机械振动的控制与利用

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一 机械振动的分类及工程中的振动问题

1. 按产生振动的原因分类-自由振动、受迫振动、自激振动

2. 按振动随时间的变化规律-简谐振动、非简谐振动、随机振动

3. 按振动系统结构参数-线性振动、非线性振动

4. 按振动系统的自由度数目-单自由度系统的振动、多自由度系统的振动、连续系统的振动

5. 按振动形式-纵向直线振动、横向直线振动、扭转振动、摆动

**常见振动问题**

####共振

当外部激振力的频率和系统的固有频率接近时，系统将产生强烈的振动。`措施`：隔振系统和回转轴系统应使其工作频率和工作转速在各阶临界转速的一定范围外。尽管如此，机械系统在启动和停机的时候仍然要通过共振区，必要时需采取抑制共振的减振、消振措施。`利用`：在近共振状态下工作的振动机械，就是利用弹性力和惯性力基本接近于平衡以及外部激振力主要用于平衡阻尼力的原理来工作的，因而所需要的激振力和功率较非共振类振动机械显著减小。

####自激振动

自激振动中对机床切削过程的自振、低速运动部件的爬行、滑动轴承油膜震荡、传动带的横向振动、液压随动系统的自振等，这些对各类机械及生产过程都是一种危害，应加以控制。`利用`：蒸汽机、风镐、凿岩机、液压气动碎石机等

####不平衡惯性力

旋转机械和往复机械产生振动的根本原因，都是由于不平衡惯性力，为减小机械振动，应采取平衡措施，有关构件不平衡力的计算和静动平衡及各类转子的许用不平衡量已经分别在“一般设计资料篇”和“机构篇”进行了介绍。`利用`：惯性振动机械就是依靠偏心质量同转时所产生的离心力作为振源的。

####振动的传递

为减小外部振动对机械设备的影响或机械设备的振动对周围环境的影响，可配置各类减振器，进行隔振、减振和消振。`利用`：弹性连杆式激振器就是将曲柄连杆形成的往复运动，通过连杆弹簧传递给振动机体的。

####非线性振动

在减振器设计时涉及到的摩擦阻尼器和粘弹性阻尼器均为非线性阻尼器。自激振动系统和冲击振动系统也都是非线性振动系统。实际上客观存在的振动问题几乎都是非线性振动问题，只是某些系统的非线性特性较弱，所以作为线性问题处理。`利用`：振动利用问题几乎都是利用振动系统的非线性工作的，例如：振动输送类振动机等。

####冲击振动

当机械设备或基础收到冲击作用时，常常需要校核系统对冲击的响应，必要时采取隔振措施。`利用`：冲击类振动机实际上都可以转换为非线性振动问题加以处理。

####随机振动

随机振动的隔离和减振与确定性振动的隔离与减振有两点重要区别：一是随机振动的隔离和消减只能用数理统计的方法来解决；二是对宽带随机振动隔离已经失效，只能采取阻尼减振措施。

####机械结构抗振能力及噪声

衡量机械结构抗振能力的最重要指标是动刚度，复杂结构的动刚度多采用有限单元法进行优化设计，若要提高结构的动刚度并控制噪声源，通常是合理布置筋板和附以粘弹性阻尼材料

####振动的测试与调试

振动设计中常碰到系统阻尼系数很难确定的问题，解决这类问题唯一可靠的方法是测试，另外，由于振动设计模型忽略了许多振动影响因素，是的振动系统的实际参数与设计参数间有较大差别，特别像动力吸振器要求附加系统与主振系统的固有频率一致性较高的一类问题，设备安装后必须进行调试，否则振动设计将不能发挥应有的作用，对于实际经验不丰富的设计人员，调试前，可凭借测试对实际系统有一个充分了解，确定怎样测试，调试后又要借助测试实验调试结果，因此，测试时振动设计的一个重要的工具。

