機械振動及其在機械工程中的應(yīng)用

1、機械振動及其在機械工程中的應(yīng)用楊杰（江蘇師范高校 海洋港口學(xué)院 江蘇 連云港 222000）摘要：本文主要講的是機械振動在機械工程中的應(yīng)用.首先敘述機械振動的進展史；然后對機械振動的種類進行了具體的敘述；接著寫了機械振動的危害和應(yīng)用；最終對機械振動在機械工程中的應(yīng)用進行了闡述，如振動篩，冷卻及烘干振動機和振動清理準時效處理，并對它的進展加入個人看法。關(guān)鍵詞：機械振動，機械振動的應(yīng)用，機械工程Mechanical vibration and Application in Mechanical EngineeringYang Jie(Jiangsu Normal University ,Jiang

2、su, 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 mech

4、anical vibrations, mechanical engineering1.引言 隨著機械工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的進展，產(chǎn)品愈加簡單化，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)成為必需解決的重要課題。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)中最重要的爭辯領(lǐng)域之一。所謂機械振動，是指物體在平衡位置四周來回往復(fù)的運動。在機械振動過程中，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，機械振動是格外普遍的，鐘表的搖擺、車廂的晃動、橋梁與房屋的振動、飛行器與船舶的振動、機床與刀具的振動、各種動力機械的振動等，都是機械振動.機械振動常見的主

5、要內(nèi)容是：提高機械系統(tǒng)的抗振力量，防止系統(tǒng)發(fā)生共振的方法，避開系統(tǒng)發(fā)生自振，減振與隔振，噪聲把握等等。 2.機械振動進展簡史早在公元前6世紀，Pythagoras發(fā)覺了較短的弦發(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試驗爭辯，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世紀末Sauveur完成了

6、大量試驗工作，測定弦線振動頻率并留意到節(jié)點的存在，及有節(jié)點時弦線振動頻率為基頻的整數(shù)倍。1673年Huygens把搖擺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，提出搖擺中心的概念，從而將外形簡單的擺簡化為單擺。1687年Newton考察了單擺在有阻尼介質(zhì)中的運動。離散系統(tǒng)振動理論在18世紀中葉基本成熟。弦線振動理論在18世紀建立。1759年Lagrange從駐波解動身推導(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)開放才問世。1762年Euler和1763年DAlembert分別爭辯了非均勻弦線和重弦線的

7、振動。  20世紀初，人們關(guān)懷的機械振動問題主要集中在避開共振上,因此,爭辯的重點是機械結(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算方法。30年月，機械振動的爭辯開頭由線性振動進展到非線性振動。50年月以來，機械振動的爭辯從規(guī)章的振動進展到要用概率和統(tǒng)計的方法才能描述其規(guī)律的不規(guī)章振動隨機振動。由于自動把握理論和電子計算機的進展，過去認為甚感困難的多自由度系統(tǒng)的計算，已成為簡潔解決的問題。振動理論和試驗技術(shù)的進展，使振動分析成為機械設(shè)計中的一種重要工具。3.機械振動的種類  機械振動有不同的分類方法。按產(chǎn)生振動的緣由可分

8、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，機械系統(tǒng)所消滅的振動。振動只靠其彈性恢復(fù)力來維持，當有阻尼時振動便漸漸衰減。自由振動的頻率只打算于系統(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。簡諧激勵是最簡潔的持續(xù)激勵。受迫振動包含瞬態(tài)振動和穩(wěn)態(tài)振動。在振動開頭一段時間內(nèi)所消滅的隨時間變化的振動，稱為瞬態(tài)振動。經(jīng)過

9、短臨時間后，瞬態(tài)振動即消逝。系統(tǒng)從外界不斷地獲得能量來補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，激振器開動短臨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)計和使用機械時必需防止共振。例如，為了確保旋轉(zhuǎn)機械平安運轉(zhuǎn)，軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)處于其各階臨界轉(zhuǎn)速的肯定范圍之外。  3.3自激振動  自激振動：在非線性振

10、動中，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)整環(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動本身產(chǎn)生的且由反饋和調(diào)整環(huán)節(jié)所把握。振動一停止,此交變力也隨之消逝。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。如飛機飛行過程中機翼的顫振、機床工作臺在滑動導(dǎo)軌上低速移動時的爬行、鐘表擺的搖擺和琴弦的振動都屬于自激振動4.機械振動的危害與好處機械振動在機械行業(yè)既有有利的一面，同時，也有著有害的一面。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，甚至避開。 在機

