機(jī)械振動及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用

1、機(jī)械振動及其在機(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)械振動在機(jī)械工程中的應(yīng)用.首先講述機(jī)械振動的發(fā)展史：然后對 機(jī)械振動的種類進(jìn)行了詳細(xì)的敘述：接著寫了機(jī)械振動的危害和應(yīng)用；最后對機(jī)械振動在機(jī) 械工程中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，如振動篩，冷卻及烘干振動機(jī)和振動清理及時效處理，并對它 的發(fā)展加入個人看法。關(guān)鍵詞：機(jī)械振動，機(jī)械振動的應(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，振動問題已經(jīng)成為必須解決的重要課題。振動是在日常生活和工程實(shí)際中普 遍存在的一中現(xiàn)象，也是整個力學(xué)中最重要的研究領(lǐng)域之一。所謂機(jī)械振動，是指物體在平 衡位置附近來回往復(fù)的運(yùn)動。在機(jī)械振動過程中，表示物體運(yùn)動特征的某些物理量將時而增 大、時而減小地反復(fù)變化。在工程實(shí)際中，機(jī)械振動是非常普遍的，鐘表的擺動、車廂的晃 動、橋梁與房屋的振動、飛行器與船舶的振動、機(jī)床與刀具的振動、各種動力機(jī)械的振動等, 都是機(jī)械振動.機(jī)械振動

5、常見的主要內(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)械振動發(fā)展簡史早在公元前6世紀(jì)，Pythagoras發(fā)現(xiàn)了較短的弦發(fā)出較高的音，將弦長縮短一半可發(fā)出高 一音階的音符：戰(zhàn)國時期的古人已定量地總結(jié)出弦線發(fā)音與長度的關(guān)系，將基音弦長分為三 等份，減去或增加一份可確定相隔五度音程的各個音。1636年Mersenne在關(guān)于弦的樂音著作中報告了弦振動的實(shí)驗(yàn)研究，測定了長弦振動頻率, 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在其名著兩門新科 學(xué)的對話中明確弦線振動頻率與其長度、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，測定弦線振動頻率并注意到節(jié)點(diǎn)的存在，及有汽點(diǎn)時弦線振動頻率為基頻的 整數(shù)倍。1673年Huygens把擺動視為圓周運(yùn)動的一部分，利用幾何方法得到單擺振動周期 的正確公式，提出擺動中心的概念，從而將形狀復(fù)雜的擺簡化為單擺° 1687年Newton考 察了單擺在有阻尼介質(zhì)中的運(yùn)動。離散系統(tǒng)振動理論在18世紀(jì)中葉基本成熟°弦線振動理 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)的三角級數(shù)展開 才問世。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。20 世紀(jì)初，人們關(guān)心的機(jī)械振動問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，德國的H.霍爾澤提出解決軸系扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率和振型 的計(jì)算方法。30年代，機(jī)械振動的研究開始由線性振動發(fā)展到非線性振動。50年代以來， 機(jī)械振動的研究從規(guī)則的振動發(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 隨機(jī)振動。由于自動控制理論和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，過去認(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題。振動理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，使振動分析成為機(jī)械設(shè)計(jì)中 的一種重要工具。3 .機(jī)械振動

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

9、態(tài)振動。經(jīng)過短暫時間后，瞬態(tài)振動即消失。系統(tǒng)從外界不斷地獲得能量來補(bǔ)償阻尼所耗 散的能量，因而能夠作持續(xù)的等幅振動，這種振動的頻率與激勵頻率相同，稱為穩(wěn)態(tài)振動。例如，在兩端固定的橫梁的中部裝一個激振器，激振器開動短暫時間后橫梁所作的持續(xù)等幅 振動就是穩(wěn)態(tài)振動，振動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，其相 應(yīng)的輸出量稱為響應(yīng)。當(dāng)外部激勵的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)的振幅將急劇增加。 激勵頻率等于系統(tǒng)的共振頻率時則產(chǎn)生共振。在設(shè)計(jì)和使用機(jī)械時必須防止共振。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 自激振動自激振動：在非線性振動中

