Прибор для демонстрации колебательных процессов системы

,1ИРЛИ(1 ТЕ д. ТОРСНОМУ СВИ ЬСТВУ ЛЕБАюл. У лектротехниче.8)свидетельство ССС09 В 2310, 1974 ы. ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(54) ПРИБОР ТЕЛЬНЫХ ПРО (57) Изобре ным приборам бательных пр нейных меха ляет расшири задач путем влияющих на ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ КЕССОВ СИСТЕМЫение относится к ндля демонстрацииоцессов линейных иических систем и пть диапазон решаемьисследования фактовибрационные проце глядоленелизвохов,341671 10 20 Прибор для демонстрации колебательных процессов систем содержит несущ;фю 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 поворота 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 демонстрацииколебательных процессов системы содержит несущую жесткую раму 1, установленную на основании 2, две закрепленные одним концом на стойке рамы 1 плоские параллельные пружины 3, воспринимающий 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, генератормеханических колебаний, включающийдва вибрационных возбудителя, вкаждом иэ которых соответствующаявибрационная составляющая (гармоника) генерируется при обкатывании шарика по дорожке кольца 22,Данный прибор позволяет наблюдать,как упруго деформируется УК 4 в динамических режимах, как постоянноменяется его форма и сбиваются резонансы при упругом взаимодействииданного УК 4 с упорами 7, 8, какв результате изменения (прн регулировках) - угла поворота.и величины поджатия концов УК 4 изменяютсяего жесткостные характеристики, вчастности, можно получить квазинулевую жесткость. 3 э,п. ф-лы, 4 ил. кальной оси и устройство настройкина резонансные режимы, подвешенныена свободных концах плоских пружин3, и ограничительные упоры 7 и 8,установленные на раме с возможностью горизонтального перемещенияпо обеим сторонам кольца 4,Устройство для поворота кольцавыполнено в виде двух соединенныхболтом 9 направляющих элементов,связанных со стойками рамы 1, каждыйиз которых содержит цилиндрическуюось 10, отрезок уголкового профиля11, нижняя полка которого имеетсквозной продольный паэ 12, гайку13,навинченную на болт 9, которыйпропущен с зазором через паз 12,две проушины 14, установленные нанижней полке отрезка уголковогопрофиля 11 симметрично относительно паза 12, и две шпильки 15, ввинченные в противоположные грани гайки 13 и образующие ось, установленную в проушинах 14 с возможностьювращения, при этом на верхней полкеотрезка уголкового профиля жесткозафиксирован один из концов разрезного кольца 4, а внешняя граньотрезка уголкового профиля жесткосоединена с цилиндрической осью 10,установленной на верхней полке рамы1 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, ацентры 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 1 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 габари 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 изплоской пружины, т.е. изогнутой по окружности полосовой пружины. В не- деформированном 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 К.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. 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 требу 51341 б 7емую величину. Поворот концов упругого кольца 4 на необходимый уголс осуществляется следующим образом,При вращении болта 9 гайки 13 сбляжаются, оси 15 поворачиваются в отверстиях проушин и передают силовоевоздействие на уголки 11, которыеповорачиваются на осях 10 в результате чего концы упругого разрез -ного кольца 4 также поворачиваютсяна необходимую величину, изменяяжесткость кольца. Таким образом, упругие характеристики кольцевогокорпуса 4 могут эффективно регулироваться путем поджатия и поворотаего концов на требуемые величины.Кроме этого, упругие свойства (определяющие динамические и, в частности, резонансные свойства колебательной системы) можно менять путемвведения соответствующих упоров.Если по обеим сторонам упругогокольца 4 расположить жесткие упоры 7и 8 на некотором расстоянии 1 25(Фиг.1),то при достижении определенной степени деформации упругое кольцо 4 начинает своими боковыми поверхностями касаться жестких упоров 8,в результате чего жесткость кольцаи силовая характеристика (а вместе сней жесткость и частота свободныхколебаний) резко меняются, что позволяет демонстрировать многие интересные явления из курса теории коле 35баний, например, существенное уменьшение резонансных пиков в результатеобеспечения возможности ударногодеформирования упругого кольца 4 привзаимодействии с жесткими упорами,Когда пластины 17 зафиксированьшпилькой 20 и гайкой 21 таким образом, что они параллельны друг другу(Фиг.1), то, если их длина соизмерима с шириной (например, длинатолько в 2-5 раз больше ширины),жесткость пластин 17 в вертикальномнаправлении 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 (отобоих вибрационных возбудителей) вмасштабе 1:1. т.е, без каких-либотрансформации и изменения.Однако, если шпилькой 20 и гайками 21 разжать пластины 17 на требуемую величину так,чтобы в зафикси 1 6рованном положении пластины 17 выгнулись в синусоидальные дуги (Фиг,1, пунктирные линии 1, Е 1, 111), 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. Расстояние 1, между ними изменяется в необходимых пределах.