机械毕业设计45基于简支梁的动态性能测试说明书

基于简支梁的动态性能测试说明书 一、 目录 一、目录 -1 二、 前言 -2 三、 设计任务 -3 （ 一 ）设计要求 -3 （ 二 ）设计目的 -3 （ 三 ）设计题目 -4 四、设计 与试验 -5 （一）设计内容 -5 （二）试验原理 -10 五、数据处理 -20 （ 一 ） 、 简支梁振动系统综合分析 -20 （ 二 ）旋转系统综合性能分析 -27 六、参考文献 -18 太原科技大学课程设计说明书 2 二、 前言 在 进入四年级下半学期的时候，我们在李教授的带领下开始了大学生涯的最后一次课程设计 简支梁的 振动系统 ,以及旋转机械系统的综合性能测试。 也是为我们的毕业设计做好必要的知识 储备 和技能 培训 。 毕业设计是一个本科学生所有成绩 的最终表现，所以我们有必要去亲自动手做好设计的每一步。 基于上学期我们做的动静态应变测试课程设计的基础上，在做简支梁 系统和旋转机械系统的综合性能测试过程中，就避免了许多客观因素所引起的问题，比如在仪器的操作，传感器的安装以及接头插件的使用上，就比较正规，避免了对仪器的损坏，同时，我们做设计出数据的效率上，也比以前有了很大的提高。 经过这次设计，我认真体会到了许多，比如在设计时，整体系统连贯性的重要性，我们 深的体会，设计思路的连贯性直接关系到试验能否顺利进行，能够把对整个系统的性能测试 柔和在一起，达到一个整体 的效果。同时在实验态度的严谨上，我们需要加强，越是精度高的测试仪器，我们就得越细心，认真的学习仪器的操作规则和章程，以免损坏仪器。对试验误差的减小有很好的效果。 在这里对我的指导老师致以衷心的感谢，真是有了李教授和陈老师的认真指导和讲解才是我们的设计实验阶段顺利完成。同时我们也为做毕业设计做好必要的的准备。 太原科技大学课程设计说明书 3 三、 设计任务 （ 1）设计要求 1） 在整个设计过程中，要求自己或几个人合作完成简支梁和旋转机械系统的综合性能测试，同时自己动手做完所有的实验以便在做完整个设计后，会给自己带来许多收获，同时为每个 人自己的毕业设计做好必要的知识和技能储备。 2）这次设计所针对的简支梁振动系统和旋转机械系统是我们现有的设备，即采用江苏东华 DHVTC 振动 控制学生实验台。要求认真阅读该试验台的操作手册，例行各项规则。 3）认真做好整个设计。 （ 2）设计目的 1） 通过 真个实验的进行，目的在于每个人都能掌握振动测试和控制实验系统的组成，安装和调整方法。 2）了解利萨如图形的物理意义规律和特点。并能够利用利萨如图形法测量简谐振动的频率。 3）分析振动信号位移，速度，加速度之间的关系，掌握各种传感器测量简谐振动的位移，速度，加速度 幅值。 4）掌握测量单自由度系统，多自由度系统强迫震动的幅频特性曲线， 并根据幅频特性曲线确定系统的的固有频率和阻尼比。 5）掌握隔振的基本知识和原理，并了解主动隔振和被动隔振效果的测量，并测算隔振系数和隔振效率。 6） 了解单式和复式动力吸振器的结构，掌握其安装，调试太原科技大学课程设计说明书 4 方法， 并掌握吸振器的固有频率调整，比较和验证动力吸振器的理论。以及吸振器的特点和适用场合。 7） 掌握 转子 实验 台各部分的组成、安装方法以及如何控制操作 ，了解电涡流传感器的安装和使用方法。熟悉仪器和操作方法。 （ 3）设计题目 1） 针对一个稳定 的系统 ，测出其运动轨迹，频率。振动频率测量可以通过自己调节。 2）对一个振动系统测量其各项指标（ V， S， a， f， A），通过利用一次仪表和二次仪表。试验出其频率和周期之间的关系。 3）分析系统的动态响应函数，响应特性。 4）对一个稳定的系统作吸振，隔振，分析隔振，吸振效果。 5）做旋转机械的轴心轨迹的测量与分析。 太原科技大学课程设计说明书 5 四 设计与试验 （一）设计 内容 1）设计思路 我们的设计思路是采用简支梁系统来完成题目， 整 个 系统 搭 建如图一所示 图 1 系统视 图 其中包括振动与控制实验台，激振系统与测振系统，与动态分析仪组成，通过搭建该仿真系统，结合 DH1301 型正弦扫频仪 ，通过 JZ-1型电动式接触式激振仪对简支梁进行激振，并配合速度传感器，加速度传感器，位移传感器，对该简支梁进行动态测试。