机械振动及其在机械工程中的应用.doc

.
机械振动及其在机械工程中的应用
杨杰
（江苏师范大学 海洋港口学院 江苏 连云港 222000）
摘要：本文主要讲的是机械振动在机械工程中的应用.首先讲述机械振动的发展史；然后对机械振动的种类进行了详细的叙述；接着写了机械振动的危害和应用；最后对机械振动在机械工程中的应用进行了阐述，如振动筛，冷却及烘干振动机和振动清理及时效处理，并对它的发展加入个人看法。
关键词：机械振动，机械振动的应用，机械工程
Mechanical vibration and Application in Mechanical Engineering
Yang Jie
(Jiangsu Normal University ,Jiangsu, 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 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 mechanical vibrations, mechanical engineering
1.引言　　
随着机械工业和科学技术的发展，产品愈加复杂化，精度要求更高，性能要求更加稳定与高效，因此，振动问题已经成为必须解决的重要课题。振动是在日常生活和工程实际中普遍存在的一中现象，也是整个力学中最重要的研究领域之一。所谓机械振动，是指物体在平衡位置附近来回往复的运动。在机械振动过程中，表示物体运动特征的某些物理量将时而增大、时而减小地反复变化。在工程实际中，机械振动是非常普遍的，钟表的摆动、车厢的晃动、桥梁与房屋的振动、飞行器与船舶的振动、机床与刀具的振动、各种动力机械的振动等，都是机械振动.机械振动常见的主要内容是：提高机械系统的抗振能力，防止系统发生共振的方法，避免系统发生自振，减振与隔振，噪声控制等等。
2.机械振动发展简史
早在公元前6世纪，Pythagoras发现了较短的弦发出较高的音，将弦长缩短一半可发出高一音阶的音符；战国时期的古人已定量地总结出弦线发音与长度的关系，将基音弦长分为三等份，减去或增加一份可确定相隔五度音程的各个音。
1636年Mersenne在关于弦的乐音著作中报告了弦振动的实验研究，测定了长弦振动频率，以此推断出密度和张力相同且发出谐音的短弦频率；1638年Galileo在其名著《两门新科学的对话》中明确弦线振动频率与其长度、密度和张力的关系；17世纪末Sauveur完成了大量实验工作，测定弦线振动频率并注意到节点的存在，及有节点时弦线振动频率为基频的整数倍。1673年Huygens把摆动视为圆周运动的一部分，利用几何方法得到单摆振动周期的正确公式，提出摆动中心的概念，从而将形状复杂的摆简化为单摆。1687年Newton考察了单摆在有阻尼介质中的运动。离散系统振动理论在18世纪中叶基本成熟。弦线振动理论在18世纪建立。1759年Lagrange从驻波解出发推导出行波解，从而在物理上充分理解了均匀弦线的振动规律，更有效的数学工具直到1811年Fourier提出函数的三角级数展开才问世。1762年Euler和1763年D’Alembert分别研究了非均匀弦线和重弦线的振动。  20世纪初，人们关心的机械振动问题主要集中在避免共振上,因此,研究的重点是机械结构的固有频率和振型的确定。1921年，德国的H.霍尔泽提出解决轴系扭转振动的固有频率和振型的计算方法。30年代，机械振动的研究开始由线性振动发展到非线性振动。50年代以来，机械振动的研究从规则的振动发展到要用概率和统计的方法才能描述其规律的不规则振动──随机振动。由于自动控制理论和电子计算机的发展，过去认为甚感困难的多自由度系统的计算，已成为容易解决的问题。振动理论和实验技术的发展，使振动分析成为机械设计中的一种重要工具。
3.机械振动的种类 
机械振动有不同的分类方法。按产生振动的原因可分为自由振动、受迫振动和自激振动；按振动的规律可分为简谐振动、非谐周期振动和随机振动;按振动系统结构参数的特性可分为线性振动和非线性振动；按振动位移的特征可分为扭转振动和直线振动。 
3.1自由振动
  自由振动：去掉激励或约束之后，机械系统所出现的振动。振动只靠其弹性恢复力来维持，当有阻尼时振动便逐渐衰减。自由振动的频率只决定于系统本身的物理性质，称为系统的固有频率。 
3.2受迫振动 
