機(jī)械振動(dòng)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用

1、機(jī)械振動(dòng)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用楊杰(江蘇師范大學(xué) 海洋港口學(xué)院 江蘇連云港222000)摘要：本文主要講的是機(jī)械振動(dòng)在機(jī)械工程中的應(yīng)用.首先講述機(jī)械振動(dòng)的發(fā)展史：然后對(duì) 機(jī)械振動(dòng)的種類(lèi)進(jìn)行了詳細(xì)的敘述：接著寫(xiě)了機(jī)械振動(dòng)的危害和應(yīng)用；最后對(duì)機(jī)械振動(dòng)在機(jī) 械工程中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，如振動(dòng)篩，冷卻及烘干振動(dòng)機(jī)和振動(dòng)清理及時(shí)效處理，并對(duì)它 的發(fā)展加入個(gè)人看法。關(guān)鍵詞：機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)的應(yīng)用，機(jī)械工程Mechanical vibration and Application in MechanicalEngineeringYang Jia(Jiangsu Normal University Jiangs

2、u, Lianyungang 222000)Abstract:This article is primarily concerned with mechanical vibration applications in mechanical engineering starts by describing the history of mechanical vibration; then on the type of mechanical vibration were described in detail; then write a hazard and the application of

3、mechanical vibrations; Finally, the mechanical vibration in machinery Engineering are described, such as vibrating screen, cooling and drying machine vibration and vibration cleaning and aging treatment, and added personal views of its development.Keywords: Mechanical vibration, application of mecha

4、nical vibrations, mechanical engineering1.引言隨著機(jī)械工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品愈加復(fù)雜化，精度要求更高，性能要求更加穩(wěn)定 與高效，因此，振動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)成為必須解決的重要課題。振動(dòng)是在日常生活和工程實(shí)際中普 遍存在的一中現(xiàn)象，也是整個(gè)力學(xué)中最重要的研究領(lǐng)域之一。所謂機(jī)械振動(dòng)，是指物體在平 衡位置附近來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械振動(dòng)過(guò)程中，表示物體運(yùn)動(dòng)特征的某些物理量將時(shí)而增 大、時(shí)而減小地反復(fù)變化。在工程實(shí)際中，機(jī)械振動(dòng)是非常普遍的，鐘表的擺動(dòng)、車(chē)廂的晃 動(dòng)、橋梁與房屋的振動(dòng)、飛行器與船舶的振動(dòng)、機(jī)床與刀具的振動(dòng)、各種動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)等, 都是機(jī)械振動(dòng).機(jī)械振動(dòng)

5、常見(jiàn)的主要內(nèi)容是：提高機(jī)械系統(tǒng)的抗振能力，防止系統(tǒng)發(fā)生共振 的方法，避免系統(tǒng)發(fā)生自振，減振與隔振，噪聲控制等等。2 .機(jī)械振動(dòng)發(fā)展簡(jiǎn)史早在公元前6世紀(jì)，Pythagoras發(fā)現(xiàn)了較短的弦發(fā)出較高的音，將弦長(zhǎng)縮短一半可發(fā)出高 一音階的音符：戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的古人已定量地總結(jié)出弦線發(fā)音與長(zhǎng)度的關(guān)系，將基音弦長(zhǎng)分為三 等份，減去或增加一份可確定相隔五度音程的各個(gè)音。1636年Mersenne在關(guān)于弦的樂(lè)音著作中報(bào)告了弦振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定了長(zhǎng)弦振動(dòng)頻率, 以此推斷出密度和張力相同且發(fā)出諧音的短弦頻率：1638年Galileo在其名著兩門(mén)新科 學(xué)的對(duì)話中明確弦線振動(dòng)頻率與其長(zhǎng)度、密度和張力的關(guān)系：17世紀(jì)末S