10、，系統(tǒng)只受其本身產(chǎn)生的激勵所維持的振動。自激振動系統(tǒng) 本身除具有振動元件外，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 激勵時它也能產(chǎn)生一種穩(wěn)定的周期振動，維持自激振動的交變力是由運(yùn)動本身產(chǎn)生的且由反 饋和調(diào)行環(huán)切所控制。振動一停止，此交變力也隨之消失。自激振動與初始條件無關(guān)，其頻 率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率。如飛機(jī)飛行過程中機(jī)翼的顏振、機(jī)床工作臺在滑動導(dǎo)軌上 低速移動時的爬行、鐘表擺的擺動和琴弦的振動都屬于自激振動4 .機(jī)械振動的危害與益處機(jī)械振動在機(jī)械行業(yè)既有有利的一面，同時，也有著有害的一而。對于有利的一面，我們要 予以利用；對于對人類有害的部分，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)部門存在著難以計(jì)數(shù)的有害振動問題，這些問題常會引起巨大的 損失，給人類的生產(chǎn)、生活帶來難以想象的問題。以振動工程的理論、技術(shù)和方法來研究與 解決這些問題，是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)振動量超過允許的范闈，振動會加劇，影響機(jī)器零件的工作性能，使機(jī)器的零部件產(chǎn) 生附加動載荷，減小零件的壽命。對于大型、高速回轉(zhuǎn)的機(jī)械，因動態(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可在幾十秒鐘之造成徹底解體，造成大量損失。甚至國外某 些核電站發(fā)生事故就是由于這種原因造成的。在生產(chǎn)制造過程中，由于機(jī)械振動現(xiàn)象的存在，使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品無法達(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)因振動而引起的事故也時有發(fā)生。歷史上發(fā)生過由于正步行進(jìn)造成共振現(xiàn) 象使橋發(fā)生坍塌現(xiàn)象。近代還發(fā)生過大型橋梁或冷卻塔因“風(fēng)激振動”而斷裂、倒塌的事故。 油輪由于在海上發(fā)生振動造成船體斷裂，究其原因，也是機(jī)械振動問題所致?；跈C(jī)械振動的設(shè)備故障常見的有以下4類：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，它的重心在軸承上產(chǎn)生了離心力的作用，這個離心力的大小隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成穩(wěn)定的變化. 它的類型分為：靜不平衡、力不平衡以及力矩不平衡。(2)沒有對中。這種現(xiàn)象普遍存在，而且其產(chǎn)生的影響非常重要，由于不對中現(xiàn)象因而增加 的旋轉(zhuǎn)作用力將對機(jī)械軸承與密封構(gòu)件施以

13、異常的加應(yīng)力。它的類型分為：平行、角度、平 行與角度均不對中。(3)部件松動部件松動是普遍且易發(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，產(chǎn)生的后果就是整個機(jī)械設(shè)備發(fā)生松動同時劇烈振動：另一類情況就是原本在 零部件間正常配合的關(guān)系被破壞，從而造成其間隙超過誤差范闈導(dǎo)致松動。(4)軸承故障其分為滾動軸承故障：疲勞剝落、塑性變形、蝕、磨損、保持膠合架損壞等； 滑動軸承故障：巴士合金損壞、松脫、殼體間松動與間隙過大。此外，由于機(jī)械振動所產(chǎn)生的噪音也會對人的身心健康造成極大的影響。事實(shí)上，可以說振 動問題普遍地存在于工業(yè)生產(chǎn)和工程的各個領(lǐng)域。科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，對許多工程項(xiàng)目來 說

14、，振動分析與控制，已經(jīng)是一個項(xiàng)目成功與否的重要因素。同時，機(jī)械振動又有著有利的一面，大家日常聽到的音樂就是各種樂器振動所產(chǎn)生的。5.3振動清理及時效處理振動清理及時效處理，在國外鑄件清理機(jī)械基本上每隔十年就有一個新的突破性發(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 振動拋丸清理滾筒，9。年代發(fā)展為振動連續(xù)拋丸清理滾筒。無論從設(shè)備還是從清理工藝來 看，振動連續(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)動的同時做高速翻轉(zhuǎn)，且其速 度可隨零件要求的不同而進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而鑄件的各個部位都可得到很好地清理。既可單個鑄 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)動機(jī)一類的短鑄件的 清理，也適合曲軸一類長鑄件的清理。從清理質(zhì)量和效益來看，振動連續(xù)拋丸清理是很有發(fā) 展前途的清理技術(shù)。6.結(jié)語機(jī)械振動問題廣泛存在于機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域。它所造成的危害是我們必須解決的問題，因此, 機(jī)械振動的控制與研究已經(jīng)成為整個行業(yè)必須重視的問題。與此同時，機(jī)械振動也有著對人 類有用的一面，人類利用機(jī)械振動可以完成不同的工藝過程。因此，機(jī)械振動是一把雙刃劍, 對于有益的方而，我們加以利用，而對于危害我們?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)動力學(xué)M.北京：高等教育出版社，

16、20093 .齊朝輝,多體系統(tǒng)動力學(xué)M,北京：科學(xué)出版社，20084 .Collazos CAe fiuerrerro LA, Pino JA. Renzi S, Klobas J. Evaluating collaborative learning processes using system-based measurement. Educational Technology A Society, 2007,10,257-274.5 .Barratt M. Understanding the meaning of collaboration in the supply chain. Supp

17、ly Chain Management：An International Journal.2004,9,30-42.6 .He F,Han S. A menthod and tool for human-human interaction and instant collaboration in CSCW-based CAD,Computers in Industry, 57,2006, 740751.7 .Sin9iresu S.Rao著，李欣業(yè)，張明路譯,Mechanical Vibrations M北京：清華大學(xué)出版社，20098.Katsuhiko Ogata,系統(tǒng)動力學(xué)M,北京：機(jī)械

18、1：業(yè)出版社，20049kdlySG著.機(jī)械振動M.賈啟芬,劉習(xí)軍譯,北京：科學(xué)出版社10 .Hope VS, Hiller DAA. Prediction of groundbore vibration from percussive pilingJ. Canadian Geotechnical Journal, 2000, 37(3)： 700-711.11 .Ramshaw C L, Selby A R, Bettes P. Computed ground waves due to pilingA. In： Proceedings of the 1998 Conference on Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics III. Part 2 (of 2)C. Seattle. WA, USA： Geotechnical Special Publication. 1998.12 .Campbell D J. Boundary effects in dynamic centrifuge