“机械噪声与振动控制”课程的实践教学改革

葛志鹏 张德臣 金雅丰 白杨 姜显鹏 李宇

摘 要：分析了机械工程与自动化专业的特点，基于大学生创新创业平台，选择了合适的创新设计实践项目，提出了“机械噪声与振动控制”课程中主要知识点应用的振动模型，把课程内容中的主要知识点融入到大学生创新设计实践中，直接解决实际工程问题，培养了学生在工程实践中应用理论分析问题和解决问题的能力。

关键词：噪声;振动控制;课程;大学生

为了提高教学质量，进行“机械噪声与振动控制”课程的教学改革，训练学生的实践能力，基于大学生创新创业平台，在创新设计实践中培养大学生的分析能力，探讨“机械噪声与振动控制”课程的实践教学方法。

一、两自由度系统的振动模型

在课程的教学过程中，不仅将创造性思维方式贯穿于整个教学过程，还要将课程中的重点和难点内容详细讲解，并且将重点内容进行实践教学。以“两自由度系统”知识点为例，两自由度系统知识点是“机械噪声与振动控制”课程中的授课重点，建立理论模型，如图1。振动系统安装了无阻尼动力减振器后所组成的无阻尼动力减振系统的动力学模型，假设主系统中的主质量m1 受到的激振力为F1ejwt ，主质量与地基的连接刚度为k1 。无阻尼动力减振器由辅助质量m2 和弹性元件k2 组成。从图1中可以看出，原有主系统安装动力减振器后，由一个单自由度振动系统变成了一个两自由度振动系统。

二、实践教学项目的选择

以大学生创新创业实践为平台，成立科技小组，进行项目技术背景的调研，收集信息，确定实践教学项目内容。根据市场调研情况，各种车辆不断增多，车辆压到马路窨井盖时，窨井盖就会产生撞击振动。窨井盖的振动会使支撑窨井盖的周边基础设施产生裂纹，多次碾压，裂纹增大，导致基础塌陷，出现窨井盖倾斜或整体塌陷，造成“马路陷井”，窨井盖的安全性成为影响社会安定和人民生命财产的大事。因此研究利用“两个自由度系统”理论设计一种“减振防翘起的窨井盖”，减小窨井盖的振动，保护窨井盖周边基础设施不被损坏。确定实践教学项目：《减振防翘起的窨井盖》。教师根据实际情况，把书本上的知识与具体实践相结合，利用这个项目，把“机械噪声与振动控制”课程内容与实际项目联系在一起，探讨实践教学新方法，把理论与实践相融合。

三、理论与创新设计相融合的方法

（一）指导原则和教学目的

教师对实践内容和实践过程做指导，指导学生根据具体问题寻找解决问题的方法，指导学生根据工程实例建立动力学模型图1，进行解决工程问题。培养学生在实践过程中的创新思维能力和实践能力，能够把所学理论应用于工程实际，达到创新实践教学改革的目的。

（二）创新设计方案

当工程结构（设备）受到激励（撞击）而产生振动，在该结构上加动力减振器（由辅助质量和辅助弹簧构成），形成两自由度系统。当原有主系统振动时，动力减振器（辅助系统）也随之振动，合理设计减振器的参数，激振力频率等于减振器的固有频率，主质量的振幅为零，利用这一特性设计动力减振器，消除主系统振动，对实践教学项目进行创新设计。

四、实践教学验证

窨井盖被各种车轮碾压的时候，整个窨井盖产生强烈的上下振动。应用课程内容中的振动模型如图1，制作減振器，安装到窨井盖，使原来窨井盖的振动系统变成两自由度系统。井盖整体主质量为m1 ，地基刚度为k1 ;减振器中金属块辅助质量为m2 和弹簧刚度为k2 ，这个减振系统为两个自由度系统，把若干个减振器沿着各个方向均布设置在井盖本体下底面，用来减小各个方向的上下振动。此时，井盖整体主质量振动得到抑制，外激励力仅仅使动力减振器中的的辅助质量产生振动，减振器金属块的振幅最大。

设计减振防翘起的窨井盖，如图2，该窨井盖包括：窨井座、井盖、减振器和螺钉。

窨井座包括井座边、井座本体、井座凹槽和不通螺孔，井座本体为圆环形，在井座本体外侧边缘设置井座边，井座边嵌到周围基础内部，井座边的下面为基础，上面为沥青混凝土;在井座本体内侧设置井座凹槽，在井座凹槽内均布设置若干个不通螺孔。

井盖包括井盖本体、通孔、井盖沉孔和井盖凸起，井盖本体为圆盘形，在井盖本体上均布设置若干个通孔，在井盖本体下底面的边缘设置井盖凸起，在井盖凸起部位均布设置若干个井盖沉孔，在井盖本体下底面井盖凸起的内侧，沿着周向均布设置若干个减振器，如图3。

如图4，减振器由金属块、弹簧和吊环组成，弹簧一端固接金属块，另一端与吊环连接;吊环固接到井盖本体边缘井盖凸起的内侧;弹簧的对称中心线通过井盖本体的中心。

减振器中弹簧下端的金属块上下振动吸收能量，若干个减振器沿着周向均布设置在井盖本体的边缘，若干个弹簧通过井盖本体的中心，对于窨井盖水平面内各个部位垂直方向的振动能量都能够吸收，能够起到很好的减振作用。这个窨井盖结构简单、使用方便，使用减小振动的窨井盖时，能够减小振动和噪音，保护车辆运行平稳，保护人身和车辆的安全。

五、结论

机械专业不同于其它专业，机械设计项目中所涉及的机械振动问题需要重点研究。“机械噪声与振动控制”课程学时安排较少，在有限学时情况下培养专业特色强的专业性人才，有必须进行具有专业特色的“机械噪声与振动控制”课程实践教学。基于大学生创新创业平台进行课程的实践教学改革，使课程理论与实际相结合，锻炼了学生的动手能力和创新思维能力，让学生意识到理论的实际应用价值，开拓学生思路，也让学生领悟到“机械噪声与振动控制”课程的重要性，提高学生解决问题的能力。

参考文献：

[1]毛崎波，李奕.机械振动基础课程教学模式改革.中国教育技术装备.2019（4）：94-96

[2]王有太.《机械振动与噪声控制》课程教学设计.金田.2015（9）：254-254

作者简介：

葛志鹏（1998-），男，汉族，辽宁大连人，本科，研究方向：机械电子工程.

通讯作者：张德臣（1964-），男，吉林蛟河人，教授，研究方向：工程力学.

基金项目：2019年辽宁科技大学大学生创新创业训练项目《减振防翘起的窨井盖装置研发》（项目编号：201910146294）.