6、auveur完成了 大量實(shí)驗(yàn)工作，測(cè)定弦線振動(dòng)頻率并注意到節(jié)點(diǎn)的存在，及有汽點(diǎn)時(shí)弦線振動(dòng)頻率為基頻的 整數(shù)倍。1673年Huygens把擺動(dòng)視為圓周運(yùn)動(dòng)的一部分，利用幾何方法得到單擺振動(dòng)周期 的正確公式，提出擺動(dòng)中心的概念，從而將形狀復(fù)雜的擺簡(jiǎn)化為單擺° 1687年Newton考 察了單擺在有阻尼介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)。離散系統(tǒng)振動(dòng)理論在18世紀(jì)中葉基本成熟°弦線振動(dòng)理 論在18世紀(jì)建立。1759年Lagrange從駐波解出發(fā)推導(dǎo)出行波解，從而在物理上充分理解 了均勻弦線的振動(dòng)規(guī)律，更有效的數(shù)學(xué)工具直到1811年Fourier提出函數(shù)的三角級(jí)數(shù)展開(kāi) 才問(wèn)世。1762年Euler和17

7、63年D'Alcmber十分別研究了非均勻弦線和重弦線的振動(dòng)。20 世紀(jì)初，人們關(guān)心的機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題主要集中在避免共振上，因此，研究的重點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固 有頻率和振型的確定。1921年，德國(guó)的H.霍爾澤提出解決軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率和振型 的計(jì)算方法。30年代，機(jī)械振動(dòng)的研究開(kāi)始由線性振動(dòng)發(fā)展到非線性振動(dòng)。50年代以來(lái)， 機(jī)械振動(dòng)的研究從規(guī)則的振動(dòng)發(fā)展到要用概率和統(tǒng)計(jì)的方法才能描述其規(guī)律的不規(guī)則振動(dòng) 隨機(jī)振動(dòng)。由于自動(dòng)控制理論和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，過(guò)去認(rèn)為甚感困難的多自由度系統(tǒng) 的計(jì)算，已成為容易解決的問(wèn)題。振動(dòng)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，使振動(dòng)分析成為機(jī)械設(shè)計(jì)中 的一種重要工具。3 .機(jī)械振動(dòng)

8、的種類(lèi)機(jī)械振動(dòng)有不同的分類(lèi)方法。按產(chǎn)生振動(dòng)的原因可分為自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)；按 振動(dòng)的規(guī)律可分為簡(jiǎn)諧振動(dòng)、非諧周期振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng);按振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性可分為 線性振動(dòng)和非線性振動(dòng)：按振動(dòng)位移的特征可分為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和直線振動(dòng)。3.1 自由振動(dòng)自由振動(dòng)：去掉激勵(lì)或約束之后，機(jī)械系統(tǒng)所出現(xiàn)的振動(dòng)。振動(dòng)只靠其彈性恢復(fù)力來(lái)維 持，當(dāng)有阻尼時(shí)振動(dòng)便逐漸衰減。自由振動(dòng)的頻率只決定于系統(tǒng)本身的物理性質(zhì)，稱(chēng)為系統(tǒng) 的固有頻率。3.2 受迫振動(dòng)受迫振動(dòng)：機(jī)械系統(tǒng)受外界持續(xù)激勵(lì)所產(chǎn)生的振動(dòng)。簡(jiǎn)諧激勵(lì)是最簡(jiǎn)單的持續(xù)激勵(lì)。受 迫振動(dòng)包含瞬態(tài)振動(dòng)和穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。在振動(dòng)開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)所出現(xiàn)的隨時(shí)間變化的振動(dòng)，稱(chēng)為 瞬

9、態(tài)振動(dòng)。經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間后，瞬態(tài)振動(dòng)即消失。系統(tǒng)從外界不斷地獲得能量來(lái)補(bǔ)償阻尼所耗 散的能量，因而能夠作持續(xù)的等幅振動(dòng)，這種振動(dòng)的頻率與激勵(lì)頻率相同，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。例如，在兩端固定的橫梁的中部裝一個(gè)激振器，激振器開(kāi)動(dòng)短暫時(shí)間后橫梁所作的持續(xù)等幅 振動(dòng)就是穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，振動(dòng)的頻率與激振器的頻率相同。系統(tǒng)受外力或其他輸入作用時(shí)，其相 應(yīng)的輸出量稱(chēng)為響應(yīng)。當(dāng)外部激勵(lì)的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)的振幅將急劇增加。 激勵(lì)頻率等于系統(tǒng)的共振頻率時(shí)則產(chǎn)生共振。在設(shè)計(jì)和使用機(jī)械時(shí)必須防止共振。例如，為 了確保旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全運(yùn)轉(zhuǎn)，軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)處于其各階臨界轉(zhuǎn)速的一定范圍之外。3.3 自激振動(dòng)自激振動(dòng)：在非線性振動(dòng)中

