机械振动是系统在某一位置(通常是静平衡位置,简称平衡位置)附近所作的往复运动。振动的强弱用振动量来衡量,振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。
特征
只有在已知机械设备的动力学模型、外部激励和工作条件的基础上,才能分析研究机械设备的动态特性。动态分析包括:①计算或测定机械设备的各阶固有频率、模态振型、刚度和阻尼等
固有特性。根据固有特性可以找出产生振动的原因,避免共振,并为进一步动态分析提供基础数据。②计算或测定机械设备受到激励时有关点的位移、速度、加速度、相位、频谱和振动的时间历程等动态响应,根据动态响应考核机械设备承受振动和冲击的能力,寻找其薄弱环节和浪费环节,为改进设计提供依据。还可建立用模态参数表示的机械系统的运动方程,称为模态分析。③分析计算机械设备的动力稳定性,确定机械设备不稳定,即产生自激振动的临界条件。保证机械设备在充分发挥其性能的条件下不产生自激振动,并能稳定的工作。
种类
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。
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。
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。
振动测试
自从应用机械阻抗、系统识别和模态分析等技术以来,人们已成功地解决了许多复杂的振动问题。在已知激励的情况下,设计系统的振动特性,使它的响应满足所需要求,称为振动设计。在已知系统的激励和响应的条件下研究系统的特性,即用实验数据与数学分析相结合的方法确定振动系统的数学模型,称为系统识别。
若已知机械结构运动方程的一般形式,系统识别则简化为参数识别。参数识别可以在频域内进行,也可以在时域内进行,有的则需要在频域和时域内同时进行。在已知系统的特性和响应的条件下研究激励,称为环境预测。振动设计、系统识别和环境预测三者可以概括为现代振动研究的基本内容。在机械工程领域内,为确保机械设备安全可靠地运行,机械结构的振动监控和诊断也引起人们的重视。在研究方法上,振动测试是与理论分析计算结合采用的。
防振措施
设计机械设备时,应周密地考虑所设计的对象会出现何种振动:是线性振动还是非线性振动;振动的程度;把振动量控制在允许范围内的方法。这是决定设计方案时需要解决的问题。已有的机械设备出现超过允许范围的振动时,需要采取减振措施。为了减小机械设备本身的振动,可配置各类减振器。为减小机械设备振动对周围环境的影响,或减小周围环境的振动对机械设备的影响,可采取隔振措施。
系统受到瞬态激励时,它的力、位移、速度、加速度发生突然变化的现象,称为冲击。一般机械设备经受得起微弱的冲击,但经受不起强烈的冲击。为了保护机械设备不致于受强烈冲击而破坏,可采取缓冲措施,以减轻冲击的影响。如飞机着落时,轮胎、起落架和缓冲支柱等分别承受和吸收一部分冲击能量,借以保护飞机安全着陆。减小机械噪声的根本途径主要在于控制噪声源的振动,在需要的场合,也可配置消声器。
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