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)和振動淸理及時效處理，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 w汁h(huán) 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 m

3、echanical 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 mechan

4、ical 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)左 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 衡位宜附近來回往復(fù)的運動。在機(jī)械振動過程中，表示物體運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、齊種動力機(jī)械的振動等, 都是機(jī)械振動.機(jī)械振動常見

5、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)出較髙的音，將弦長縮短一半可發(fā)出髙 一音階的音符：戰(zhàn)國時期的古人已泄量地總結(jié)岀弦線發(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泄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驗研究，測左了長弦振動頻率, 以此推斷岀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英長度、密度和張力的關(guān)系：17世紀(jì)末Sauv

6、eur完成了 大量實驗工作，測左弦線振動頻率并注意到節(jié)點的存在，及有肖點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New十on考 察了單擺在有阻尼介質(zhì)中的運動。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提岀函數(shù)的三角級數(shù)展開 才問世。1762年Euler和1763年bAlembert分別

7、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，研究的重點是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固 有頻率和振型的確立。1921年，徳國的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)展到要用槪率和統(tǒng)汁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) 的汁算，已成為容易解決的問題。振動理論和實驗技術(shù)的發(fā)展，使振動分析成為機(jī)械設(shè)汁中 的一種重要工具。3機(jī)械振動的種類機(jī)械振動有不同的分類方法。按產(chǎn)生振動

8、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泄于系統(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)所岀現(xiàn)的隨時間變化的振動，稱為 瞬態(tài)振動。經(jīng)過短暫時間后，瞬態(tài)振動即消失。系統(tǒng)從

9、外界不斷地獲得能量來補(bǔ)償阻尼所耗 散的能呈:，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)的輸出雖: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)械安全運轉(zhuǎn)，軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)處于其各階臨界轉(zhuǎn)速的一泄范圍之外。3.3自激振動自激振動：在非線性振動中，系統(tǒng)只受其本身產(chǎn)生的激勵所維持的振動。自激

10、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)肖環(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)左的周期振動，維持自激振動的交變力是由運動本身產(chǎn)生的且由反 饋和調(diào)節(jié)環(huán)廿所控制。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)翼的瀕振、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)既有有利的一而，同時，也有著有害的一而。對于有利的一而，我們要 予以利用；對于對人類有害的部分，我們要盡量減小，甚至避免。在機(jī)械工業(yè)和其它工業(yè)部門存在著難以計數(shù)的

11、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弗I，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、髙速回轉(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。大型工程結(jié)構(gòu)因振動而引起的事故也時有發(fā)生。

12、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，究英原因，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：(1) 不平衡不平衡就是設(shè)備重量與苴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)左的變化。 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，而且苴產(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)件施以異常的加應(yīng)力。它的類型分為：平行

13、、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I羽導(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?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，對許多工程項目來 說，振動分析與控制，已經(jīng)是一

14、個項目成功與否的重要因素。同時，機(jī)械振動又有著有利的一而，大家日常聽到的音樂就是各種樂器振動所產(chǎn)生的。 在現(xiàn)實生活中我們能看到很多機(jī)械都是運用機(jī)械振動這一學(xué)說理論來建造岀來的。比如篩分 設(shè)備、輸送設(shè)備、給料設(shè)備、粉碎設(shè)備等等機(jī)械設(shè)備都是將機(jī)械振動原理應(yīng)用于機(jī)械工程中。 工程中利用振動原理設(shè)訃出了許多振動機(jī)械，例如振動輸送機(jī)、振動打樁機(jī)、振動篩分機(jī)、 振動機(jī)床、振動造型機(jī)等等。5. 機(jī)械振動在機(jī)械工程中的應(yīng)用5.1振動篩由于振動篩分在篩分過程中各個物料顆粒均處于運動狀態(tài)，且在篩面上作拋擲運動，因 而篩分效率高，故在砂處理系統(tǒng)中基本上都采用振動篩。但目前所用的振動篩基本上只有直 線振動篩和單軸圓振

15、動兩種機(jī)型，這兩種篩子適用于新砂和水分不髙的舊砂篩分。振動篩是 一種多行業(yè)、用途廣泛的篩分設(shè)備，在一泄的條件下它在砂處理中的應(yīng)用更顯示出英優(yōu)越性。 目前國內(nèi)砂處理線上應(yīng)用的多是中小型振動篩，國外已有每小時處理舊砂能力達(dá)700噸的 直線振動篩。5.2冷卻及烘干振動機(jī)冷卻及烘干振動機(jī)以對流傳熱方式為主的冷卻和烘干機(jī)的工作原理是相同的，即促進(jìn)物 料與氣流的充分接觸而進(jìn)行熱交換僅以熱交換的條件來看，攪拌式冷卻器內(nèi)運轉(zhuǎn)時只有部 分物料處于動態(tài)，且攪拌摩擦所產(chǎn)生的部分熱量又會傳給物料。且在振動過程中全部物料均 處于動態(tài)，且自上而下的各料層之間的沖擊速度遞減，這不僅使總料層厚度膨脹，且越接近 振動床而的料層

16、間隙越大，有利于氣流通過，為熱交換創(chuàng)造了條件。我國在振動流態(tài)化烘干 及冷卻技術(shù)方面曾進(jìn)行過許多研究工作，自二十世紀(jì)七十年代初在北京瑪鋼廠使用以來也積 累了不少經(jīng)驗。但由于沸騰板的結(jié)構(gòu)、振動機(jī)運行的穩(wěn)定可靠性及氣流自動控制等問題尚未 很好地解決，因而影響了該技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。國外近年來已把流態(tài)化振動冷卻機(jī)作為舊砂 再生系統(tǒng)的一種髙效能設(shè)備，砂處理量從15十/ h到7001 / ho5.3振動清理及時效處理振動淸理及時效處理，在國外鑄件淸理機(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)拋丸淸理滾筒、80年代的 振動拋丸清理滾筒，90年代發(fā)展為振動連

17、續(xù)拋丸淸理滾筒。無論從設(shè)備還是從淸理工藝來 看，振動連續(xù)拋丸淸理部具有顯著的特點和優(yōu)點，鑄件軸向運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淸理。既可單個鑄 件依次進(jìn)入滾筒進(jìn)行淸理，也可大小不同的鑄件混合清理：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淸理。從清理質(zhì)量和效益來看，振動連續(xù)拋丸淸理是很有發(fā) 展前途的淸理技術(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

18、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畹姆蕉?，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)岀版社，2005乙洪嘉振.il算筍體系統(tǒng)動力學(xué)M.北京：尚等教育出版社，20093齊朝輝多體系統(tǒng)動力學(xué)M.北京：科學(xué)出版社.20084. Collazos CA, fiuerrerro LA, Pino J A. Renzi 5, Klobas J Evaluating collaborative learning process using system-based measurement. Educational Tec

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