10、，系統(tǒng)只受其本身產(chǎn)生的激勵(lì)所維持的振動(dòng)。自激振動(dòng)系統(tǒng) 本身除具有振動(dòng)元件外，還具有非振蕩性的能源、調(diào)行環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)。因此，不存在外界 激勵(lì)時(shí)它也能產(chǎn)生一種穩(wěn)定的周期振動(dòng)，維持自激振動(dòng)的交變力是由運(yùn)動(dòng)本身產(chǎn)生的且由反 饋和調(diào)行環(huán)切所控制。振動(dòng)一停止，此交變力也隨之消失。自激振動(dòng)與初始條件無(wú)關(guān)，其頻 率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率。如飛機(jī)飛行過(guò)程中機(jī)翼的顏振、機(jī)床工作臺(tái)在滑動(dòng)導(dǎo)軌上 低速移動(dòng)時(shí)的爬行、鐘表擺的擺動(dòng)和琴弦的振動(dòng)都屬于自激振動(dòng)4 .機(jī)械振動(dòng)的危害與益處機(jī)械振動(dòng)在機(jī)械行業(yè)既有有利的一面，同時(shí)，也有著有害的一而。對(duì)于有利的一面，我們要 予以利用；對(duì)于對(duì)人類(lèi)有害的部分，我們要盡量減小，甚至避

11、免。在機(jī)械工業(yè)和其它工業(yè)部門(mén)存在著難以計(jì)數(shù)的有害振動(dòng)問(wèn)題，這些問(wèn)題常會(huì)引起巨大的 損失，給人類(lèi)的生產(chǎn)、生活帶來(lái)難以想象的問(wèn)題。以振動(dòng)工程的理論、技術(shù)和方法來(lái)研究與 解決這些問(wèn)題，是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)振動(dòng)量超過(guò)允許的范闈，振動(dòng)會(huì)加劇，影響機(jī)器零件的工作性能，使機(jī)器的零部件產(chǎn) 生附加動(dòng)載荷，減小零件的壽命。對(duì)于大型、高速回轉(zhuǎn)的機(jī)械，因動(dòng)態(tài)失穩(wěn)而造成的重大惡性事故，已經(jīng)發(fā)生數(shù)次。大型 發(fā)電機(jī)機(jī)組由于急劇上升的振動(dòng)可在幾十秒鐘之造成徹底解體，造成大量損失。甚至國(guó)外某 些核電站發(fā)生事故就是由于這種原因造成的。在生產(chǎn)制造過(guò)程中，由于機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象的存在，使生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到所要求的精 度，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。

12、大型工程結(jié)構(gòu)因振動(dòng)而引起的事故也時(shí)有發(fā)生。歷史上發(fā)生過(guò)由于正步行進(jìn)造成共振現(xiàn) 象使橋發(fā)生坍塌現(xiàn)象。近代還發(fā)生過(guò)大型橋梁或冷卻塔因“風(fēng)激振動(dòng)”而斷裂、倒塌的事故。 油輪由于在海上發(fā)生振動(dòng)造成船體斷裂，究其原因，也是機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題所致?；跈C(jī)械振動(dòng)的設(shè)備故障常見(jiàn)的有以下4類(lèi)：不平衡不平衡就是設(shè)備重量與其幾何的中心線不重合從而產(chǎn)生的故障。當(dāng)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn) 時(shí)，它的重心在軸承上產(chǎn)生了離心力的作用，這個(gè)離心力的大小隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成穩(wěn)定的變化. 它的類(lèi)型分為：靜不平衡、力不平衡以及力矩不平衡。(2)沒(méi)有對(duì)中。這種現(xiàn)象普遍存在，而且其產(chǎn)生的影響非常重要，由于不對(duì)中現(xiàn)象因而增加 的旋轉(zhuǎn)作用力將對(duì)機(jī)械軸承與密封構(gòu)件施以

