什么是機械振動_使用原理
什么是機械振動_使用原理
機械振動是物體或質(zhì)點在其平衡位置附近所作有規(guī)律的往復(fù)運動。那么你對機械振動了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是機械振動的內(nèi)容，希望大家喜歡!
機械振動的原理
振動的強弱用振動量來衡量，振動量可以是振動體的位移、速度或加速度。振動量如果超過允許范圍，機械設(shè)備將產(chǎn)生較大的動載荷和噪聲，從而影響其工作性能和使用壽命，嚴(yán)重時會導(dǎo)致零、部件的早期失效。例如，透平葉片因振動而產(chǎn)生的斷裂，可以引起嚴(yán)重事故。由于現(xiàn)代機械結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，運動速度日益提高，振動的危害更為突出。反之，利用振動原理工作的機械設(shè)備，則應(yīng)能產(chǎn)生預(yù)期的振動。在機械工程領(lǐng)域中，除固體振動外還有流體振動，以及固體和流體耦合的振動。空氣壓縮機的喘振，就是一種流體振動。
機械振動的特征
只有在已知機械設(shè)備的動力學(xué)模型、外部激勵和工作條件的基礎(chǔ)上，才能分析研究機械設(shè)備的動態(tài)特性。動態(tài)分析包括：①計算或測定機械設(shè)備的各階固有頻率、模態(tài)振型、剛度和阻尼等固有特性。根據(jù)固有特性可以找出產(chǎn)生振動的原因，避免共振，并為進一步動態(tài)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。②計算或測定機械設(shè)備受到激勵時有關(guān)點的位移、速度、加速度、相位、頻譜和振動的時間歷程等動態(tài)響應(yīng)，根據(jù)動態(tài)響應(yīng)考核機械設(shè)備承受振動和沖擊的能力，尋找其薄弱環(huán)節(jié)和浪費環(huán)節(jié)，為改進設(shè)計提供依據(jù)。還可建立用模態(tài)參數(shù)表示的機械系統(tǒng)的運動方程，稱為模態(tài)分析。③分析計算機械設(shè)備的動力穩(wěn)定性，確定機械設(shè)備不穩(wěn)定，即產(chǎn)生自激振動的臨界條件。保證機械設(shè)備在充分發(fā)揮其性能的條件下不產(chǎn)生自激振動，并能穩(wěn)定的工作。
機械振動的種類
最簡單的機械振動是質(zhì)點的簡諧振動。簡諧振動是隨時間按正弦函數(shù)變化的運動。這種振動可以看作是垂直平面上等速圓周運動的點在此平面內(nèi)的鉛垂軸上投影的結(jié)果。它的振動位移為
x(t)=Asinωt
式中A為振幅，即偏離平衡位置的最大值，亦即振動位移的最大值;t為時間;ω為圓頻率(正弦量頻率的2π倍)。它的振動速度為
dx/dt=ωAsin(ωt+π/2)
它的振動加速度為
d2x/dt2=ω2Asin(ωt+π)
振動也可用向量來表示。向量以等角速度ω作反時針方向旋轉(zhuǎn)，位移向量的模(向量的大小)就是振幅A,速度向量的模就是速度的幅值ωA，加速度向量的模就是加速度的幅值ω2A。速度向量比位移向量超前90°，加速度向量比位移向量超前180°。如振動開始時此質(zhì)點不在平衡位置，它的位移可用下式表示
x(t)=Asin(ωt+ψ)
式中ψ為初相位。完成一次振動所需的時間稱為周期。周期的倒數(shù)即單位時間內(nèi)的振動次數(shù)，稱為頻率。具有固定周期的振動，經(jīng)過一個周期后又回復(fù)到周期開始的狀態(tài)，這稱為周期振動。任何一個周期函數(shù)，只要滿足一定條件都可以展開成傅里葉級數(shù)。因此，可以把一個非簡諧的周期振動分解為一系列的簡諧振動。沒有固定周期的振動稱為非周期振動，例如旋轉(zhuǎn)機械在起動過程中先出現(xiàn)非周期振動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機械達到勻速轉(zhuǎn)動時才產(chǎn)生周期振動。
由質(zhì)量、剛度和阻尼各元素以一定形式組成的系統(tǒng)，稱為機械系統(tǒng)。實際的機械結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，在分析其振動問題時往往需要把它簡化為由若干個“無彈性”的質(zhì)量和“無質(zhì)量”的彈性元件所組成的力學(xué)模型，這就是一種機械系統(tǒng)，稱為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。彈性元件的特性用彈簧的剛度來表示，它是彈簧每縮短或伸長單位長度所需施加的力。例如，可將汽車的車身和前、后橋作為質(zhì)量，將板簧和輪胎作為彈性元件,將具有耗散振動能量作用的各環(huán)節(jié)作為阻尼,三者共同組成了研究汽車振動的一種機械系統(tǒng)。
