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(jī)械振動(dòng)在機(jī)械工程中的應(yīng)用.首先敘述機(jī)械振動(dòng)的進(jìn)展史；然后對(duì)機(jī)械振動(dòng)的種類(lèi)進(jìn)行了具體的敘述；接著寫(xiě)了機(jī)械振動(dòng)的危害和應(yīng)用；最終對(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)清理準(zhǔn)時(shí)效處理，并對(duì)它的進(jìn)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 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(jī)械工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，產(chǎn)品愈加簡(jiǎn)單化，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)成為必需解決的重要課題。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)中最重要的爭(zhēng)辯領(lǐng)域之一。所謂機(jī)械振動(dòng)，是指物體在平衡位置四周來(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)是格外普遍的，鐘表的搖擺、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)常見(jiàn)的主

5、要內(nèi)容是：提高機(jī)械系統(tǒng)的抗振力量，防止系統(tǒng)發(fā)生共振的方法，避開(kāi)系統(tǒng)發(fā)生自振，減振與隔振，噪聲把握等等。 2.機(jī)械振動(dòng)進(jìn)展簡(jiǎn)史早在公元前6世紀(jì)，Pythagoras發(fā)覺(jué)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(xiàn)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)的試驗(yàn)爭(zhēng)辯，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(huà)中明確弦線(xiàn)振動(dòng)頻率與其長(zhǎng)度、密度和張力的關(guān)系；17世紀(jì)末Sauveur完成了

6、大量試驗(yàn)工作，測(cè)定弦線(xiàn)振動(dòng)頻率并留意到節(jié)點(diǎn)的存在，及有節(jié)點(diǎn)時(shí)弦線(xiàn)振動(dòng)頻率為基頻的整數(shù)倍。1673年Huygens把搖擺視為圓周運(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，提出搖擺中心的概念，從而將外形簡(jiǎn)單的擺簡(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(xiàn)振動(dòng)理論在18世紀(jì)建立。1759年Lagrange從駐波解動(dòng)身推導(dǎo)出行波解，從而在物理上充分理解了均勻弦線(xiàn)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)開(kāi)放才問(wèn)世。1762年Euler和1763年DAlembert分別爭(zhēng)辯了非均勻弦線(xiàn)和重弦線(xiàn)的

7、振動(dòng)。  20世紀(jì)初，人們關(guān)懷的機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題主要集中在避開(kāi)共振上,因此,爭(zhēng)辯的重點(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年月，機(jī)械振動(dòng)的爭(zhēng)辯開(kāi)頭由線(xiàn)性振動(dòng)進(jìn)展到非線(xiàn)性振動(dòng)。50年月以來(lái)，機(jī)械振動(dòng)的爭(zhēng)辯從規(guī)章的振動(dòng)進(jìn)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)章振動(dòng)隨機(jī)振動(dòng)。由于自動(dòng)把握理論和電子計(jì)算機(jī)的進(jìn)展，過(guò)去認(rèn)為甚感困難的多自由度系統(tǒng)的計(jì)算，已成為簡(jiǎn)潔解決的問(wèn)題。振動(dòng)理論和試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)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)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)的緣由可分

8、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(xiàn)性振動(dòng)和非線(xiàn)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(xiàn)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)所消滅的振動(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)便漸漸衰減。自由振動(dòng)的頻率只打算于系統(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)潔的持續(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)頭一段時(shí)間內(nèi)所消滅的隨時(shí)間變化的振動(dòng)，稱(chēng)為瞬態(tài)振動(dòng)。經(jīng)過(guò)

9、短臨時(shí)間后，瞬態(tài)振動(dòng)即消逝。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)短臨時(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)必需防止共振。例如，為了確保旋轉(zhuǎn)機(jī)械平安運(yùn)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(dòng)  自激振動(dòng)：在非線(xiàn)性振

10、動(dòng)中，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)整環(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)整環(huán)節(jié)所把握。振動(dòng)一停止,此交變力也隨之消逝。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)翼的顫振、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、鐘表擺的搖擺和琴弦的振動(dòng)都屬于自激振動(dòng)4.機(jī)械振動(dòng)的危害與好處機(jī)械振動(dòng)在機(jī)械行業(yè)既有有利的一面，同時(shí)，也有著有害的一面。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，甚至避開(kāi)。 在機(jī)