受迫振动：机械系统受外界持续激励所产生的振动。简谐激励是最简单的持续激励。受迫振动包含瞬态振动和稳态振动。在振动开始一段时间内所出现的随时间变化的振动，称为瞬态振动。经过短暂时间后，瞬态振动即消失。系统从外界不断地获得能量来补偿阻尼所耗散的能量，因而能够作持续的等幅振动，这种振动的频率与激励频率相同，称为稳态振动。例如，在两端固定的横梁的中部装一个激振器，激振器开动短暂时间后横梁所作的持续等幅振动就是稳态振动，振动的频率与激振器的频率相同。系统受外力或其他输入作用时，其相应的输出量称为响应。当外部激励的频率接近系统的固有频率时，系统的振幅将急剧增加。激励频率等于系统的共振频率时则产生共振。在设计和使用机械时必须防止共振。例如，为了确保旋转机械安全运转，轴的工作转速应处于其各阶临界转速的一定范围之外。 
3.3自激振动
  自激振动：在非线性振动中，系统只受其本身产生的激励所维持的振动。自激振动系统本身除具有振动元件外,还具有非振荡性的能源、调节环节和反馈环节。因此，不存在外界激励时它也能产生一种稳定的周期振动，维持自激振动的交变力是由运动本身产生的且由反馈和调节环节所控制。振动一停止,此交变力也随之消失。自激振动与初始条件无关，其频率等于或接近于系统的固有频率。如飞机飞行过程中机翼的颤振、机床工作台在滑动导轨上低速移动时的爬行、钟表摆的摆动和琴弦的振动都属于自激振动
4.机械振动的危害与益处
机械振动在机械行业既有有利的一面，同时，也有着有害的一面。对于有利的一面，我们要予以利用；对于对人类有害的部分，我们要尽量减小，甚至避免。
　　在机械工业和其它工业部门存在着难以计数的有害振动问题，这些问题常会引起巨大的损失，给人类的生产、生活带来难以想象的问题。以振动工程的理论、技术和方法来研究与解决这些问题，是当务之急。
　　当振动量超过允许的范围，振动会加剧，影响机器零件的工作性能，使机器的零部件产生附加动载荷，减小零件的寿命。
　　对于大型、高速回转的机械，因动态失稳而造成的重大恶性事故，已经发生数次。大型发电机机组由于急剧上升的振动可在几十秒钟之造成彻底解体，造成大量损失。甚至国外某些核电站发生事故就是由于这种原因造成的。
　　在生产制造过程中，由于机械振动现象的存在，使生产出来的产品无法达到所要求的精度，造成大量的经济损失。
大型工程结构因振动而引起的事故也时有发生。历史上发生过由于正步行进造成共振现象使桥发生坍塌现象。近代还发生过大型桥梁或冷却塔因“风激振动”而断裂、倒塌的事故。油轮由于在海上发生振动造成船体断裂，究其原因，也是机械振动问题所致。
基于机械振动的设备故障常见的有以下4类:             
(1) 不平衡 不平衡就是设备重量与其几何的中心线不重合从而产生的故障。当转子在旋转时，它的重心在轴承上产生了离心力的作用，这个离心力的大小随转子旋转形成稳定的变化。它的类型分为：静不平衡、力不平衡以及力矩不平衡  。
(2) 没有对中。这种现象普遍存在，而且其产生的影响非常重要， 由于不对中现象因而增加的旋转作用力将对机械轴承与密封构件施以异常的加应力。它的类型分为：平行、角度、平行与角度均不对中。
(3) 部件松动 部件松动是普遍且易发生的故障，主要情况有：机械设备的结构框架或者其底座发生松动，产生的后果就是整个机械设备发生松动同时剧烈振动；另一类情况就是原本在零部件间正常配合的关系被 破坏，从而造成其间隙超过误差范围导致松动。
(4) 轴承故障 其分为滚动轴承故障：疲劳剥落、塑性变形、蚀、磨损、保持胶合架损坏等；滑动轴承故障：巴士合金损坏、松脱、壳体间松动与间隙过大。
此外，由于机械振动所产生的噪音也会对人的身心健康造成极大的影响。事实上，可以说振动问题普遍地存在于工业生产和工程的各个领域。科学技术发展到今天，对许多工程项目来说，振动分析与控制，已经是一个项目成功与否的重要因素。
　　同时，机械振动又有着有利的一面，大家日常听到的音乐就是各种乐器振动所产生的。在现实生活中我们能看到很多机械都是运用机械振动这一学说理论来建造出来的。比如筛分设备、输送设备、给料设备、粉碎设备等等机械设备都是将机械振动原理应用于机械工程中。工程中利用振动原理设计出了许多振动机械，例如振动输送机、振动打桩机、振动筛分机、振动机床、振动造型机等等。
5.机械振动在机械工程中的应用
5.1振动筛
由于振动筛分在筛分过程中各个物料颗粒均处于运动状态，且在筛面上作抛掷运动，因而筛分效率高，故在砂处理系统中基本上都采用振动筛。但目前所用的振动筛基本上只有直线振动筛和单轴圆振动两种机型，这两种筛子适用于新砂和水分不高的旧砂筛分。振动筛是一种多行业、用途广泛的筛分设备，在一定的条件下它在砂处理中的应用更显示出其优越性。目前国内砂处理线上应用的多是中小型振动筛，国外已有每小时处理旧砂能力达700吨的直线振动筛。
5.2冷却及烘干振动机
