“機(jī)械噪聲與振動控制”課程的實(shí)踐教學(xué)改革

葛志鵬 張德臣 金雅豐 白楊 姜顯鵬 李宇

摘 要：分析了機(jī)械工程與自動化專業(yè)的特點(diǎn)，基于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，選擇了合適的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目，提出了“機(jī)械噪聲與振動控制”課程中主要知識點(diǎn)應(yīng)用的振動模型，把課程內(nèi)容中的主要知識點(diǎn)融入到大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐中，直接解決實(shí)際工程問題，培養(yǎng)了學(xué)生在工程實(shí)踐中應(yīng)用理論分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：噪聲;振動控制;課程;大學(xué)生

為了提高教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)行“機(jī)械噪聲與振動控制”課程的教學(xué)改革，訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐能力，基于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐中培養(yǎng)大學(xué)生的分析能力，探討“機(jī)械噪聲與振動控制”課程的實(shí)踐教學(xué)方法。

一、兩自由度系統(tǒng)的振動模型

在課程的教學(xué)過程中，不僅將創(chuàng)造性思維方式貫穿于整個教學(xué)過程，還要將課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容詳細(xì)講解，并且將重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。以“兩自由度系統(tǒng)”知識點(diǎn)為例，兩自由度系統(tǒng)知識點(diǎn)是“機(jī)械噪聲與振動控制”課程中的授課重點(diǎn)，建立理論模型，如圖1。振動系統(tǒng)安裝了無阻尼動力減振器后所組成的無阻尼動力減振系統(tǒng)的動力學(xué)模型，假設(shè)主系統(tǒng)中的主質(zhì)量m1 受到的激振力為F1ejwt ，主質(zhì)量與地基的連接剛度為k1 。無阻尼動力減振器由輔助質(zhì)量m2 和彈性元件k2 組成。從圖1中可以看出，原有主系統(tǒng)安裝動力減振器后，由一個單自由度振動系統(tǒng)變成了一個兩自由度振動系統(tǒng)。

二、實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的選擇

以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐為平臺，成立科技小組，進(jìn)行項(xiàng)目技術(shù)背景的調(diào)研，收集信息，確定實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目內(nèi)容。根據(jù)市場調(diào)研情況，各種車輛不斷增多，車輛壓到馬路窨井蓋時，窨井蓋就會產(chǎn)生撞擊振動。窨井蓋的振動會使支撐窨井蓋的周邊基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生裂紋，多次碾壓，裂紋增大，導(dǎo)致基礎(chǔ)塌陷，出現(xiàn)窨井蓋傾斜或整體塌陷，造成“馬路陷井”，窨井蓋的安全性成為影響社會安定和人民生命財(cái)產(chǎn)的大事。因此研究利用“兩個自由度系統(tǒng)”理論設(shè)計(jì)一種“減振防翹起的窨井蓋”，減小窨井蓋的振動，保護(hù)窨井蓋周邊基礎(chǔ)設(shè)施不被損壞。確定實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目：《減振防翹起的窨井蓋》。教師根據(jù)實(shí)際情況，把書本上的知識與具體實(shí)踐相結(jié)合，利用這個項(xiàng)目，把“機(jī)械噪聲與振動控制”課程內(nèi)容與實(shí)際項(xiàng)目聯(lián)系在一起，探討實(shí)踐教學(xué)新方法，把理論與實(shí)踐相融合。

三、理論與創(chuàng)新設(shè)計(jì)相融合的方法

（一）指導(dǎo)原則和教學(xué)目的

教師對實(shí)踐內(nèi)容和實(shí)踐過程做指導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)具體問題尋找解決問題的方法，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)工程實(shí)例建立動力學(xué)模型圖1，進(jìn)行解決工程問題。培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐過程中的創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐能力，能夠把所學(xué)理論應(yīng)用于工程實(shí)際，達(dá)到創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革的目的。

（二）創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

當(dāng)工程結(jié)構(gòu)（設(shè)備）受到激勵（撞擊）而產(chǎn)生振動，在該結(jié)構(gòu)上加動力減振器（由輔助質(zhì)量和輔助彈簧構(gòu)成），形成兩自由度系統(tǒng)。當(dāng)原有主系統(tǒng)振動時，動力減振器（輔助系統(tǒng)）也隨之振動，合理設(shè)計(jì)減振器的參數(shù)，激振力頻率等于減振器的固有頻率，主質(zhì)量的振幅為零，利用這一特性設(shè)計(jì)動力減振器，消除主系統(tǒng)振動，對實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

