Розробка лабораторного пристрою

«Динамічний демпфер коливань»

Автори: Студенти ІV курсу

ММІ Валько В.М.,Кузнєцов А.В.,

студ. 1-го курсу ІПСА Марков Д.К.

Науковий керівник: Лукавенко В.П., к.т.н., доц.

ВступТемою наукової роботи є розробка

лабораторного пристрою «Динамічний демпфер коливань».

Пристрій відноситься до галузі приладобудування, а саме є лабораторним пристроєм, за допомогою якого в середніх спеціальних та вищих навчальних закладах будуть виконуватись лабораторні дослідження з практичної реалізації актуальної задачі механіки споруд та машин, власне гасіння їх коливань, які призводять у ряді випадків до пошкоджень конструкцій та їх руйнування.

На сьогоднішній день у практиці будівництва є приклади використання пристроїв маятникового типу для демпфування коливань висотних споруд, літальних апаратів, наземного та морського транспорту. Це, зокрема, конструкції демпферів коливань маятникового типу, які використані при будівництві Алма-Атинської та Ризької телевізійних веж, висотної вежі Тейпей-101 (налічує 101 поверх та сягає висоти 508 м ), та ін.

Недоліком такого пристрою гасника коливань для лабораторного практикуму є складність переналаштовування пристрою на зміну власної частоти коливань опори, яка в реальних умовах може бути зумовлена процесом її будівництва, чи мірою її завантаженості в процесі експлуатації. Окрім того, в наведеній конструкції не передбачено також можливості налаштування інтенсивності демпфування гасника коливань від чого суттєво залежить ефективність його роботи.

Звідси випливає мета науково-дослідницької роботи: створення лабораторного пристрою динамічного демпфера коливань, який в поєднанні з використанням сучасних комп’ютерних технологій забезпечував би отримання на екрані монітора в режимі реального часу осцилограми коливного процесу з можливістю налаштування різного ступеня інтенсивності його затухання.

Завданням науково-дослідницької роботи є:

1) розробка і виготовлення механічної системи динамічного демпфера коливань, який в поєднанні з датчиками кутової координати маятникового демпфера коливань і положення опори забезпечить реалізацію вищенаведеної мети;

2) виконання експериментальних досліджень демпфування коливного процесу шляхом розшифровки отриманих осцилограм для різного значення амплітуд і інтенсивності затухання;

3) на основі отриманих результатів експерименту визначити значення логарифмічного декремента затухання, який забезпечує пристрій, та коефіцієнта затухання, чим власне і визначити ефективність роботи розробленого динамічного демпфера коливань

Метод виконання поставлених завдань полягає в першу чергу у створенні лабораторного пристрою «Динамічний демпфер коливань», обладнаним датчиками кутової координати маятника і положення опори. Для перетворення аналогових сигналів датчиків до цифрової форми передбачено використання аналого-цифрового перетворювача USB-6008. Для відображення масиву даних у вигляді графіка (осцилограми) обрано програмне середовище PowerGraph. Наступним кроком передбачено проведення експериментальних досліджень: запису осцилограм коливного процесу для різних значень початкової амплітуди. Далі використовуючи нижче наведені теоретичні залежності визначаємо логарифмічний декремент затухання та коефіцієнт затухання.

Ступінь науковості роботи визначається її новизною, що підтверджується відсутністю у навчальній, науковій, патентній літературі, інформації про наявність і використання у фізичному лабораторному практикумі пристроїв динамічного демпфера коливань маятникового типу з вище наведеними характеристиками.

ОСНОВНА ЧАСТИНА НАУКОВОЇ РОБОТИСутність наукової роботи полягає у

створенні лабораторного пристрою "Динамічний демпфер коливань" за допомогою якого забезпечується моделювання затухаючих коливань різного ступеня інтенсивності, з відтворенням на екрані монітора у вигляді осцилограм, що досягається відповідним налаштуванням демпфера маятникового типу.