13、異常的加應(yīng)力。它的類(lèi)型分為：平行、角度、平 行與角度均不對(duì)中。(3)部件松動(dòng)部件松動(dòng)是普遍且易發(fā)生的故障，主要情況有：機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架或者其底 座發(fā)生松動(dòng)，產(chǎn)生的后果就是整個(gè)機(jī)械設(shè)備發(fā)生松動(dòng)同時(shí)劇烈振動(dòng)：另一類(lèi)情況就是原本在 零部件間正常配合的關(guān)系被破壞，從而造成其間隙超過(guò)誤差范闈導(dǎo)致松動(dòng)。(4)軸承故障其分為滾動(dòng)軸承故障：疲勞剝落、塑性變形、蝕、磨損、保持膠合架損壞等； 滑動(dòng)軸承故障：巴士合金損壞、松脫、殼體間松動(dòng)與間隙過(guò)大。此外，由于機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的噪音也會(huì)對(duì)人的身心健康造成極大的影響。事實(shí)上，可以說(shuō)振 動(dòng)問(wèn)題普遍地存在于工業(yè)生產(chǎn)和工程的各個(gè)領(lǐng)域?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，對(duì)許多工程項(xiàng)目來(lái) 說(shuō)

14、，振動(dòng)分析與控制，已經(jīng)是一個(gè)項(xiàng)目成功與否的重要因素。同時(shí)，機(jī)械振動(dòng)又有著有利的一面，大家日常聽(tīng)到的音樂(lè)就是各種樂(lè)器振動(dòng)所產(chǎn)生的。5.3振動(dòng)清理及時(shí)效處理振動(dòng)清理及時(shí)效處理，在國(guó)外鑄件清理機(jī)械基本上每隔十年就有一個(gè)新的突破性發(fā) 展.從二十世紀(jì)60年代的間歇式拋丸滾筒，到70年代的匪續(xù)拋丸清理滾筒、8。年代的 振動(dòng)拋丸清理滾筒，9。年代發(fā)展為振動(dòng)連續(xù)拋丸清理滾筒。無(wú)論從設(shè)備還是從清理工藝來(lái) 看，振動(dòng)連續(xù)拋丸清理部具有顯著的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，鑄件軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)做高速翻轉(zhuǎn)，且其速 度可隨零件要求的不同而進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而鑄件的各個(gè)部位都可得到很好地清理。既可單個(gè)鑄 件依次進(jìn)入滾筒進(jìn)行清理，也可大小不同的鑄件混合

15、清理：既適合于發(fā)動(dòng)機(jī)一類(lèi)的短鑄件的 清理，也適合曲軸一類(lèi)長(zhǎng)鑄件的清理。從清理質(zhì)量和效益來(lái)看，振動(dòng)連續(xù)拋丸清理是很有發(fā) 展前途的清理技術(shù)。6.結(jié)語(yǔ)機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題廣泛存在于機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域。它所造成的危害是我們必須解決的問(wèn)題，因此, 機(jī)械振動(dòng)的控制與研究已經(jīng)成為整個(gè)行業(yè)必須重視的問(wèn)題。與此同時(shí)，機(jī)械振動(dòng)也有著對(duì)人 類(lèi)有用的一面，人類(lèi)利用機(jī)械振動(dòng)可以完成不同的工藝過(guò)程。因此，機(jī)械振動(dòng)是一把雙刃劍, 對(duì)于有益的方而，我們加以利用，而對(duì)于危害我們?nèi)粘Ｉ畹姆矫?，我們要盡量加以避免。參考文獻(xiàn)1 .邵忍平.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)M.北京：機(jī)械匚業(yè)出版社，20052 .洪宛振.il算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)M.北京：高等教育出版社，

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