冷却及烘干振动机以对流传热方式为主的冷却和烘干机的工作原理是相同的，即促进物料与气流的充分接触而进行热交换。仅以热交换的条件来看，搅拌式冷却器内运转时只有部分物料处于动态，且搅拌摩擦所产生的部分热量又会传给物料。且在振动过程中全部物料均处于动态，且自上而下的各料层之间的冲击速度递减，这不仅使总料层厚度膨胀，且越接近振动床面的料层间隙越大，有利于气流通过，为热交换创造了条件。我国在振动流态化烘干及冷却技术方面曾进行过许多研究工作，自二十世纪七十年代初在北京玛钢厂使用以来也积累了不少经验。但由于沸腾板的结构、振动机运行的稳定可靠性及气流自动控制等问题尚未很好地解决，因而影响了该技术的开发和应用。国外近年来已把流态化振动冷却机作为旧砂再生系统的一种高效能设备，砂处理量从15t／h到700t／h。
5.3振动清理及时效处理
振动清理及时效处理，在国外铸件清理机械基本上每隔十年就有一个新的突破性发展． 从二十世纪60年代的间歇式抛丸滚筒，到70年代的匪续抛丸清理滚筒、80年代的振动抛丸清理滚筒，90年代发展为振动连续抛丸清理滚筒。无论从设备还是从清理工艺来看，振动连续抛丸清理部具有显著的特点和优点，铸件轴向运动的同时做高速翻转，且其速度可随零件要求的不同而进行调节，因而铸件的各个部位都可得到很好地清理。既可单个铸件依次进入滚筒进行清理，也可大小不同的铸件混合清理；既适合于发动机一类的短铸件的清理，也适合曲轴一类长铸件的清理。从清理质量和效益来看，振动连续抛丸清理是很有发展前途的清理技术。
6.结语
机械振动问题广泛存在于机械工业领域。它所造成的危害是我们必须解决的问题，因此，机械振动的控制与研究已经成为整个行业必须重视的问题。与此同时，机械振动也有着对人类有用的一面，人类利用机械振动可以完成不同的工艺过程。因此，机械振动是一把双刃剑，对于有益的方面，我们加以利用，而对于危害我们日常生活的方面，我们要尽量加以避免。
参考文献
1.邵忍平.机械系统动力学[M].北京：机械工业出版社，2005
2.洪嘉振.计算多体系统动力学[M].北京：高等教育出版社，2009
3.齐朝辉.多体系统动力学[M].北京：科学出版社，2008
4.Collazos CA, Guerrerro LA, Pino JA. Renzi S, Klobas J. Evaluating collaborative learning processes using system-based measurement, Educational Technology & Society, 2007,10,257-274.
5.Barratt M. Understanding the meaning of collaboration in the supply chain. Supply 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, 740—751.
7.Singiresu S. Rao 著，李欣业，张明路译. Mechanical Vibrations [M]. 北京：清华大学出版社，2009
8.Katsuhiko Ogata. 系统动力学 [M]. 北京：机械工业出版社，2004
9.Kelly S G著. 机械振动 [M]. 贾启芬，刘习军译. 北京：科学出版社
10.Hope VS，Hiller DM. Prediction of groundbore vibration from percussive piling[J]. Canadian Geotechnical Journal，2000，37(3)：700–711.
11.Ramshaw C L，Selby A R，Bettess P. Computed ground waves due to piling[A]. 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 model tests[A]. In：Centrifuge 91[C]. Rotterdam：A. A. Balkema，1991. 441–448.
13.Lee SN，You B J，Lim MS，et al. Visual measurement of pile penetration and rebound movement using a high-speed line-scan camera[A]. In：2002 IEEE Int. Conf. Rob. Autom.[C]. Washington，D. C. USA：IEEE，2002. 4 307–4 312.
6 / 6