Розробка лабораторного пристрою «Динамічний демпфер коливань»

1. 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.

2. Вступ • Темою 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.

3. 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 сягаєвисоти 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.

7. 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

8. 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.

9. ОСНОВНА ЧАСТИНА НАУКОВОЇ РОБОТИ • Сутність 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.

10. б) а) Рис.1. Схема лабораторного пристрою "Динамічний демпфер коливань а) – фронтальнапроекція б) – профільнапроекція 10 7 8 4 2 5 3 9 6 11 1

13. 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 напівмостапід‘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.

14. Рис. 3. Маятник демпфера з датчиком йогокутовоїкоординати • Датчик кутової координати і вихід сигналу тензодатчиків з тензопідсилювачапід'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.

15. 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.

16. 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.

17. Рис.4. Осцилограмаколивання опори без вантажу маятникового демпфера

18. 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.

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

21. Дякую за увагу!До наступних зустрічей…