第十三章 机械振动及隔振

第十三章机械振动及隔振

基本要求：要求掌握机械振动的基本概念和回转机械的横向振动、扭转振动临界转速初步计算方法、熟悉机械的动力模型建立的基本方法和机械振动隔离技术。

§13－1 概述

一、机械中的振动问题

早期的机械原理中，把物体看作刚体，机械动力学问题相对比较简单。实际上，由于考虑构件具有弹性和机械中具有弹性元件(如弹簧等)，使在机械运转速度较高和对机械工作精度要求较高的场合下，必须考虑机械的弹性振动问题。近年来考虑构件有弹性的机械动力学研究已有迅速发展，如齿轮机构动力学、凸轮机构动力学、弹性连杆机构动力学和机械系统动力学等等。弹性构件机械动力学是研究机械振动特性的一个重要学科分文，它的基础是机械振动理论。

二、机械振动的类别

1．回转机械振动的种类

1）转轴的横向振动：转轴的弯曲所产生的振动，即垂直于轴线方向的振动。

2）转轴的扭转振动：转轴的扭转所产生的振动，亦即绕轴线的振动。

3）转轴的纵向振动：转轴沿轴线方向的振动，这类振动往往较少产生。

2．按机械振动系统的自由度分类

1）单自由度振动系统：确定系统在振动过程中任何瞬时的几何位置只需要一个独立坐标的振动。

2）多自由度振动系统：确定系统在振动过程中任何瞬时的几何位置需要多个独立参数。3．按产生机械振动的原因分类

1）自由振动：当系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力来维持的振动。它的频率为系统的固有频率。自由振动按阻尼存在与否分为有阻尼自由振动和无阻尼自由振动。

2）受迫振动：在外界激振力的持续作用下，系统被迫产生的振动。它的频率为外界激振力的频率。

三、引起机械振动的原因

1．运转机械的不平衡

从运动特点，机械一般可分为回转式和非回转式。对于回转机械，如泵、电机的静、动平衡比较容易做到。对于非回转式机械，如内燃机、冲压机等的完全平衡是比较困难的。因此使机器运转时由于不平衡引起周期性于扰力，其引起的机械振动的频率常等于机械的转数或其倍数。

2．作用在机械上的外载荷的变化

作用在机械的某些构件上的外力或外转矩的不均匀会引起横向振动或扭转振动。

3．高副机构高副形状误差引起的

齿轮的齿形误差引起变化的动力，引起扭转振动。凸轮表面的误差也会引起附加动力变化、引起机构的振动。

4．机器周围的冲压设备引起的冲击力振动

由于冲压设备，如冲床、锻床产生的冲击力使机器引起振动。

四、机械振动的利与弊

1．机械振动的弊端

1）影响机器设备的工作性能、使用寿命、操作人员的正常工作。

2）造成机械结构的损坏，持别是处于共振条件下的机器，常常会造成机毁人亡的严重后果。

3）机械振动还会影响到所在的飞机、宇航器及舰船的寿命及其战斗技术性能，乃至影响到人员的健康和安全。

4）引起机械的噪声和引发建筑结构等的结构噪声，使整幢大楼、整个飞机和船舰不得安宁。

2．机械振动的利用

1）利用持续的振动可以设计出各种各样的机械设备，如振动筛、振动上料机、振动夯实机、振动试验台、振动式按摩机等。

2）利用机械振动和噪声信号进行机器运行状态的监测与诊断，为工矿企业设备现代化管理服务。

五、减小及控制振动的方法

1．减小扰动——减小或消除振动源的激励

包括改善机器内部平衡；修改或重新设计机器结构以减小振动；改进和提高制造质量：减小外载荷的变化幅值；对薄壁结构采取必要的阻尼措施等。

2．防止共振——防止或减小设备、结构对振动的响应

包括改变振动系统的固有频率；改变振动系统的扰动频率；装设辅助性的质量弹簧系统；增加阻尼以增加能量逸散降低共振振幅等。

3．采取隔振措施——减小或隔离振动的传递

（1）隔离振源－积极隔振

（2）隔离响应－消极隔振

这两类隔振的概念虽然不同，但实施的方法却是一样的，是通过在机器（或仪器设备）和机座间装设隔振器作为弹性支承来实现的。

§13－3 转轴的横向振动

一、单圆盘转轴的横向振动及其临界速度

二、多圆盘转轴的横向振动及其临界速度

§13－3 转轴的扭转振动

一、带有两圆盘转轴的扭转振动机器临界转速

二、带有三个圆盘的转轴的扭转振动及其临界转速

§13－4 机械系统振动模型建立的基本原则

一、实际机械的简化原则

对实际机械系统进行简化的主要内容和方法如下：

1．系统中各特性参数分布规律的简化

机械中每个构件的质量、刚度是离散的（连续分布的），为了计算可以把它们用集中质量和刚度来代替。

2．系统中各个特性参数的线性化

所谓线性化就是假定弹性力与位移成线性关系；阻尼力与速度成线性关系；惯性力与加速度成线性关系。线性化了的振动模型的数学方程式可以大大简化。

3．系统中质量和刚度的等效

为了使复杂的机械系统简化成简单的机械系统，可以应用动力等效的原理，将若干个质量（或转动惯量）等效成为一个等效质量（或等效转动质量）。当然此时的激振力也要等效成作用在等效质量上的激励。

4．忽略系统动态响应中次要的因素

在机械系统中阻尼较小时，如果只是求系统的固有频率或者远离共振区的强迫振动的振幅，那么可以忽略阻尼的作用，但是要求系统的共振振幅时，阻尼则是不能忽略的。又如，机械系统中产生不同方向的振动，则可以忽略那些振动微小或对解决问题影响很小的那些方向的振动(即使振动较大，但此方向刚性很大)。这样可以减少机械系统的振动自由度数，使计算大为简化。

二、质量、刚度和阻尼的等效

1．质量的等效

2．刚度的等效

3．线性粘性阻尼的等效

三、机械系统振动模型建立的举例

§13－5 机械系统的隔振和消振

一、单自由度的隔振系统

1．主动隔振

对于本身是振源的设备，为了减小它们对周围其它设备的影响，将它们与地基（或支承）隔离开来。这种将振源进行隔离，防止振动传递开去的隔振称为主动隔振。

2．被动隔振

对于需要隔振的设备，为了减小周围振源对它的影响，需要将它与整个地基（或支承）隔离开来。这种将设备进行隔离，防止周围振源传给设备的隔振称为被动隔振。

3．幅频响应曲线

4．隔振设计步骤

二、动力减振

动力减振方法是在防振设备上附加一个辅助系统以改变其振动状态，使防振设备的受迫振动被辅助系统所吸收，从而达到减振的目的。

1．弹簧式单质量惯性动力减振器

2．滚动式惯性动力减振器