速度为零，然后便向左做加速运动，第一弹簧37A和第三弹簧37C变形量逐渐减小。当质量块34向左加速运动到某一点时，第一弹簧37A和第三弹簧37C的横向弹力小于摩擦力时，质量块34向左作减速运动直至到速度为零，然后便向左做加速运动，这样质量块34相当于在横向完成了一个简谐振动周期。与此同时，质量块34在垂向上受到第二弹簧37B与第三弹簧37C的共同作用，也类似地完成了一个简谐振动周期。然而不同的质量块34产生垂向和横向的振动有相位差别，这是耦合振动的一个特性，由于相位差别的存在，摩擦耦合振动的能量可以在垂向和横向相互传递。

使用本试验台可以通过调整支撑座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，研究不同圆盘速度的对摩擦耦合振动的影响。还可以通过使用不同弹性系数的弹簧，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，研究不同质量的质量块34的对摩擦耦合振动的影响。通过设置第三弹簧37C与第二弹片38B不同的倾斜角度，研究第三弹簧37C的倾斜角度对摩擦耦合振动的影响等。综上，本试验台具有便于改变和替换实验台参数的优点，便与研究多种参数对于摩擦耦合振动的影响。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本二自由度摩擦耦合振动实验台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。

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)

1.一种二自由度摩擦耦合振动实验台，其特征在于，其包括：机架、驱动装置以及振动装置，

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、第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、第一弹片、第二弹片，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，另一端通过所述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，所述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，所述第二弹簧竖直设置，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，所述第二弹片与所述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。

2.根据权利要求1所述的二自由度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所述的二自由度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所述的二自由度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所述的二自由度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所述的二自由度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所述的二自由度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。

8.根据权利要求7所述的二自由度摩擦耦合振动实验台，其特征在于，所述质量块形成有一斜面，所述第三弹簧垂直所述斜面并且其下端与所述斜面固定连接。

9.根据权利要求8所述的二自由度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、所述第一弹片以及所述第二弹片处于同一平面上。

10.根据权利要求9所述的二自由度摩擦耦合振动实验台，其特征在于，所述第二弹片与所述第三弹簧垂直并且与水平面的夹角均为45°。

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