摩擦综合实验教学装置的研制

1、摩擦综合实验教学装置的研制摘 要：在提高学生理论知识水平的同时，为了培养学生实验操作和解决实际问题的能力，更好地将第二课堂与第一课堂 有机结合起来，研发了摩擦综合实验教学装置。学生在完成基本单元的静、动摩擦系数实验的基础上，可以进一步完成其 他单元的翻转实验以及纯滚动或者又滚又滑的演示实验。该实验装置在满足基础力学大纲实验要求的同时，也能开展综合 性实验，满足工程教育专业认证强调复杂工程问题能力培养的要求，从而满足了新工科建设对人才培养质量的更高要求。 关键词：摩擦装置；实验教学；人才培养；仪器开发摩擦是日常生活和工程问题中普遍存在的一种自 然现象，同时它又是一个比较复杂的问题，所涉及的 相关

2、因素也较多（如物体的材质、表面粗糙度、相对 运动速度、接触面积以及环境的温度）。因此，在理 论力学的课程学习中，摩擦是比较抽象且难于理解的 内容。摩擦同一切事物一样，也具有双重性：它既可 以表现出有利的一面，又可以表现出有害的一面。例 如，重力坝依靠摩擦力防止坝体的滑动；在软土地基 上兴建厂房时，应使用摩擦桩，依靠桩身表面与土体 间的摩擦力来支撑基础上部的荷载；其他如机床上用 的夹具、摩擦轮的传动、车辆的行驶、人的行走等， 无不是依靠摩擦来实现的。但是，正是由于摩擦，导 致运转的机器发热，消耗能量，降低效率，磨损部 件，影响机器的正常使用。从上述内容可以看出，摩 擦与人们的日常生活是密切相关的

3、，为了加强人们对 摩擦本质的认识，通过实验研究摩擦也就显得尤为重 要。为了使摩擦实验教学更容易让学生理解、培养学 生实验操作及解决实际问题的能力、更好地将第二课 堂与第一课堂有机结合起来，笔者研发了如图1所示 的摩擦综合实验教学装置。学生在完成基本单元的 静、动摩擦系数实验的基础上，可以进一步完成其他 单元的翻转实验以及纯滚动或者又滚又滑的演示实 验。该实验装置在满足基础力学教学大纲实验要求的 同时，也能开展综合性实验，满足工程教育专业认证 强调复杂工程问题能力培养的要求，从而满足新工科 建设对人才培养质量的更高要求，对学生实践创新能 力的培养具有十分重要的作用。图1摩擦综合实验教学装置1实验

4、装置该装置可以测定静、动摩擦系数及物体的加速 度，并可以在不同情况下进行物体滑动、翻倒、滚动 的实验。为了达到以上目的，该装置设计了滑板转动 的传动机构。由转动轴带动滑板转动来改变滑板的倾 角，通过改变限位器的位置，倾角范围可在090 之间任意设定。滑板倾角调整由电动机带动完成，电 动机有多个转速挡位，可以实现快速调整及微调。在 滑板倾角测量方面，设计转动轴与角度传感器的连 接，并通过液晶显示器及采集显示模块达到实时监 测的目的，滑板每一时刻的角度变化都能在液晶显示 器上显示。在滑块测速方面，设计光电传感器测量滑 块初速度、末速度、加速度及时间，并通过液晶显示 器及采集显示模块进行实时监测，滑

5、块初速度、末速 度、加速度及时间在液晶显示器上显示；滑槽配有刻 度尺，以便与实验测得数据进行相互验证。该装置的 具体结构及各序号名称如图2、图3及表1所示。1机架2滑道板连接座3锥齿轮14锥齿轮25减速电机6传感器滑槽7刻度尺8输出轴9角度传感器 支架10显示屏11电机控制器12电机控制开关13电机调速旋钮14滑道升降开关15电源开关16传感器支架17光电传感器18滑块19翻倒块20滑轮21滑道板22滑轮板调节 旋钮23滑轮板为了提高实验精度，本实验装置主要从以下两 个方面进行了优化：一是直接通过电机及电机控制器 对滑板倾角进行快速调节及精确微调；二是实现初速 度、末速度及加速度的准确测量，且

6、初速度、末速度 位置可任意调整。为了达到这两种效果，分别采用如 下的设计方案：1.1滑板倾角的快速调节与精确微调滑板倾角调整由电动机带动实现，通过电机控制器 的多个转速挡位，实现快速调整及微调。具体如下。传动部分见图2。它主要由减速电机(5)、锥齿轮 1(3)、锥齿轮2(4)、滑道板连接座(2)、机架(1)、输出 轴(8)、角度传感器支架(9)、显示屏(10)、电机控制器 (11)、滑道升降开关(14)、电源开关(15)、滑道板(21) 部件组成。调节方式如下：第一，当需要快速调整时，将滑道升降开关调至 上升或下降，电机控制开关(12)打开，电机控制器上 的电机调速旋钮顺时针旋转，减速电机快速