将传感器采集出的信号都输入 DH5923 动态信号采集仪， 将动态信号采集出通过 1394 数据接口 将实时数据送入计算机内，通过东华 DHDAS2003 数采 分析系统 软件 ， 对实验数据进行分析，采集出相应固有频率，速度，位移，加速度，分析出该系统的频响函数。 最后结合 吸振 器对该简支梁振动系 统的吸振和隔振进行测试和分析，通过该分析得出该简支梁的固有频率 f 和阻尼比，我们组六个人分别使用加质量块和变换位置进行区分，每人采若干组太原科技大学课程设计说明书 6 进行分析。进行完试验，对所得数据进行整理，并作分析。 2）试验 系统和 仪器简介 1.系统组成 ： 如下图 2所示 图 2 系统组成 2.力学结构 : 由底座、支座、简支梁 ，如下表一所 示 3.激振系统： 接触式激振器 ( 需配合DH1301 扫频信号名称 功能特点 简支梁 不同安装方式，可实现三种支承条件，完成大部分试验，包括振动共振、隔振 减振和模态试验 固支梁 悬臂梁 振动试验系统 力学结构 激励系统 测量分析系统 减振隔振系统 固支梁 接触式激振器 非接触式激振器 扫频信号源集成功放 力传感器（力锤中） 加速度传感器 速度传感器 位移传感器 数采分析仪 控制分析软件 主动隔振系统 被动隔振系统 单式动力吸振器 复式动力吸振器简支梁 悬臂梁 太原科技大学课程设计说明书 7 源 )、非接触式激 图 3 振器 (信号源同接触式激振器 )、力锤 (含 05000N力传感器 )和调速偏心电机 (通过调压器调节电机转速 0 4000 r/min，利用偏心轮的离心惯性力，对梁体产生 0 60Hz内各种频率的激励 )， 如图三所示。 共可产生接触式正弦定频、线性扫频、对数扫频、随机和非接触式正弦定频、线性扫频、对数扫频、随机等 激励方式： （表 2） 名称 技术指标 功能特点 扫频信号源 09999Hz 定频、扫频及随机信号 带功放输出 接触式激振器 10N， 10Hz1kHz 接触激励方式由信号源设定 非接触式激振器 10Hz1kHz 激励方式由信号源设定 4 测量分析系统： 传感器 : 力传感器（ 05000N）； DH107 压电式加速度传感器一只 (0.5Hz 6kHz)；磁电式速度传感 器 ( 1mm, 图 4 15Hz1000Hz) 及电涡流位移传感器 ( 1mm,010kHz)数采分析仪 : 由调理器、动态数据采集器组成 太原科技大学课程设计说明书 8 图 5 图 6 控制分析软件 :包括控制软件和基本分析软件 数采分析仪 : 由调理器、动态数据采集器组成 控制分析软件 :包括控制软件和基本分析软件 5.减振隔振系统 ： 可模拟各种隔振减振试验 ,包括主动隔振系统、被动隔振系统、单 /复式动力吸振器等。 图 7 （表 3） 名称 功能特点 主动隔振系统 由空气阻尼器组成，可完成主动（积极）隔振和被动（消极）隔振试验 被动隔振系统 单 /复式动力吸振器 可完成动力吸振试验 6、 DH5923 动态信号测试分析系统 DH5923 动态信号测试分析系统包含动态信号测试所需的信号调理器（应变、振动等调理器）、支流电压放大器、抗混滤波器、 A/D 转换器、缓冲存储器以及采样控制和计算机通讯的全部硬件，并提供操作方便的控制软件及分析软件，是以计算机为基础、智能化的动态信号测试分析系统。 7. DHRMT 教学转子实验台 1.1 产品简介： DHRMT 教学转子实验台是本公司针对高等院校及科研院所中转子动力学及相关课程开发的。该教学转子实验台结构简单，太原科技大学课程设计说明书 9 操作方便，性能稳定。可以模拟转子系统的各种运行状态（包括瞬态起停机机过程，稳态工况运行）和多种典型故障，和本公司开发的数采仪器和分析软件配套使用，形成一个多用途，综合型的实验系统平台 1.2 主要组成和技术指标 本转子试验台采用高性能的调速电机，通过联轴节将电机和转轴连接并驱动转轴转动。该电机额定电流 1.95A，最大输出功率148W，控制器将 220VAC 输入 电源通过控制器调压、整流后输出PWM 信号供给调速电机，通过调节控制器，可以实现电机从 08000RPM 的无级调速 。 