機械振動的控制與利用

來自專欄 機械雜記

##概述

###一 機械振動的分類及工程中的振動問題

1. 按產生振動的原因分類-自由振動、受迫振動、自激振動

2. 按振動隨時間的變化規律-簡諧振動、非簡諧振動、隨機振動

3. 按振動系統結構參數-線性振動、非線性振動

4. 按振動系統的自由度數目-單自由度系統的振動、多自由度系統的振動、連續系統的振動

5. 按振動形式-縱向直線振動、橫向直線振動、扭轉振動、擺動

**常見振動問題**

####共振

當外部激振力的頻率和系統的固有頻率接近時，系統將產生強烈的振動。`措施`：隔振系統和迴轉軸系統應使其工作頻率和工作轉速在各階臨界轉速的一定範圍外。儘管如此，機械系統在啟動和停機的時候仍然要通過共振區，必要時需採取抑制共振的減振、消振措施。`利用`：在近共振狀態下工作的振動機械，就是利用彈性力和慣性力基本接近於平衡以及外部激振力主要用於平衡阻尼力的原理來工作的，因而所需要的激振力和功率較非共振類振動機械顯著減小。

####自激振動

自激振動中對機床切削過程的自振、低速運動部件的爬行、滑動軸承油膜震蕩、傳動帶的橫向振動、液壓隨動系統的自振等，這些對各類機械及生產過程都是一種危害，應加以控制。`利用`：蒸汽機、風鎬、鑿岩機、液壓氣動碎石機等

####不平衡慣性力

旋轉機械和往複機械產生振動的根本原因，都是由於不平衡慣性力，為減小機械振動，應採取平衡措施，有關構件不平衡力的計算和靜動平衡及各類轉子的許用不平衡量已經分別在「一般設計資料篇」和「機構篇」進行了介紹。`利用`：慣性振動機械就是依靠偏心質量同轉時所產生的離心力作為振源的。

####振動的傳遞

為減小外部振動對機械設備的影響或機械設備的振動對周圍環境的影響，可配置各類減振器，進行隔振、減振和消振。`利用`：彈性連桿式激振器就是將曲柄連桿形成的往複運動，通過連桿彈簧傳遞給振動機體的。

####非線性振動

在減振器設計時涉及到的摩擦阻尼器和粘彈性阻尼器均為非線性阻尼器。自激振動系統和衝擊振動系統也都是非線性振動系統。實際上客觀存在的振動問題幾乎都是非線性振動問題，只是某些系統的非線性特性較弱，所以作為線性問題處理。`利用`：振動利用問題幾乎都是利用振動系統的非線性工作的，例如：振動輸送類振動機等。

####衝擊振動

當機械設備或基礎收到衝擊作用時，常常需要校核系統對衝擊的響應，必要時採取隔振措施。`利用`：衝擊類振動機實際上都可以轉換為非線性振動問題加以處理。

####隨機振動

隨機振動的隔離和減振與確定性振動的隔離與減振有兩點重要區別：一是隨機振動的隔離和消減只能用數理統計的方法來解決；二是對寬頻隨機振動隔離已經失效，只能採取阻尼減振措施。

####機械結構抗振能力及雜訊

衡量機械結構抗振能力的最重要指標是動剛度，複雜結構的動剛度多採用有限單元法進行優化設計，若要提高結構的動剛度並控制雜訊源，通常是合理布置筋板和附以粘彈性阻尼材料

####振動的測試與調試

振動設計中常碰到系統阻尼係數很難確定的問題，解決這類問題唯一可靠的方法是測試，另外，由於振動設計模型忽略了許多振動影響因素，是的振動系統的實際參數與設計參數間有較大差別，特別像動力吸振器要求附加系統與主振系統的固有頻率一致性較高的一類問題，設備安裝後必須進行調試，否則振動設計將不能發揮應有的作用，對於實際經驗不豐富的設計人員，調試前，可憑藉測試對實際系統有一個充分了解，確定怎樣測試，調試後又要藉助測試實驗調試結果，因此，測試時振動設計的一個重要的工具。