7、转动，锥 齿轮1转动，锥齿轮2转动，带动输出轴转动，同时滑 道板通过滑道板连接座与输出轴固定，输出轴转动带 动滑道板转动。第二，当接近设定角度并需要微调时，将电机控 制器上的电机调速旋钮逆时针旋转，传动方式同上， 减速电机以极慢的速度带动滑道板转动，到设定角度 时将电机控制开关关闭。1.2初速度末速度及加速度的准确测量在滑道板上设置两个光电传感器支架(16),光电 传感器支架可沿传感器滑槽(6)移动并紧固，方便测量 任意两点的初速度和末速度，并计算加速度。测时测速模块有两路红外发射信号输入(电脉冲信 号输入)，为光电传感器(17)发射，当滑块(18)经过光 电传感器时，红外发射被物块遮挡，红外

8、模块会返回 一组高电平信号，利用stm32f103单片机的计时器中断 进行时间测量，可以测得物块滑行时遮挡住红外信号 的时间(范围可在50卜99 s之间)。利用两组红外模 块，便可以测得滑块滑行的开始与结束的两组时间。 同时，当滑块滑过第一个红外模块时，开启另一组定 时器中断函数，并在滑块滑过第二组红外模块时结束 该中断，通过计算得到滑块总的滑行时间。该测时器 还具有数据的存储和运算功能，可直接测出滑块的平 均速度和平均加速度。2实验原理2.1滑道倾角调整机构该部分是实验装置的基础，由机架、滑道(滑道材 质可变)、减速电机、变速控制器、液晶显示器及显示 控制模块、电源、锥齿轮变速转向机构等组成

9、。2.1.1滑道倾角调整的传动方式电机输出动力，通过锥齿轮传动，用来传递两交 错轴之间的运动和动力。该传动平稳，运动精度高， 噪音和振动较小，并能实现090 (通过调整限位器 来实现)设定工作范围内的任意角度调整。2.1.2滑道倾角的上升与下降滑道倾角的上升与下降通过电机正反转旋钮控 制实现。当需要上升时，可将电机正反转旋钮调至上 升，并通过电机控制器调整上升速度；当需要下降 时，可将电机正反转旋钮调至下降，并通过电机控制 器调整下降速度。操作步骤如下：第一，将电线插头插入交流220 V, 50 HZ电源插 座，按下实验装置操作面板上的总电源开关。第二， 需要上升时，可将旋钮开关调至“上升”位

10、置；需要 下降时，可将旋钮开关调至“下降”位。第三，按下 电机控制器电源开关按钮，通过电机挡位调节器调节 上升、下降速度。2.1.3滑道倾角快速调整与微调的控制方式 操作步骤：第一，当需要快速调整时，将电机控 制器挡位旋钮顺时针旋转，并注意液晶显示器上的角 度变化，同时观察滑道上升速率。第二，当接近设定 角度并需要微调时，将电机控制器挡位旋钮逆时针旋 转，并注意液晶显示器上的角度变化，同时观察滑道 上升速率。第三，当调整至所需倾角时，应关闭电机 控制器电源开关，为下一步操作做准备。2.2角度显示机构通过角度传感器测量角度变化，通过液晶显示 器及显示控制模块采集，即时显示角度值。在转轴 输出部位

11、设立角度传感器连接部分，以及传感器安 装座，在机架上确定固定位置，将转动轴、角度传 感器、机架连接为一体；保持角度传感器与转动轴 之间的同轴度，以及与机架的垂直度。当转轴带动 滑道转动时，角度传感器将测得数据传送到显示 器，即可反映出滑道的倾斜角度，角度显示精度值 为0.01 ，大大提高测量精度，减少实验角度测量 的误差。该部分电源在总电源开通时开通。在使用 本实验装置前，须对工作台进行水平调整，以免引 起滑道倾角的累计误差。2.3数字测时测速模块2.3.1测时测时范围：50卜99 s；分辨率：1 3；精度： 50顷最大时间测量范围为1 s时)，0.5 ms(最大时间测 量范围为1 s时)。2

