双连杆动态卡阻的实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及力学摩擦碰撞实验技术,具体涉及一种双连杆动态卡阻的实验装置及其实验方法。

背景技术：

在机械系统中受到如摩擦力的单边约束时的刚体模型往往会发生奇性，即动力学方程存在不唯一解或无解。多体系统面临的此类无解或多解的问题，称之为painlevé疑难。painlevé疑难的出现，很多学者认为是刚体模型与库伦干摩擦模型共同作用导致的，并通过改变理论模型中的接触法向与切向的完全刚性来研究这一现象，或者通过时间步数值模拟来避免理论解无解情况，众多学者提出了很多理论方法以及理论模型，深入研究了painlevé疑难的成因，疑难发生条件以及理论解决方法。

painlevé疑难会导致动态卡阻的产生，这种现象广泛存在于其他多体系统中，可以在一系列不同应用中发现，例如机器人操控、腿式机器行走、汽车制动系统，具体表现为机构卡阻、偏离预计行程、不规则弹跳等现象，探究此类动态卡阻对双连杆动力学行为的影响有着很高的科学意义及实际价值。但是此类问题的研究大部分为理论结果，有关双连杆动态卡阻的实验较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双连杆动态卡阻的实验装置及其实验方法，填补了双连杆动态卡阻实验的空白。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双连杆动态卡阻的实验装置，包括滑动平板机构、滑台机构、双连杆机构、高速摄像机、计算机和动态应变仪；所述滑动平板机构和滑台机构均固定在试验平台上，双连杆机构一端与滑台机构固连，另一端与滑动平板机构接触，高速摄像机采集双连杆机构与滑动平板机构接触处的运动学数据，同时动态应变仪采集双连杆机构的应力数据，并将它们送入计算机，经计算机进行分析，得到不同构型下的双连杆发生动态卡阻时的动力学响应以及相对应杆内部的应力。

所述运动学数据包括速度、加速度和位移。

所述滑动平板机构包括槽形滚轴支架、约束滚轴、滑动平板、两个约束滚轴支架和若干个滚轴；所述槽形滚轴支架底面固定在实验平台上，在槽形滚轴支架的凹槽内均匀间隔分布若干个滚轴，滚轴与凹槽内壁转动连接，两个约束滚轴支架对称固定在槽形滚轴支架一端顶面，约束滚轴的两端分别与两个约束滚轴支架转动连接；滑动平板设置在滚轴上，并位于约束滚轴下方，在外力作用下，滑动平板沿间隔设置的滚轴滑动，以实现滑动平板沿着槽形滚轴支架做直线运动。

所述滑动平板机构还包括紧固螺钉，紧固螺钉设置在任意一个约束滚轴支架上，锁紧紧固螺钉后，滑动平板不能运动。

所述滑台机构包括滑台固定底板、滑台加固架和滑台，滑台固定底板固定在试验平台上，滑台底面固定在滑台固定底板上，双连杆机构与滑台的滑块固连，滑台加固架固定在滑台背面和滑台固定底板上。

所述双连杆机构包括固定盘、双连杆连接轴、定位轴承、轴承套、第一连杆、两个扭簧、铰接轴、第二连杆和接触头；固定盘与滑台的滑块固连，双连杆连接轴一端与固定盘固连，另一端通过定位轴承与第一连杆一端转动连接，定位轴承外壁通过轴承套限位；第一连杆另一端通过铰接轴与第二连杆的一端转动连接，两个扭簧分别位于铰接轴两端，使第一连杆与第二连杆保持一定角度，第二连杆另一端设有接触头，接触头与滑动平板机构的滑动平板接触。

所述双连杆连接轴与滑台的滑块垂直，第一连杆与双连杆连接轴垂直，第二连杆在滑动平板上的投影与滚轴垂直。

一种基于双连杆动态卡阻的实验装置的实验方法，实验步骤如下：

步骤1、搭建双连杆动态卡阻的实验装置，转入步骤2；

步骤2、调节滑块到任意高度，使得接触头刚好与滑动平板接触，转入步骤3；

步骤3、拖动滑动平板，使其在滚轴上匀速滑动，第二连杆端部的接触头受到切向冲击并迅速发生数次弹跳现象，转入步骤4；

步骤4、高速摄像机采集此时接触头与滑动平板接触处的运动学图像，并将数据送入计算机，由tema软件分析得到运动学数据，同时动态应变仪采集第二连杆的应力数据，并将数据送入计算机，返回步骤2，直至采集完所有不同高度下的实验数据，转入步骤5；

步骤5、更换不同的扭簧，返回步骤2，直至采集完120°—170°夹角的扭簧对应的所有不同高度下的实验数据；

步骤6、根据上述步骤5中的实验数据，得到不同构型下的双连杆发生动态卡阻前后的运动状态以及对应的应力状态。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）双连杆的构型可以通过滑台调控滑块高度和扭簧进行控制，碰撞的摩擦系数可通过更换接触头进行控制，从而使其在不同工况下，能够进行双连杆动态卡阻实验；（2）结构简单、稳定可靠、造价经济。