11、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)爭(zhēng)辯與解決這些問(wèn)題，是當(dāng)務(wù)之急。 當(dāng)振動(dòng)量超過(guò)允許的范圍，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緣由造成的。 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。 大型工程結(jié)構(gòu)

12、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，究其緣由，也是機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題所致。 基于機(jī)械振動(dòng)的設(shè)備故障常見(jiàn)的有以下4類(lèi):              (1) 不平衡 不平衡就是設(shè)備重量與其幾何的中心線(xiàn)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

13、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)生的影響格外重要， 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)件施以特別的加應(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，主要狀況有：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)猛烈振動(dòng)；另一類(lèi)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(guò)誤差范圍導(dǎo)致松動(dòng)。(4) 軸承故障 其分為滾動(dòng)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(dòng)軸承故障：巴士合金損

14、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)進(jìn)展到今日，對(duì)很多工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，振動(dòng)分析與把握，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。在現(xiàn)實(shí)生活中我們能看到很多機(jī)械都是運(yùn)用機(jī)械振動(dòng)這一學(xué)說(shuō)理論來(lái)建筑出來(lái)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(dòng)原理應(yīng)用于機(jī)械工程中。工程中利用振動(dòng)原理設(shè)計(jì)出了很多振動(dòng)機(jī)械，例如振動(dòng)輸送機(jī)、振動(dòng)打樁機(jī)、振動(dòng)篩分機(jī)、振動(dòng)機(jī)床、振動(dòng)造型機(jī)等等。 5.機(jī)

15、械振動(dòng)在機(jī)械工程中的應(yīng)用5.1振動(dòng)篩 由于振動(dòng)篩分在篩分過(guò)程中各個(gè)物料顆粒均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且在篩面上作拋擲運(yùn)動(dòng)，因而篩分效率高，故在砂處理系統(tǒng)中基本上都接受振動(dòng)篩。但目前所用的振動(dòng)篩基本上只有直線(xiàn)振動(dòng)篩和單軸圓振動(dòng)兩種機(jī)型，這兩種篩子適用于新砂和水分不高的舊砂篩分。振動(dòng)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(guó)內(nèi)砂處理線(xiàn)上應(yīng)用的多是中小型振動(dòng)篩，國(guó)外已有每小時(shí)處理舊砂力量達(dá)700噸的直線(xiàn)振動(dòng)篩。 5.2冷卻及烘干振動(dòng)機(jī) 冷卻及烘干振動(dòng)機(jī)以對(duì)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(lái)

16、看，攪拌式冷卻器內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)只有部分物料處于動(dòng)態(tài)，且攪拌摩擦所產(chǎn)生的部分熱量又會(huì)傳給物料。且在振動(dòng)過(guò)程中全部物料均處于動(dòng)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(dòng)床面的料層間隙越大，有利于氣流通過(guò)，為熱交換制造了條件。我國(guó)在振動(dòng)流態(tài)化烘干及冷卻技術(shù)方面曾進(jìn)行過(guò)很多爭(zhēng)辯工作，自二十世紀(jì)七十年月初在北京瑪鋼廠(chǎng)使用以來(lái)也積累了不少閱歷。但由于沸騰板的結(jié)構(gòu)、振動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定牢靠性及氣流自動(dòng)把握等問(wèn)題尚未很好地解決，因而影響了該技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。國(guó)外近年來(lái)已把流態(tài)化振動(dòng)冷卻機(jī)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(dòng)清理準(zhǔn)時(shí)效處理 振動(dòng)

17、清理準(zhǔn)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)新的突破性進(jìn)展 從二十世紀(jì)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(dòng)拋丸清理滾筒，90年月進(jìn)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)整，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)拋丸清理是很有進(jìn)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)

18、械工業(yè)領(lǐng)域。它所造成的危害是我們必需解決的問(wèn)題，因此，機(jī)械振動(dòng)的把握與爭(zhēng)辯已經(jīng)成為整個(gè)行業(yè)必需重視的問(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)于有益的方面，我們加以利用，而對(duì)于危害我們?nèi)粘Ｉ畹姆矫?，我們要盡量加以避開(kāi)。 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)械工業(yè)出版社，2005 2.洪嘉振.計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)M.北京：高等教育出版社，2009 3.齊朝輝.多體系統(tǒng)動(dòng)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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