При обкатывании шарика 23 создается центробежная сила Г = щи К (где ш - масса шарика; ы - угловая скорость вращения ротора электродвигателя, изменяющаяся в широких пределах (в результате изменяется на любую требуемую величину Р,); К - расстояние от оси ротора электродвигателя до центра тяжести шарикаЦентробежная 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 Ы и фазами с 1, и й . 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 ИИ (фиг.4), а такой же шарик у правого вибрационного возбудителя устанавливают так, чтобы линия между центром тяжести шарика и осью ротора 25 составляла7 134 с горизонталью ИИ угол д, . 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 поли- гармонического воздействия. Изменяя нри регулировке величину начального угла рассогласования д, , 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 18 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 1671его форма, как в резонансном режимепри резком изменении амплитуды колебаний этот корпус начинает соприка 5саться и упруго взаимодействовать супорами 7 и 8; при этом упругаяхарактеристика (т.е. жесткость) коль=ца 4 изменяется и резонанс либо прекращается, либо развивается качественно по иному (например, происхо-дит хорошо визуально заметный срывамплитуды колебаний, т.е. ее уменьшение, что является важной особенностью нелинейной колебательнойсистемы). 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, жесткостькольца 4. Например, студент большимпальцем левой руки деформирует иизгибает кольцо, ощущая его упругость 25 и степень жесткости, а правой рукойвращает болт 9 до тех пор, покане почувствует, что кольцо 4 сталосущественно менять свою силовую характеристику, т.е. размягчаться иприобретать при заданной несущей способности (т.е. при определенном давлении на него пальцем) .практическиквазинулевую жесткость.Очень наглядным в практическом35отношении является также и устройство настройки на резонансные режимы16 - 17 - 18 - 19 - 20 - 21, Например, если в устройстве настройки нарезонансные режимы пластины 17 пря"40 молинейны , т,е. параллельны другдругу и вертикальной оси прибора, тоих продольная жесткость (жесткостьв вертикальном направлении) так велика (что достигается соответству-.45ющим подбором длины и ширины пластин), что они практически работают как абсолютно жесткие связи,т.е.в масштабе 1: без изменения итрансформации передают вибрационную 50нагрузку от вибрационных возбудителей на упругое разрезное кольцо 4Если шпилькой 20 разжать пластины 17,т.е. изогнуть их так, чтобы онйприняли очертания полуеинусоид(фиг.1, пунктирная линия 1, 11, 111), 55то их жесткость в вертикальном направлении резко уменьшается и онипод действием вибрации, генерируемойвибровозбудителями, могут упруго из 9 134 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 передае - ся 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 17 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 изобретения1. 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 закрепленные одним концом на стойке рамы плоские параллельные пружины, о тл и ч а ю щ и й с я 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 на 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 симметрично50 55 4. Прибор по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я 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. 101671расположенных относительно продольнойоси симметрии прибора вибрационныхвозбудителей, связанных с устройством настройки на резонансные режимы.2, Прибор по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что устройство дляповорота кольца выполнено в виде двухсоединенных болтом направляющих элементов, связанных со стойками рамы,каждый из которых включает цилиндрическую ось, отрезок уголкового профиля, нижняя полка которого имеетсквозной продольный паз, гайку, на 15 Винченную на болт, который пропущенс зазором через паз, две проушины,установленные на нижней полке отрезка уголкового профиля симметричноотносительно паза, две шпильки,ввинченные в противоположные грани гайкии образующие ось, установленную впроушинах с возможностью вращения,при этом на верхней полке отрезкауголкового профиля жестко зафиксирован один из концов разрезного кольца, а внешняя грань отрезка уголкового профиля жестко соединена с цилиндрической осью, установленнойна верхней полке рамы с возможностьювращения относительно нее.3. Прибор по п.1, с т л и ч а -ю щ и й с я тем, что устройство настройки на резонансные режимы включает упругий упор, предназначенныйдля взаимодействия с нижним концомтяги, две параллельные оси прибора,вертикально расположенные упругиепластины, концы которых соединеныотрезками швеллеров, а центры их со 4 Оединены шпилькой, при этом верхнийшвеллер соединен с тягой, а нижнийшвеллер жестко соединен с генератором механических колебаний, причемупругий упор размещен с зазоромпод:верхним швеллером,451341671 Вц оставитель Г.Григехред А,Кравчук орректор Г.Решетни Редактор Л.Пчолинская аказ 4440/5 одписноеССР Н о 5 скв Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4 Тир ИИПИ Госуд делам и433 Пственного комитета Сбретений и открытийЖ, Раушская наб.,