附图说明

图1为本发明双连杆动态卡阻的实验装置的整体结构示意图。

图2为本发明滑动平板机构的结构示意图。

图3为本发明滑台机构的结构示意图。

图4为本发明双连杆机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明提出了一种双连杆动态卡阻的实验装置及其实验方法，通过滑块调节任意高度，更换接触头及滑动平板的控制，以此来测定实际情况中双连杆的卡阻发生条件，以及不同构型下卡阻发生前后的运动状态以及对应的应力状态，从而与理论方法进行对比，以及优化相关机构设计，避免卡阻弹跳等不利的奇性现象。

结合图1至图4，一种双连杆动态卡阻的实验装置，包括速度可控的滑动平板机构1、高度可控的滑台机构8、杆端可更换的双连杆机构12、高速摄像机22、计算机23和动态应变仪24。所述滑动平板机构1和滑台机构8均固定在试验平台上，双连杆机构12一端与滑台机构8固连，另一端与滑动平板机构1接触，高速摄像机22采集双连杆机构12与滑动平板机构1接触处的运动学数据，同时动态应变仪24采集第二连杆20的各位置的应力数据，并将它们送入计算机23，计算机23中的tema软件（运动分析软件）对运动学数据进行分析，结合应力数据，得到不同构型下的双连杆发生动态卡阻时的动力学响应以及相对应杆内部的应力，从而对理论方法进行对比，以及优化相关机构设计，避免卡阻弹跳等不利的奇性现象。

所述运动学数据包括速度、加速度和位移。

所述滑动平板机构1包括槽形滚轴支架2、约束滚轴6、滑动平板7、两个约束滚轴支架4和若干个滚轴3（以6个为例）。所述槽形滚轴支架2底面固定在实验平台上，在槽形滚轴支架2的凹槽内均匀间隔分布若干个滚轴3，滚轴3与凹槽内壁通过转轴转动连接，两个约束滚轴支架4通过螺钉对称固定在槽形滚轴支架2一端顶面，约束滚轴6的两端分别与两个约束滚轴支架4通过转轴转动连接。滑动平板7设置在滚轴3上，并位于约束滚轴6下方，在外力作用下，滑动平板7可沿间隔设置的滚轴3滑动，以实现滑动平板7沿着槽形滚轴支架2做直线运动。

所述滑动平板机构1还包括紧固螺钉5，紧固螺钉5设置在任意一个约束滚轴支架4上，锁紧紧固螺钉5后，滑动平板7不能运动。

所述高度可调滑台机构8包括滑台固定底板9、滑台加固架10和滑台11（市购，厂家飞万机械设备有限公司、型号kr100），滑台固定底板9固定在试验平台上，滑台11底面通过螺钉固定在滑台固定底板9上，滑台加固架10通过螺钉固定在滑台11背面和滑台固定底板9上，用于支撑加固滑台11，防止斜碰撞时装置震动，增加装置稳定性，减少实验误差。

所述双连杆机构12包括固定盘13、双连杆连接轴14、定位轴承15、轴承套16、第一连杆17、两个扭簧18、铰接轴19、第二连杆20和接触头21。第二连杆20上贴有应变片，固定盘13与滑台11的滑块通过螺钉固连，双连杆连接轴14一端与固定盘13通过螺纹固连，另一端通过定位轴承15与第一连杆17一端转动连接，定位轴承15外壁通过轴承套16限位。第一连杆17另一端通过铰接轴19与第二连杆20的一端转动连接，两个扭簧18分别位于铰接轴19两端，使第一连杆17与第二连杆20保持一定角度，当第一连杆17与第二连杆20转动一定角度后，可提供相应的扭矩。第二连杆20另一端通过螺纹与接触头21固连，接触头21与滑动平板机构1的滑动平板7接触。所述接触头21可更换。

第二连杆20外壁至少贴有四片应变片，两片应变片设置在第二连杆20中心，另外两片分别设置在第二连杆20上部和下部，应变片与动态应变仪24连接。

所述双连杆连接轴14与滑台11的滑块垂直，第一连杆17与双连杆连接轴14垂直，第二连杆20在滑动平板7上的投影与滚轴3垂直。

第一连杆17与双连杆连接轴14和定位轴承15之间的摩擦系数均为0.0015，第一连杆17、第一连杆20和铰接轴19之间的摩擦系数均为0.12。

一种基于双连杆动态卡阻的实验装置的实验方法，实验步骤如下：

步骤1、搭建双连杆动态卡阻的实验装置，转入步骤2；

步骤2、调节滑块到任意高度，使得接触头21刚好与滑动平板7接触，转入步骤3；

步骤3、拖动滑动平板7，使其在滚轴3上匀速滑动，第二连杆20端部的接触头21受到切向冲击并迅速发生数次弹跳现象，转入步骤4；

步骤4、高速摄像机22采集此时接触头21与滑动平板7接触处的运动学图像，并将数据送入计算机23，由tema软件分析得到运动学数据，同时动态应变仪24采集第二连杆20的应力数据，并将数据送入计算机23，返回步骤2，直至采集完所有不同高度下的实验数据，转入步骤5；

步骤5、更换不同的扭簧18，返回步骤2，直至采集完120°—170°夹角的扭簧18对应的所有不同高度下的实验数据；

步骤6、根据上述步骤5中的实验数据，得到不同构型下的双连杆发生动态卡阻前后的运动状态以及对应的应力状态。