12、.3.2测速初速度：根据滑块长度和滑块运行时间，计算 初速度，公式如下：Vtt=s/t初。末速度：根据滑块长度和滑块运行时间，计算 末速度，公式如下：V*=s/t末o加速度：根据初速度、末速度及总滑行时间， 计算加速度，公式如下：a=(V末-V初)/t总。2.3.3计数计数最大容量：99 999 999；信号间最小时间间 隔1料2.3.4 显示方式采用2.8寸TFT液晶屏，分别显示实验时的滑行总 时间，初速度、末速度及滑行的加速度，可更改小数 点后有效数字位数。2.3.5环境条件温度：0C40C。2.4测时测速工作原理数字测时测速以stm32f103单片机为核心，外加红 外信号调理电路和显示电

13、路组成。见图4。图4测时测速模块构造简图利用两路红外模块，发射红外信号，当滑块滑 过遮挡红外光时，红外模块会返回TTL或电平脉冲信 号。通过调理电路，将这两路TTL或电平脉冲信号(上 升沿触发计时器计时)调理变成3.3 V电平送至s tm32单 片机，由单片机完成计时、计数及测速等工作。2.5摩擦系数计算公式推导假设质量为m的滑块沿滑道下滑，滑道的倾角为 (P，以沿滑道向下的方向为x轴方向，垂直于滑道向上 的方向为y轴方向，其受力分析如图5所示。由于静摩 擦系数fs=tan0(0为摩擦角)，因此当时，滑块可沿 滑道下滑。下面导出动摩擦系数的表达式。/图5受力分析图 TOC o 1-5 h z

14、F，= 0 N = mgcos?(1) 耳=ma ma=mg sin。-Nfd(2)将(1)式代入(2)式得出动摩擦系数的计算公式： HYPERLINK l bookmark40 o Current Document fd = tan。a(3)geos。这里，fd是动摩擦系数、a是滑块下滑的加速度、 g是重力加速度。3装置应用3.1静摩擦系数测试第一，打开仪器电源开关，将滑道板的倾角调节 至适当位置。第二，将滑块放在滑道上(静止)，慢慢增加滑道 的倾角，只要滑块在滑道上有轻微的相对滑动，即停 止增加倾角，记下这时的倾角。这时倾角的正切，就 是最大静摩擦系数。第三，重复步骤二测十次，把记录的最大

15、和最小 值舍去，取剩余八个实验值的平均值即为测得的实 验值。3.2动摩擦系数测试第一，打开仪器电源开关，将滑道板的倾角调节 至适当位置(滑块能较顺畅地下滑)。第二，将滑块放在滑道上，让滑块在下滑的过程 中经过上下两个光电传感器。这时，可以从TFT液晶 屏上读出的倾角和滑块下滑的加速度，将其代入公式 即可计算出动摩擦系数。第三，重复步骤二测十次，把记录的最大和最 小值舍去，取剩余八个实验值的平均值即为测得的 实验值。3.3翻转实验第一，打开仪器电源开关，将滑道板的倾角调节 至适当位置。第二，将翻转块竖着放在滑道上，翻转块的顶部 用细绳拉住，并将该细绳绕过定滑轮，另一端连接托 盘，在托盘里面加不同

16、规格的砝码，使托盘和翻转块 在细绳的张力作用下保持静止。如果要使滑块向上翻 （或者滑），可以向托盘里面慢慢加砝码，使其达到上 翻（或者滑）的临界状态（上翻：翻转块下边稍微离开滑 道；上滑：只有轻微的向上滑动的趋势），这时，砝码 的质量之和加上托盘的质量即为向上翻（或者滑）的实 验值。如果要使滑块向下翻（或者滑），可以向托盘里 面慢慢加砝码，达到下翻（或者滑）的临界状态（下翻： 翻转块上边稍微有一点点离开滑道；下滑：只有轻微 的向下滑动的趋势），这时，砝码的质量之和加上托盘 的质量即为向下翻（或者滑）的实验值。第三，重复步骤二测三次，取三个实验值的平均 值即为测得的实验值。第四，分别计算向上翻（滑）和向下翻（滑）的理论 值，并将其与所得实验值进行比较。3.4演示轮子纯滚动和又滚又滑实验第一，打开仪器电源开关，将滑道板的倾角调节 至适当位置。第二，将轮子放在滑道上，轮子向下滚动或者又 滚又滑的过程中，经过上下两个光电传感器。这时， 可以从TFT液晶屏上读出轮子向下滚动（或者又滚又 滑）的时间，经历时间短的可以近似地认为轮子是纯滚 动下来的，而经历时间长的则可以近似地认为轮子是 又滚又滑下来的。4结语摩擦实验装置于2014年开始在同济大学国家级 力学实验教学示范中心应用，有效地支持了中心理 论力学