图 8 转子试验台 8. DHRMT 教学转子试验台 控制器 转子试验台控制器为 DHRMT 教学转子试验台的配套产品，主要功能是： 1、电涡流位移传感器信号的预处理； 2、根据不同的试验需要，控制转子系统的工作转速； 3、将输入电源的 220VAC太原科技大学课程设计说明书 10 调理为调速电机可用的 PWM 信号。该控制器操作简单、方便，能实现对转子工作转速的灵活控制。 图 9 DHRMT 教学转子试验台 控制器前面板 图 10 DHRMT 教学转子试验台 控制器后面板 （二） 试验 原理 A简支梁振动系统综合性能测试 1） 测量简谐振动的频率使用利萨如图形把两个传感器测得的信号，一个作为 X 轴一个作为 Y 轴进行合成得到的图形。互相垂直，不同频率的振动的合成，显示出复杂的图形，一般情况下，图形是不稳定的，当两个振动的频率成整数比时，他们就合成了较稳定的图形 。 设 2个振动方向相互垂直的振动波形方程分别为 太原科技大学课程设计说明书 11 x=A1 cos( 1 t+1 )； y=A2 cos( 2 t+2 ) 当 1 = 2 ， 1 =2 时；12AAxy 图形为过原点的直线。 当 1 = 2 ， A1 =A2 时 22122 s inc o s2 Ayxyx =0时， 0)( 2 yx 直线 =45时， 2/2 2122 Ayxyx 椭圆 =90时， 2/2122 Ayx 圆 =135时， 2/2 2122 Ayxyx 椭圆 =180时， 0)( 2 yx 直线 以上 合成图形如下图 11 所示： 图 11 利萨如图形 3.当 ,21 ww 1212 ,AA 太原科技大学课程设计说明书 12 例 如：000000001212180),225(135),270(90),315(45,0,3,2 wwww 和 时利萨如图形如上图 11所示，其余相差任意倍时，合成波形更为复杂。 此时的系统搭建如图 12所示： 图 12 测试固有频率系统搭建 操作方法 ： 是将传感器的信号和扫频仪的信号同时输入信采分析仪中，将传感器的的信号做 y 轴 输入 第 二 通道 ，扫频仪的 信号作为 x 轴 输入 第一通道 ，在计算机分析系统中得出此时的利萨如图形，从而可以测出该简支梁振动系统的顺时频率。 得出利萨如图形数据分析如第五部分的图（ 21） 2）同样利用该简支梁系统做振动幅值测量，系统的搭建如下图（ 13）所示： 振动测量中，有时往往不需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值。振动信号的幅值可根据位移，速度，加速度的关系，用位移传感器或速度传感器，加速度传感器来测量。 太原科技大学课程设计说明书 13 设振动位移、速度、加速度分别为 x、 v、 a，其幅值分别为 X、V、 A： ）（ -tsinx B ）（ -ts indtdxv B ）（ -ts intd xda 222 B 式中： B 位移振幅 振动角频率 初相位 X=B A= B2 B2f2( ） 振动信号的幅值可根据 上 式位移、速度、加速度的关系，分别用位移传感器、速度传感器或加速度传感器来测量。也可利用信号分析仪的微分、积分功能来 测量。 图 13 简支梁振动幅值、速度、加速度测量装置框图 操作方法： 按照上图所示安装传感器，激振器，连接仪器。 把激振器安装在支架上，将激振器和支架固定在实验台上，并保证激太原科技大学课程设计说明书 14 振器顶杆对间质量有一定的预压力 （不要超过激振杆上的红线）用专用连接线连接激振器和扫频信号源输出接口。 把传感器安装在简支梁的中部，输出信号接到数采分析仪的振动测试通道，同时布置速度，加速度，位移传感器。 注意事项：固有频率的测量，其中有几种方法： 其一：手动锤击法，用数采仪采出其在一定力度下的衰减频率，就跟在静态试验设计中所采用的方法类似，对其衰减幅频图进行处理，即可得出该简支梁的固有频率。即幅值判别法和相位判别法。 