###二 振動等級

A-良好 B-許可 C-可容忍 D-不允許

##機械振動基礎資料

###一 機械振動表示

###二 彈性構件的剛度

###三 阻尼係數

###四 振動系統的固有圓頻率

###五 同向簡諧振動合成

###六 各種機械產生振動的基本頻率

##線性振動

###線性振動

###非線性振動與隨機振動

##減振與隔振

###方法

1. 隔離法

2. 阻尼法

3. 動力減振法

4. 衝擊法

關鍵是阻尼的作用

###隔振器設計

主動隔振&被動隔振-隔振彈簧

一次隔振與二次隔振

`要點`：

1. 預防機身產生搖擺振動。設計中要注意激振力作用點盡量靠近機體質心，使圍繞質心的激振力矩儘可能減小；還要使圍繞質心的彈性力矩之和接近於零（變形量相同），並注意彈性支承穩定性。

2. 以壓縮彈簧支承隔振機械設備時，彈簧兩端均採用凸台式或碗式彈簧座，在彈簧形變數不夠的情況下試運轉時，可防止彈簧飛出傷人，又可為支承機械設備限制定位。

3. 如果對稱質心布置的彈簧數量較多時，每排彈簧數量儘可能採用奇數，而且彈簧的總剛度可以稍高於要求的值，這樣便於調試時在每排彈簧中增減1~2隻，既可調節彈簧的靜形變數和隔振系統的頻率比，又不影響彈簧的對稱質心分布。

4. 振動輸送、給料、振動篩等有物料作用的振動機隔振器設計，有時可在空載條件下，將頻率比選擇在2~4的範圍內，當物料壓在機體上時，其頻率比自動變高，剛好在3~5的範圍內，確保隔振器的隔振效果。

`隔振器的阻尼`：從隔振效果來看，實用最佳阻尼比為$zeta = 0.05-0.2$ 。在此範圍內，共振的振幅不會很大，隔振效果也不會降低很多。通常的隔振系統 $zeta=0.05$ ，無需專門的阻尼器，當 $zeta=0.1-0.2$ 時，最簡單的方法就是用橡膠減振器，它既是彈性元件，又是粘彈性阻尼器。

`隔振器的材料與類型`

1. 橡膠

2. 金屬彈簧

3. 空氣彈簧

4. 泡沫橡膠

5. 泡沫塑料

6. 軟木

7. 毛氈

8. 其他（包括木屑、玻璃纖維、細砂等形狀不固定的隔振材料）

`常用隔振器的類型和主要特性`

1. 平面形隔振器JP

2. 碗形隔振器JW

3. 加固形隔振器JG

4. 封閉形隔振器JF

5. 封閉形隔振器（耐油）JF-A

6. 封閉形隔振器（耐油）JF-R

7. 弧形隔振器JH

8. 剪切形隔振器JJQ

9. 三向等剛度隔振器JPD

10. 支柱形隔振器JZ

11. 支腳形隔振器JJ

12. 框架形隔振器JK

13. 襯套形隔振器JC

14. 球形隔振器JQ

15. 橡膠等頻隔振器JX

16. 空氣阻尼隔振器JQZ

17. 金屬網阻尼隔振器JWL

`設計要點`

1. 根據使用環境和條件，選用合適的橡膠

2. 注意橡膠和金屬的粘接強度，避免粘接面處的應力集中。

3. 對於剪切變形隔振器，為了提高壽命，通常在垂直剪切方向給予預壓縮，壓縮方向剛度變硬，剪切方向剛度變軟。

4. 隔振器應避免長期在受拉狀態下工作

5. 由於有阻尼就要消耗能量，這部分損失的能量就要轉換為熱能，而橡膠是熱的不良導體，為防止溫升過高影響橡膠隔振器性能，第一，橡膠隔振器不宜做得過大，其次，從結構上應採取易於散熱的措施，或選用生熱較少的天然橡膠材料。正因為橡膠隔振器能將部分能量轉換為熱能，降低了振動能量，達到減振目的，所以，常將橡膠隔振器稱為減振器。

###阻尼減振

1. 阻尼層結構

2. 線性阻尼隔振器

3. 非線性阻尼系統的隔振

###動力吸振器

###緩衝器

##機械振動的利用

振動輸送、振動分選、研磨清理、成型緊實、振動夯實、沉拔插入、振動時效、振動切削、振動加工等

振動輸送振動機與單軸慣性激振器與雙軸慣性激振器近共振類振動機

##機械振動測量技術

略