11、械工業(yè)和其它工業(yè)部門存在著難以計數(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)和方法來爭辯與解決這些問題，是當務(wù)之急。 當振動量超過允許的范圍，振動會加劇，影響機器零件的工作性能，使機器的零部件產(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)電機機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緣由造成的。 在生產(chǎn)制造過程中，由于機械振動現(xiàn)象的存在，使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品無法達到所要求的精度，造成大量的經(jīng)濟損失。 大型工程結(jié)構(gòu)

12、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，究其緣由，也是機械振動問題所致。 基于機械振動的設(shè)備故障常見的有以下4類:              (1) 不平衡 不平衡就是設(shè)備重量與其幾何的中心線不重合從而產(chǎn)生的故障。當轉(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

13、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)生的影響格外重要， 由于不對中現(xiàn)象因而增加的旋轉(zhuǎn)作用力將對機械軸承與密封構(gòu)件施以特別的加應(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，主要狀況有：機械設(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械設(shè)備發(fā)生松動同時猛烈振動；另一類狀況就是原本在零部件間正常協(xié)作的關(guān)系被 破壞，從而造成其間隙超過誤差范圍導(dǎo)致松動。(4) 軸承故障 其分為滾動軸承故障：疲憊剝落、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

14、壞、松脫、殼體間松動與間隙過大。此外，由于機械振動所產(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)進展到今日，對很多工程項目來說，振動分析與把握，已經(jīng)是一個項目成功與否的重要因素。 同時，機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。在現(xiàn)實生活中我們能看到很多機械都是運用機械振動這一學(xué)說理論來建筑出來的。比如篩分設(shè)備、輸送設(shè)備、給料設(shè)備、粉碎設(shè)備等等機械設(shè)備都是將機械振動原理應(yīng)用于機械工程中。工程中利用振動原理設(shè)計出了很多振動機械，例如振動輸送機、振動打樁機、振動篩分機、振動機床、振動造型機等等。 5.機

15、械振動在機械工程中的應(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)中基本上都接受振動篩。但目前所用的振動篩基本上只有直線振動篩和單軸圓振動兩種機型，這兩種篩子適用于新砂和水分不高的舊砂篩分。振動篩是一種多行業(yè)、用途廣泛的篩分設(shè)備，在肯定的條件下它在砂處理中的應(yīng)用更顯示出其優(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力量達700噸的直線振動篩。 5.2冷卻及烘干振動機 冷卻及烘干振動機以對流傳熱方式為主的冷卻和烘干機的工作原理是相同的，即促進物料與氣流的充分接觸而進行熱交換。僅以熱交換的條件來

16、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，且越接近振動床面的料層間隙越大，有利于氣流通過，為熱交換制造了條件。我國在振動流態(tài)化烘干及冷卻技術(shù)方面曾進行過很多爭辯工作，自二十世紀七十年月初在北京瑪鋼廠使用以來也積累了不少閱歷。但由于沸騰板的結(jié)構(gòu)、振動機運行的穩(wěn)定牢靠性及氣流自動把握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)化振動冷卻機作為舊砂再生系統(tǒng)的一種高效能設(shè)備，砂處理量從15th到700th。 5.3振動清理準時效處理 振動

17、清理準時效處理，在國外鑄件清理機械基本上每隔十年就有一個新的突破性進展 從二十世紀60年月的間歇式拋丸滾筒，到70年月的匪續(xù)拋丸清理滾筒、80年月的振動拋丸清理滾筒，90年月進展為振動連續(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行調(diào)整，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入滾筒進行清理，也可大小不同的鑄件混合清理；既適合于發(fā)動機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)拋丸清理是很有進展前途的清理技術(shù)。6.結(jié)語 機械振動問題廣泛存在于機

18、械工業(yè)領(lǐng)域。它所造成的危害是我們必需解決的問題，因此，機械振動的把握與爭辯已經(jīng)成為整個行業(yè)必需重視的問題。與此同時，機械振動也有著對人類有用的一面，人類利用機械振動可以完成不同的工藝過程。因此，機械振動是一把雙刃劍，對于有益的方面，我們加以利用，而對于危害我們?nèi)粘Ｉ畹姆矫?，我們要盡量加以避開。 參考文獻1.邵忍平.機械系統(tǒng)動力學(xué)M.北京：機械工業(yè)出版社，2005 2.洪嘉振.計算多體系統(tǒng)動力學(xué)M.北京：高等教育出版社，2009 3.齊朝輝.多體系統(tǒng)動力學(xué)M.北京：科學(xué)出版社，20084.Collazos CA, Guerrerro LA, Pino JA. Renzi S, Klobas J

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