其二：使用利萨如图形进行速度判别法，加速度判别法，位移判别法， 将激振信号输入采集仪第一通道（即 X轴） ，再将速度传感器，加速度传感器，位移传感器输出信号输入第二通道，（即Y轴），通道相应公式如下： 激振信号为： wtFf sin 速度信号为： )2/s in ()c o s ( wtwYwtwYy 位移信号为： )sin( wtYy 加速度信号为： )s in ()s in ( 22 wtYwwtYwy 共振时， 2/, nww，在速度信号下， X轴和 Y轴信号的相位差为 0，根据利萨如图形可知，其为直线即为相等 ;在位移信号下 X 轴和 Y 轴的相位差为 2/ ，根据利萨如图形可知，屏幕上的图象将是一个正椭圆 ;加速度传感器信号下， X轴和 Y轴的相位差为 2/ ，屏幕上的图像将是一个正椭圆。 3） 单自由度系统的力学模型如图 （ 15）所示，在正弦激振力太原科技大学课程设计说明书 15 的作用下系统做简谐强迫振动，设激振力 F 的幅值 B，圆频率0w（频率 )2/ wf ，系统的运动微分方程式为： FKxdtdxCdt xdM 22 或 MFxdtdxndt xd 222 2 MFxdtdxdt xd 222 2 ( 式 1) 式中： 系统固有频率 =K/M ； n 衰减系数 2n=C/M； 相对阻尼系数 =n/ ； F 激振力 F= ）（ ft2s ints in0 BB 图 14 单自由度系统强迫振动的幅频特性 振动为 )2s i n ()s i n ( 0 fAAx ( 式 2) 式中： A强迫振动振幅 初相位 太原科技大学课程设计说明书 16 2022202 4)( nMBA ( 式 3) 式 3叫做系统的幅频特性。将式所表示的振动幅值与激振频率的关系用图形表示，称为幅频特性曲线 (如图所示 )： 图 15 系统力学模型 图 16系统振动的幅频特性曲线 图 16 中， Amax为系统共振时的振幅； of 为系统固有频率， 21,ff 为半功率点频率。 振幅为 Amax 时的频率叫共振频率。在有阻尼的情况下，共振频率为： 221 oa ff ( 式 4) 当阻尼较小时， oa ff 故以固有频率 of 作为共振频率 af 。在小阻尼情况下可得 of ff 2 12 ( 式 5) 21, ff 的确定如图 16所示 太原科技大学课程设计说明书 17 4） 随后利用该简支梁做设计振动测试的吸振，隔振试验， 系统搭建如图（ 17）所示 复 式动力减振采用一个附加的特殊弹簧质量系统变成为 两自由度的系统，附加弹簧质量系统固有频率 aw等于主系统的固有频率 w ，如果外部激振频率等于其固有频率时，要可起到良好的减振效果。如果外部激振频率与主系统的二阶或更高阶固有频率相等时，单式减振器就不能发挥作用，这时可以采用复式减振器。 图 17 复式动力吸振器吸振实验 复式减振器附加一个具有两自由度或多自由度的弹簧质量系统，减振器的一个弹簧质量系统的调节螺母经过调节，可以对应系统中的某阶固有 频率，当外部激振力引起主系统某阶共振时，能量就转移到附加质量系统，起到减振效果。 操作注意事项 ： 按照上图系统示意图搭建系统， 把激振器 ，传感器正确 安装在支架上， 用专用线连接在相应一起上。做好相应的仪器设置。最后采集相应的数据 做处理。如第五部分图（ 28）图（ 29） 太原科技大学课程设计说明书 18 二旋转系统的综合性能测试 旋转系统的综合性能测试， 设计系统图示如下图 图 18 转子试验台 在旋转机械中，相位的定义为基频信号相对于转轴上某一确定相位标志之间的相位差，这里的确定的相位标志一般为键相槽或反光标 签。这样的定义是因为旋转机械的许多故障都与基频有关，而其余的整数倍频和分数谐波的相位，都可以有基频的相位求得。 如图 18 所示，在转轴上某一确定位置 贴反光标签，另在固定平面内选一个确定位置 安转光电传感器，每当转轴转动至 和 重合时，给出一个标记信号脉冲。这一脉冲信号 即为相位参考脉冲信号，如图 18 所示。然后将任意测点的经过滤波后的基频信号描绘在同一时间轴上，这样，我们就可以按照参考脉冲信号来定义基频信号的相位。一般由于仪器不同或习惯要求不同，有四种相位的取值方法， 即 p 正峰点相位； p 负峰点相位； s 正斜率过零相位； s 负斜率过零相位； 太原科技大学课程设计说明书 19 图 19 图 20 无论采取何种取值方法，相位 总是指落后角。比如正峰值相位 ，是指键相脉冲后面第一次遇到的正峰点所对应的角度。尽管 角一般用 0 360 的正值表示，但指的是落后角。