四、實(shí)踐教學(xué)驗(yàn)證

窨井蓋被各種車輪碾壓的時候，整個窨井蓋產(chǎn)生強(qiáng)烈的上下振動。應(yīng)用課程內(nèi)容中的振動模型如圖1，制作減振器，安裝到窨井蓋，使原來窨井蓋的振動系統(tǒng)變成兩自由度系統(tǒng)。井蓋整體主質(zhì)量為m1 ，地基剛度為k1 ;減振器中金屬塊輔助質(zhì)量為m2 和彈簧剛度為k2 ，這個減振系統(tǒng)為兩個自由度系統(tǒng)，把若干個減振器沿著各個方向均布設(shè)置在井蓋本體下底面，用來減小各個方向的上下振動。此時，井蓋整體主質(zhì)量振動得到抑制，外激勵力僅僅使動力減振器中的的輔助質(zhì)量產(chǎn)生振動，減振器金屬塊的振幅最大。

設(shè)計(jì)減振防翹起的窨井蓋，如圖2，該窨井蓋包括：窨井座、井蓋、減振器和螺釘。

窨井座包括井座邊、井座本體、井座凹槽和不通螺孔，井座本體為圓環(huán)形，在井座本體外側(cè)邊緣設(shè)置井座邊，井座邊嵌到周圍基礎(chǔ)內(nèi)部，井座邊的下面為基礎(chǔ)，上面為瀝青混凝土;在井座本體內(nèi)側(cè)設(shè)置井座凹槽，在井座凹槽內(nèi)均布設(shè)置若干個不通螺孔。

井蓋包括井蓋本體、通孔、井蓋沉孔和井蓋凸起，井蓋本體為圓盤形，在井蓋本體上均布設(shè)置若干個通孔，在井蓋本體下底面的邊緣設(shè)置井蓋凸起，在井蓋凸起部位均布設(shè)置若干個井蓋沉孔，在井蓋本體下底面井蓋凸起的內(nèi)側(cè)，沿著周向均布設(shè)置若干個減振器，如圖3。

如圖4，減振器由金屬塊、彈簧和吊環(huán)組成，彈簧一端固接金屬塊，另一端與吊環(huán)連接;吊環(huán)固接到井蓋本體邊緣井蓋凸起的內(nèi)側(cè);彈簧的對稱中心線通過井蓋本體的中心。

減振器中彈簧下端的金屬塊上下振動吸收能量，若干個減振器沿著周向均布設(shè)置在井蓋本體的邊緣，若干個彈簧通過井蓋本體的中心，對于窨井蓋水平面內(nèi)各個部位垂直方向的振動能量都能夠吸收，能夠起到很好的減振作用。這個窨井蓋結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，使用減小振動的窨井蓋時，能夠減小振動和噪音，保護(hù)車輛運(yùn)行平穩(wěn)，保護(hù)人身和車輛的安全。

五、結(jié)論

機(jī)械專業(yè)不同于其它專業(yè)，機(jī)械設(shè)計(jì)項(xiàng)目中所涉及的機(jī)械振動問題需要重點(diǎn)研究。“機(jī)械噪聲與振動控制”課程學(xué)時安排較少，在有限學(xué)時情況下培養(yǎng)專業(yè)特色強(qiáng)的專業(yè)性人才，有必須進(jìn)行具有專業(yè)特色的“機(jī)械噪聲與振動控制”課程實(shí)踐教學(xué)。基于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺進(jìn)行課程的實(shí)踐教學(xué)改革，使課程理論與實(shí)際相結(jié)合，鍛煉了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維能力，讓學(xué)生意識到理論的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，開拓學(xué)生思路，也讓學(xué)生領(lǐng)悟到“機(jī)械噪聲與振動控制”課程的重要性，提高學(xué)生解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛崎波，李奕.機(jī)械振動基礎(chǔ)課程教學(xué)模式改革.中國教育技術(shù)裝備.2019（4）：94-96

[2]王有太.《機(jī)械振動與噪聲控制》課程教學(xué)設(shè)計(jì).金田.2015（9）：254-254

作者簡介：

葛志鵬（1998-），男，漢族，遼寧大連人，本科，研究方向：機(jī)械電子工程.

通訊作者：張德臣（1964-），男，吉林蛟河人，教授，研究方向：工程力學(xué).

基金項(xiàng)目：2019年遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《減振防翹起的窨井蓋裝置研發(fā)》（項(xiàng)目編號：201910146294）.