1 引言
机械动力学是研究机械在运动中产生的力和机械在力的作用下运动的科学，而线性振动力学、非线性振动力学等则是机械动力学的重要组成部分［1-2］。机械动力学在很多工科专业的本科生以及研究生教学中都是重要的专业基础或者专业课程，其主要工程应用之一就是振动实验［3］。目前在机械动力学课程里，振动实验装置主要为连续体的悬臂梁装置以及简支梁装置，鲜见有关组合结构振动实验装置的文献报道。然而组合结构是工程上更为常见的结构，例如连杆机构、凸轮机构等，因而研制包含离散质量、连续梁、轴和组合结构的综合振动实验装置是十分必要的。该类综合振动实验台可以进一步加强学生所学理论与实际工程问题的结合，进一步提高学生的动手和创新能力。
2 综合振动实验台的研制
弹性连杆机构动力学是机械动力学的一个重要组成部分［2］。当连杆机构作回转运动时，其构件就会产生自激惯性力，由于构件的自激惯性力与其转速的平方成正比，因而随着转速的提高，其自激惯性力也越来越大，构件在自激惯性力的作用下其变形也越来越大。随着对弹性连杆机构动态特性研究的不断深入，人们发现连杆机构动力学中存在一些非线性因素，例如运动副的间隙［4-5］、构件的大变形等［6-7］，且在这些非线性因素的作用下，连杆机构还会出现非线性共振现象［8-11］。
连杆机构是由电机驱动的，因而将连杆机构与驱动电机作为一个整体集成分析，则其研究结果将能更好地反映其真实情况［10］。同时，根据电动机-弹性连杆机构系统的特点，此时曲柄可视为悬臂梁，连杆和摇杆可视为简支梁［2］。基于电动机-弹性连杆机构系统的上述特点，这里将电动机-弹性连杆机构系统作为综合振动实验台的主要实验对象。
综合振动实验台如图1 所示，实验对象包括两部分:YS8024 型微型电动机和连杆机构。该系统固定在一个1. 5 × 1 m2 的A3 钢工作台面上。在实验台上固定2 个轴承支座，分别用来安装曲柄轴和摇杆轴。曲柄和连杆及连杆与摇杆之间通过联接销连接，一端通过螺钉固定在连杆上，另一端装上一个滚动轴承，摇杆或曲柄通过一个夹块与轴承外圈配合。轴承型号为
608。连杆机构的主要几何参数为:曲柄、连杆、摇杆的长分别为210 mm、590 mm、430 mm，宽均为30 mm，高均为4 mm，机架长为600 mm;曲柄与连杆间轴承座的质量和连杆与摇杆间轴承座的质量分别为0. 094 kg。

a—三相交流电动机，b—曲柄，c—连杆，d—摇杆，e—应变片，f—振动测试系统
图1 综合振动实验台示意图
实验所用的仪器主要包括:DH-5937 型动态应变测试系统、DH-5938 型振动测试系统、SJF 型激振器及激振信号源、TDGC2-3 型接触调压器、SZG-441C 型手持式数字转速表、SJW-3000 型高精度全自动交流稳压器、电阻应变计以及电脑等。DH-5937 型动态应变测试系统和DH-5938 型振动测试系统具有较强的测试功能，它们能够对由应变计组成的电桥以及桥式传感器输出的信号进行调理、预处理和采样，并实时传送至计算机对信号进行存贮和处理。它们能自动、准确、可靠地测试和分析应变应力及力、压力、扭矩、位移、速度、加速度等物理量，可在现场干扰比较强的场合，进行测量并能保证测试精度。同时它们还具有以下的特点:通过并口(EPP) 进行数据通讯，每通道包含独立的放大器和A /D 转换器，所有通道并行同步数采，中文Windows 操作系统下的频域，时域的分析处理软件及自然响应下模态分析软件等。