На рис. 1 показана схема лабораторного пристрою "Динамічний демпфер коливань". На рис. 2 показане фото динамічного демпфера разом з вимірювальними приладами.

2

3

78

9

10

11

1

5

6

4

а) б)

Рис.1. Схема лабораторного пристрою "Динамічний демпфер коливань а) – фронтальна проекція б) – профільна проекція

Пристрій містить П-подібну опору 1, на якій рухомо встановлена траверса 2, в середній частині якої рухомо встановлена вісь 3, на якій закріплено жорсткий стрижень 4 маятника. Вантаж 5 маятника закріплено на стрижні маятника за допомогою гвинта 6, що надає можливість змінювати положення вантажу відносно стрижня маятника. Вісь 3 з'єднана з датчиком кутової координати 7 . На осі маятника встановлено демпферну шайбу 8, яка притиснута до опори за допомогою пружини 9. Шайба 8 утворює з віссю маятника поступальну кінематичну пару і взаємодіє з опорою силами тертя.

Зусилля стиснення пружини, а отже і інтенсивність демпфування коливання маятника встановлюється за допомогою регулювальної гайки 10, що взаємодіє з різьбовою нарізкою осі маятника та пружиною 9. В нижній частині П-подібної опори наклеєні тензодатчики 11, які за схемою напівмоста під‘єднані до тензопідсилювача.

Вісь маятника закріплена рухомо на траверсі і кінематично з'єднана з датчиком кутової координати. В нижній частині П-подібної опори з метою реєстрації її коливного руху наклеєні тензодатчики, які за допомогою екранованих провідників під'єднано до тензопідсилювача.

Датчик кутової координати і вихід сигналу тензодатчиків з тензопідсилювача під'єднано до аналого-цифрового перетворювача і далі засобами інтерфейсу - до персонального комп'ютера.

Лабораторний пристрій забезпечує необхідну наочність і точність реєстрації графіку затухання коливного процесу у вигляді осцилограми, надає можливість визначити період коливань, амплітуду, декремент затухання, а також дослідження впливу демпфування маятникового гасника на інтенсивність затухання коливань опори.

Рис. 3. Маятник демпфера з датчиком його кутової координати

Призначення пристрою має навчально-дослідницький характер і основним використанням для нього є навчально-лабораторний практикум з теорії коливань та їх гасіння. Пристрій може знайти застосування як лабораторна установка у середніх та вищих спеціальних навчальних закладах.

Лабораторний пристрій фізичного маятника передбачає наявність аналого-цифрового перетворювача (АЦП) для передачі даних засобами інтерфейсу до персонального комп’ютера (ПК). У нашому випадку таким АЦП обрано USB-6008.

ХІД ДОСЛІДЖЕНЬ

Дослідження проводиться з використанням програмного середовища PowerGraph. Середовище PowerGraph – це програма-осцилограф, тобто програма, завданням якої є виведення амплітудних коливань які передаються від пристрою на ПК за допомогою АЦП.

На рис. 4. показана початкова осцилограма коливання опори у вікні середовища без встановленого вантажу маятника демпфера. Очевидним є слабо затухаючий характер коливань маятника, що пояснюється пружними властивостями матеріалу опори і незначним розсіюванням енергії.

Рис.4. Осцилограма коливання опори без вантажу маятникового демпфера

1A 2A

Т

Наступним кроком встановлюємо вантаж маятникового демпфера коливань.

Далі відхиляємо опору на амплітудне значення і відпускаємо для спостереження за коливним процесом, який відтворюється на осцилограмі, див. рис.5.

На осцилограмі маємо запис амплітуди коливання опори - 1, осцилограма - 2 відтворює амплітуду коливання маятника демпфера. Навіть візуальний характер коливань свідчить про інтенсивне демпфування, що пояснюється коливанням маятника в протифазі до коливань опори.

1A 2A

Т

Мал.5. Осцилограма коливання опори з встановленим демпфуючим пристроєм.

Дякую за увагу!

До наступних зустрічей…