單自由度系統(tǒng) 確定一個機械系統(tǒng)的運動狀態(tài)所需的獨立坐標(biāo)數(shù)，稱為系統(tǒng)的自由度數(shù)。分析一個實際機械結(jié)構(gòu)的振動特性時需要忽略某些次要因素，把它簡化為動力學(xué)模型，同時確定它的自由度數(shù)。簡化的程度取決于系統(tǒng)本身的主要特性和所要求分析計算結(jié)果的準(zhǔn)確程度，最后再經(jīng)過實測來檢驗簡化結(jié)果是否正確。最簡單的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)是單自由度系統(tǒng)，它是由一個彈簧和一個質(zhì)量組成的系統(tǒng)，只用一個獨立坐標(biāo)就能確定其運動狀態(tài)。根據(jù)具體情況，可以選取線位移作為獨立坐標(biāo)，也可以選取角位移作為獨立坐標(biāo)。以線位移為獨立坐標(biāo)的系統(tǒng)的振動，稱為直線振動。以扭轉(zhuǎn)角位移為獨立坐標(biāo)的系統(tǒng)的振動，稱為扭轉(zhuǎn)振動。
多自由度系統(tǒng) 不少實際工程振動問題，往往需要把它簡化成兩個或兩個以上自由度的多自由度系統(tǒng)。例如，只研究汽車垂直方向的上下振動時，可簡化為以線位移描述其運動的單自由度系統(tǒng)。而當(dāng)研究汽車上下振動和前后擺動時，則應(yīng)簡化為以線位移和角位移同時描述其運動的2自由度系統(tǒng)。2自由度系統(tǒng)一般具有兩個不同數(shù)值的固有頻率。當(dāng)系統(tǒng)按其中任一固有頻率自由振動時，稱為主振動。系統(tǒng)作主振動時，整個系統(tǒng)具有確定的振動形態(tài),稱為主振型。主振型和固有頻率一樣,只決定于系統(tǒng)本身的物理性質(zhì)，與初始條件無關(guān)。多自由度系統(tǒng)具有多個固有頻率，最低的固有頻率稱為第一階固有頻率，簡稱基頻。研究梁的橫向振動時，就要用梁上無限多個橫截面在每個瞬時的運動狀態(tài)來描述梁的運動規(guī)律。因此，一根梁就是一個無限多個自由度的系統(tǒng)，也稱連續(xù)系統(tǒng)。弦、桿、膜、板、殼的質(zhì)量和剛度與梁相同，具有分布的性質(zhì)。因此，它們都是具有無限多個自由度的連續(xù)系統(tǒng)，也稱分布系統(tǒng)。
機械振動有不同的分類方法。按產(chǎn)生振動的原因可分為自由振動、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。
自由振動
去掉激勵或約束之后，機械系統(tǒng)所出現(xiàn)的振動。振動只靠其彈性恢復(fù)力來維持，當(dāng)有阻尼時振動便逐漸衰減。自由振動的頻率只決定于系統(tǒng)本身的物理性質(zhì)，稱為系統(tǒng)的固有頻率。
受迫振動
機械系統(tǒng)受外界持續(xù)激勵所產(chǎn)生的振動。
簡諧激勵是最簡單的持續(xù)激勵。受迫振動包含瞬態(tài)振動和穩(wěn)態(tài)振動。在振動開始一段時間內(nèi)所出現(xiàn)的隨時間變化的振動，稱為瞬態(tài)振動。經(jīng)過短暫時間后，瞬態(tài)振動即消失。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，激振器開動短暫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(dāng)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)計和使用機械時必須防止共振。例如，為了確保旋轉(zhuǎn)機械安全運轉(zhuǎn)，軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)處于其各階臨界轉(zhuǎn)速的一定范圍之外。
自激振動
在非線性振動中，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)節(jié)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)節(jié)環(huán)節(jié)所控制。振動一停止,此交變力也隨之消失。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、鐘表擺的擺動和琴弦的振動都屬于自激振動。
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