图2 应变测量原理图
在实验中，在构件测点处上下两侧面分别用502胶水各贴上2 枚5mm×3mm电阻应变计，在桥盒上连接成全桥电路，然后由电缆接入DH5937 动态应变测试仪。测试仪器要良好接地，以避免供电频率对所采集信号的影响。同时也要注意采样频率，一般取在所需采样频率的4 倍左右为佳。
通过改变三相交流电机的输入相电压来达到对电机输出速度的调速。实验原理框图见图2所示。由贴在构件的电阻应变计来获取构件测点的动态应变值，机构的转速由手持式电子测速仪来获得。DH5937型动态应变测试系统有18个数据采集通道，即同时可以采集18组信号。本实验仅采集构件测点动态应变信号，故只使用一个通道即可。
3、综合振动实验台的实验内容和目的
3. 1 实验内容
(1) 悬臂梁( 曲柄) 在外激励作用下的振动特性，包括悬臂梁的固有频率、时域特性曲线、频域特性曲线等;
(2) 在悬臂梁( 曲柄) 上的指定位置上有不同质量大小的质量块的振动实验;
(3) 简支梁( 连杆或摇杆) 在外激励作用下的振动特性，包括简支梁的固有频率、时域特性曲线、频域特性曲线等;
(4) 在简支梁( 连杆或摇杆) 上的指定位置上有不同质量大小的质量块的振动实验;
(5) 连杆机构在自激惯性力作用下的振动特性，包括连杆机构的固有频率与曲柄位置之间的关系以及连杆机构不同构件在自激惯性力作用下的时域特性曲线、频域特性曲线等;
(6) 轴( 电机轴) 在自激惯性力作用下的振动特性，包括轴的扭振固有频率、连杆机构对轴的扭振固有频率的影响、轴在自激惯性力作用下的时域特性曲线、频域特性曲线等。
3. 2 实验目的
(1) 通过实验内容(1)～(4)，可对离散质量与连续梁的振动问题有更深入的认识和了解。
(2) 通过实验内容(5)，可以对连续梁组合结构的振动问题有更加深入的认识和了解。
(3) 由于连杆机构在运行过程中具有诸多非线性因素，例如构件大几何变形引起的非线性因素、构件联接处轴承间隙引起的非线性因素、驱动电机的电磁参数引起的非线性因素等。在这些非线性因素的影响下，连杆机构将产生组合共振、超谐共振、次谐共振、多重共振等非线性振动特性，通过实验内容(5) ，即可得到连杆中点处的时域特性曲线和频域特性曲线，通过对时域特性曲线和频域特性曲线的分析，可对连续梁组合结构的非线性振动问题有更深入的认识和了解。
(4) 当组成连杆机构的构件的厚度改变时，振动实验的结果也不相同，通过上述实验内容，可以对连续梁及其组合结构的振动特性与构件的几何参数有关等问题有更加深入的认识和了解。
(5) 当组成连杆机构的构件分别为金属铝构件和复合材料构件时，振动实验的结果也不相同，通过上述实验内容，可对连续梁及其组合结构的振动特性与构件的材料参数有关等问题有更深入的认识和了解。
(6) 通过实验内容(6) ，可以对轴的扭振问题有更加深入的认识和了解。
4、实例分析
本实验所用的连杆机构构件的材料均为铝，其密度ρ = 2 700 kg /m3 ，弹性模量E = 70 GPa，电机转速Ω= 177 r /min，测点安置在连杆中点处。通过计算可得到连杆机构的第一阶固有频率为ω = 23. 5 Hz。图3、图4 所示分别为所测得到的连杆中点的时域特性实验曲线和频域特性实验曲线。显然，图4 所示的一阶固有频率处的谱峰1 最大，通过分析可知，该峰值是由于该连杆机构产生多重共振所引起的，而谱峰2、3、4 则是连杆机构在自激惯性力作用下所产生的强迫振动引起的。

图3 连杆中点的时域特性实验曲线图

图4 连杆中点的频域特性实验曲线图
5、结论
振动实验是机械动力学的主要内容之一。本文根据机械动力学的主要研究内容和特点，结合近年来机械动力学领域的最新研究成果，研制了多功能综合振动实验台。其主要功能包括:①既能进行离散质量和连续梁的振动实验，又能进行组合结构的振动实验;②既能进行线性振动的实验，又能进行非线性振动的实验;③ 既能进行金属材料构件的连续梁及组合结构的振动实验，又能进行复合材料构件的连续梁及组合结构的振动实验;④ 还能进行轴的扭振的实验。因而该综合振动实验台不仅能够满足本科生的机械动力学的实验教学，而且还能够满足研究生的机械动力学的实验教学和科研工作，从而为进一步加强和提高学生的动手和创新能力提供一定的实验基础。