可以在转轴上找到四个对应点： P ， S ， P ， S 这样，当 点转到光电传感器位置 时，振动信号正处在正峰点；同样，当 转至 时，振动信号正处在负斜率过零点，见图 20，旋转机械软件相位取值方法为正峰 点相位。 （ 三 ）试验部分 1）实验步 骤 1.实验开始阶段，结合设计要求和设计题目， 做出 本组的 设计流程，并分配给每个人，以便试验顺利进行。 2.按照流程进行试验 ，对简支梁振动系统的速度，加速度，位移以及频响函数分析，同时测 固有频率，做吸振，隔振分析。 3.做设计试验后期处理。太原科技大学课程设计说明书 20 五 数据处理 （一）简支梁振动系统综合性能分析 1.测频率 用利萨如图形法 1） 测得图形如下图所示 简谐振动频率 yf （ HZ） 周期频率 yx ff yx ff 2 yx ff 23 yx ff 35 图形 图 21 试验测得利萨如图形 2） 测试分析结果 ： 观察图 21 所示，扫频仪所输入的信号频率与传感器所采集出的信号所成的 利萨如图形存在一定的规律， 其所存在的比率，在图像上与 x 轴 y轴的交点 成等比的现象。 误差分析：从图 21 所示的结合图 11 中比例相对应的图形做比较，图 11 所示的图像圆滑的程度与图 21的粗糙度，表明明显存在误差，这就是在动态实验中存在的误差。 这是因为系统误差和随机误差导致的。 试验中存在问题： 1.首先是人为造成的误差，表现在仪器精度提高了，但操作人员本身的意识就存在问题， 精度高本身调节范围就比较小。 2.仪器本身所存在的问题，灵敏度改与不改都不影响测量结果，这样导致了我们同样的试验重复做了好几次，一起的稳定 性不好。 太原科技大学课程设计说明书 21 2 简谐振动幅值测量 图 22 3004 40 图 23 3004 60 太原科技大学课程设计说明书 22 图 24 3004 80 图 25 3004mv 100HZ 表 4 频率 f（ HZ ） 位移 X（ m ） 速度 V（ smm/ ） 加速度（2/sm ） 40 25.15 6.14 1.64 60 31.05 10.94 4.32 80 7.27 3.44 1.80 100 3.45 2.00 1.32 如图所示数据： 取频率为 40 时得出的位移数据 X=25.15 代入下式 太原科技大学课程设计说明书 23 A= B2 B2f2( ） X=B 得出 A=1.587 又0A=1.64 得 出 %23.3%100A AA 00 又取 60HZ频率下的加速度幅值 A=4.32代入式 A= B2 B2f2( ） 得出 X=30.43 又0X=31.05 %100XXX0011.91% 综合以上两组数据可以看出实际测出的与理论计算出的存在一定的误差， 误差范围均在 5%以下。 3 固有频率测试 图 26 无质量快 太原科技大学课程设计说明书 24 表 5 频率单位（ HZ） 振幅单位（ mm） 频率 10 15 20 25 30 35 40 40.2 40.4 振幅 13.87 35.21 48.0 73.1 94.2 186.7 594.49 655.03 726.48 频率 40.6 40.8 41 41.2 41.4 41.6 41.8 42 42.1 振幅 815.83 924.75 1056.3 1145.26 1195.91 1224.91 1241.44 1250.59 957.64 频率 42.2 42.3 42.4 42.5 42.6 42.7 42.8 43 43.5 振幅 1252.58 994.83 1243.76 1029.81 1232.22 1061.66 1214.24 1189.27 1133.21 频率 44.0 44.5 45.0 45.5 46 振幅 995.33 1076.80 662.4 809.77 505.14 把表 5中的数据输入计算机，用 MATLAB做出其 幅频曲线 图 27 MATLAB 视图 MATLAB程序代码如下 clear 太原科技大学课程设计说明书 25 a=load(d:t1.txt); b=load(d:t2.txt); %a11 plot(a,b,r); xlabel() %x ylabel() %y 从图 27中读出其共振峰上最高点对应的频率