“機械噪聲與振動控制”課程的實踐教學改革

葛志鵬 張德臣 金雅豐 白楊 姜顯鵬 李宇

摘 要：分析了機械工程與自動化專業(yè)的特點，基于大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，選擇了合適的創(chuàng)新設計實踐項目，提出了“機械噪聲與振動控制”課程中主要知識點應用的振動模型，把課程內容中的主要知識點融入到大學生創(chuàng)新設計實踐中，直接解決實際工程問題，培養(yǎng)了學生在工程實踐中應用理論分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：噪聲;振動控制;課程;大學生

為了提高教學質量，進行“機械噪聲與振動控制”課程的教學改革，訓練學生的實踐能力，基于大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，在創(chuàng)新設計實踐中培養(yǎng)大學生的分析能力，探討“機械噪聲與振動控制”課程的實踐教學方法。

一、兩自由度系統(tǒng)的振動模型

在課程的教學過程中，不僅將創(chuàng)造性思維方式貫穿于整個教學過程，還要將課程中的重點和難點內容詳細講解，并且將重點內容進行實踐教學。以“兩自由度系統(tǒng)”知識點為例，兩自由度系統(tǒng)知識點是“機械噪聲與振動控制”課程中的授課重點，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)的動力學模型，假設主系統(tǒng)中的主質量m1 受到的激振力為F1ejwt ，主質量與地基的連接剛度為k1 。無阻尼動力減振器由輔助質量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、實踐教學項目的選擇

以大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐為平臺，成立科技小組，進行項目技術背景的調研，收集信息，確定實踐教學項目內容。根據(jù)市場調研情況，各種車輛不斷增多，車輛壓到馬路窨井蓋時，窨井蓋就會產生撞擊振動。窨井蓋的振動會使支撐窨井蓋的周邊基礎設施產生裂紋，多次碾壓，裂紋增大，導致基礎塌陷，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產的大事。因此研究利用“兩個自由度系統(tǒng)”理論設計一種“減振防翹起的窨井蓋”，減小窨井蓋的振動，保護窨井蓋周邊基礎設施不被損壞。確定實踐教學項目：《減振防翹起的窨井蓋》。教師根據(jù)實際情況，把書本上的知識與具體實踐相結合，利用這個項目，把“機械噪聲與振動控制”課程內容與實際項目聯(lián)系在一起，探討實踐教學新方法，把理論與實踐相融合。

三、理論與創(chuàng)新設計相融合的方法

（一）指導原則和教學目的

教師對實踐內容和實踐過程做指導，指導學生根據(jù)具體問題尋找解決問題的方法，指導學生根據(jù)工程實例建立動力學模型圖1，進行解決工程問題。培養(yǎng)學生在實踐過程中的創(chuàng)新思維能力和實踐能力，能夠把所學理論應用于工程實際，達到創(chuàng)新實踐教學改革的目的。

（二）創(chuàng)新設計方案

當工程結構（設備）受到激勵（撞擊）而產生振動，在該結構上加動力減振器（由輔助質量和輔助彈簧構成），形成兩自由度系統(tǒng)。當原有主系統(tǒng)振動時，動力減振器（輔助系統(tǒng)）也隨之振動，合理設計減振器的參數(shù)，激振力頻率等于減振器的固有頻率，主質量的振幅為零，利用這一特性設計動力減振器，消除主系統(tǒng)振動，對實踐教學項目進行創(chuàng)新設計。

四、實踐教學驗證

窨井蓋被各種車輪碾壓的時候，整個窨井蓋產生強烈的上下振動。應用課程內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)。井蓋整體主質量為m1 ，地基剛度為k1 ;減振器中金屬塊輔助質量為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量產生振動，減振器金屬塊的振幅最大。

設計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，在井座本體外側邊緣設置井座邊，井座邊嵌到周圍基礎內部，井座邊的下面為基礎，上面為瀝青混凝土;在井座本體內側設置井座凹槽，在井座凹槽內均布設置若干個不通螺孔。

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置若干個通孔，在井蓋本體下底面的邊緣設置井蓋凸起，在井蓋凸起部位均布設置若干個井蓋沉孔，在井蓋本體下底面井蓋凸起的內側，沿著周向均布設置若干個減振器，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側;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。這個窨井蓋結構簡單、使用方便，使用減小振動的窨井蓋時，能夠減小振動和噪音，保護車輛運行平穩(wěn)，保護人身和車輛的安全。

五、結論

機械專業(yè)不同于其它專業(yè)，機械設計項目中所涉及的機械振動問題需要重點研究?！皺C械噪聲與振動控制”課程學時安排較少，在有限學時情況下培養(yǎng)專業(yè)特色強的專業(yè)性人才，有必須進行具有專業(yè)特色的“機械噪聲與振動控制”課程實踐教學?；诖髮W生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺進行課程的實踐教學改革，使課程理論與實際相結合，鍛煉了學生的動手能力和創(chuàng)新思維能力，讓學生意識到理論的實際應用價值，開拓學生思路，也讓學生領悟到“機械噪聲與振動控制”課程的重要性，提高學生解決問題的能力。

參考文獻：

[1]毛崎波，李奕.機械振動基礎課程教學模式改革.中國教育技術裝備.2019（4）：94-96

[2]王有太.《機械振動與噪聲控制》課程教學設計.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.

基金項目：2019年遼寧科技大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目《減振防翹起的窨井蓋裝置研發(fā)》（項目編號：201910146294）.