###二 振动等级

A-良好  B-许可  C-可容忍  D-不允许

##机械振动基础资料

###一 机械振动表示

###二 弹性构件的刚度

###三 阻尼系数

###四 振动系统的固有圆频率

###五 同向简谐振动合成

###六 各种机械产生振动的基本频率

##线性振动

###线性振动

###非线性振动与随机振动

##减振与隔振

###方法

1. 隔离法

2. 阻尼法

3. 动力减振法

4. 冲击法

关键是阻尼的作用

###隔振器设计

主动隔振&被动隔振-隔振弹簧

一次隔振与二次隔振

`要点`：

1. 预防机身产生摇摆振动。设计中要注意激振力作用点尽量靠近机体质心，使围绕质心的激振力矩尽可能减小；还要使围绕质心的弹性力矩之和接近于零（变形量相同），并注意弹性支承稳定性。

2. 以压缩弹簧支承隔振机械设备时，弹簧两端均采用凸台式或碗式弹簧座，在弹簧形变量不够的情况下试运转时，可防止弹簧飞出伤人，又可为支承机械设备限制定位。

3. 如果对称质心布置的弹簧数量较多时，每排弹簧数量尽可能采用奇数，而且弹簧的总刚度可以稍高于要求的值，这样便于调试时在每排弹簧中增减1~2只，既可调节弹簧的静形变量和隔振系统的频率比，又不影响弹簧的对称质心分布。

4. 振动输送、给料、振动筛等有物料作用的振动机隔振器设计，有时可在空载条件下，将频率比选择在2~4的范围内，当物料压在机体上时，其频率比自动变高，刚好在3~5的范围内，确保隔振器的隔振效果。

`隔振器的阻尼`：从隔振效果来看，实用最佳阻尼比为$\zeta = 0.05-0.2$ 。在此范围内，共振的振幅不会很大，隔振效果也不会降低很多。通常的隔振系统 $\zeta=0.05$ ，无需专门的阻尼器，当 $\zeta=0.1-0.2$ 时，最简单的方法就是用橡胶减振器，它既是弹性元件，又是粘弹性阻尼器。

`隔振器的材料与类型`

1. 橡胶

2. 金属弹簧

3. 空气弹簧

4. 泡沫橡胶

5. 泡沫塑料

6. 软木

7. 毛毡

8. 其他（包括木屑、玻璃纤维、细砂等形状不固定的隔振材料）

`常用隔振器的类型和主要特性`

1. 平面形隔振器JP

2. 碗形隔振器JW

3. 加固形隔振器JG

4. 封闭形隔振器JF

5. 封闭形隔振器（耐油）JF-A

6. 封闭形隔振器（耐油）JF-R

7. 弧形隔振器JH

8. 剪切形隔振器JJQ

9. 三向等刚度隔振器JPD

10. 支柱形隔振器JZ

11. 支脚形隔振器JJ

12. 框架形隔振器JK

13. 衬套形隔振器JC

14. 球形隔振器JQ

15. 橡胶等频隔振器JX

16. 空气阻尼隔振器JQZ

17. 金属网阻尼隔振器JWL

`设计要点`

1. 根据使用环境和条件，选用合适的橡胶

2. 注意橡胶和金属的粘接强度，避免粘接面处的应力集中。

3. 对于剪切变形隔振器，为了提高寿命，通常在垂直剪切方向给予预压缩，压缩方向刚度变硬，剪切方向刚度变软。

4. 隔振器应避免长期在受拉状态下工作

5. 由于有阻尼就要消耗能量，这部分损失的能量就要转换为热能，而橡胶是热的不良导体，为防止温升过高影响橡胶隔振器性能，第一，橡胶隔振器不宜做得过大，其次，从结构上应采取易于散热的措施，或选用生热较少的天然橡胶材料。正因为橡胶隔振器能将部分能量转换为热能，降低了振动能量，达到减振目的，所以，常将橡胶隔振器称为减振器。

###阻尼减振

1. 阻尼层结构

2. 线性阻尼隔振器

3. 非线性阻尼系统的隔振

###动力吸振器

###缓冲器

##机械振动的利用

振动输送、振动分选、研磨清理、成型紧实、振动夯实、沉拔插入、振动时效、振动切削、振动加工等

振动输送振动机与单轴惯性激振器与双轴惯性激振器近共振类振动机

##机械振动测量技术

略