实际生活中的机械振动以及利用有益的振动

实际生活中的机械振动以及利用有益的振动陈欣20110238（一）实际生活中的机械振动振动是日常生活和工程实际中普遍存在的一种现象。实际上，人类就生活在振动的世界里，地面上的车辆、空气中的飞行器、海洋中的船舶等都在不断振动着。房屋建筑、桥梁水坝等在受到激励后也会发生振动。就连茫茫的宇宙中，也到处存在着各种形式的振动，如风、雨、雷、电等随时间不断变化，从广义的角度来解释，就是特殊形式的振动（或波动），而电磁波不停地在以振动的方式发射和传播。就人类的身体来说，心脏的跳动、肺叶的摆动、血液的循环、胃肠的蠕动、脑电的波动、肌肉的搐动、耳膜的振动和声带的振动等，在某种意义上来说也是一种振动，就连组成人类自身的原子，也都在振动着。所谓机械振动，是指物体（或物体系）在平衡位置（或平均位置）附近来回往复运动。在机械振动过程中，表示物体运动特征的某些物理量（如位移，速度，加速度等）将时而增大、时而减小地反复变化。在工程实际中，机械振动是非常普遍的，钟表的摆动、车厢的晃动、桥梁与房屋的振动、飞行器与船舶的振动、机床与刀具的振动、各种动力机械的振动等，都是机械振动。工程中有大量的振动问题需要人们研究、分析和处理，特别是近代机器结构正向大功率、高速度、高精度、轻型化、大型化和微型化等方向发展，振动问题也就越来越突出，因此掌握振动规律就显得十分重要了。只有掌握了振动规律和特征以后，才能有效地利用振动的有益方面并限制振动的有害方面。（二）利用有益的振动在日常生活中，人们往往只看到了振动带了的危害。例如，运载工具的振动会使乘客感到不舒服；环境噪声使人烦躁不安；共振及次谐波共振会引起机械设备、桥梁结构及飞机的破坏；地震使人民的生命财产遭受巨大的损失。对于有害振动来说，往往需要采取有效措施对振动加以限制以至消除。但是振动并非都是有害的，在许多方面合理地利用振动也能给人类造福，改善人民的生活。例如，拨动琴弦能发出美妙动人的乐章，使人心旷神怡；在医疗方面，利用超声波能够诊断、治疗疾病；在土建工程中，振动打桩、振动拨桩以及混凝土灌注时的振动捣固等能够提高工作效率；在电子和通信工程方面，录音机、电视机、收音机、程控电话等诸多电子元件以及电子计时装置和通信系统使用的谐振器等都是由于振动才有效地工作的；在工程地质方面，利用超声波进行检测、地质勘探和油水混合及油水分离；在石油开采上，还可以利用振动提高石油产量；海洋工程方面，海浪波动的能量可以用来发电；在许多工矿企业，可以利用振动完成许多工艺过程，或用来提高某些机器的工作效率。近40多年来，应用振动原理而工作的机器（振动机械）得到了迅速发展。据不完全统计，目前已用于工业生产中的振动机有百余种之多。例如，振动给料机、振动输送机、振动整形机、振动筛、振动离心脱水机、振动干燥机、振动冷却机、振动球磨机、振动光饰机、动平衡试验机和振动破碎机、振动压路机、振动摊铺机、振动冷冻机、仓壁振动器、振动夯土机、振捣器、振动沉拨桩机和各种形式的激振器等，这些振动机械在各个工业部门已发挥了重要作用。目前国内外科技工作者正在努力从事振动利用工程方面的研究，并已在振动利用工程学科取得了一系列的研究成果，促进了该学科的形成与进一步发展。（三）振动设备及相关技术的应用与发展线性和非线性振动、线性和非线性随机振动等的利用技术多数是通过能产生振动的机械设备或仪器，即振动机械或振动仪器来完成的，振动机械或振动仪器作为一种特殊的设备或装置已在工程实际中得到广泛的应用。振动机械或仪器有着广泛的用途，例如给料和输送、筛分和烘干、破碎和清理、成型和压实、振捣和打拨、试验和测示、检测和诊断以及其他用途等。据初步统计，振动机械和仪器的用途已达百余种，这些机械和仪器在工业、农业、国防以及人类生活的各个方面发挥着重要的作用。随着科学技术的发展，利用振动的新工艺不断出现，下面举出若干应用实例：1.振动筛分原理振动筛主要分为直线振动筛、圆振动筛。振动筛采用偏心激振器及偏心块调节振幅，振动筛工作时，两电机同步反向旋转使激振器产生激振力，迫使筛体带动筛网运动，使筛网上的物料受激振力作用而周期性的运动，从而完成物料筛分工作。可以供矿山、煤炭、冶炼、建材、电力、轻工及化工等行业作产品分级用。2.振动干燥工艺干燥是工业生产中的一个复杂的工艺过程，该种工艺是近20年来振动利用发展的一项技术。振动流化床是在普通流化床基础上发展起来的，床层除受干燥气流作用外，再附加以振幅和频率的振动，使得机内物料处于悬浮沸腾的流化状态，利用对流、传导或辐射加热即可进行振动流化干燥作业。振动流化干燥机有多种型式，惯性式振动干燥机在实际应用中最为普遍。3.振动破碎机的应用物料破碎是工矿企业应用比较广泛的一种工艺过程，大部分开采出的矿物原料都需要进行破碎和磨碎。传统破碎机的破碎方法存在着很大的局限性，例如物料的抗压强度极限到达2X108Pa时，破碎过程耗能较高，或难以破碎，或使物料过磨，所用设备也很复杂。振动破碎工艺的发展克服了传统工艺的缺点，惯性振动圆锥破碎机利用偏心块产生的离心力来破碎矿石或其他物料，利用挤压和冲击，使物料破碎。惯性振动圆锥破碎机的破碎比远大于普通圆锥破碎机，而且可在很大范围内调节，在中细碎作业中，有着广泛的应用前景。4.振动摊铺及振动压路振动摊铺机和振动压路机是筑路作业中的关键设备，是振动在筑路工程中的典型应用实例。振动摊铺机的工作过程是：先将物料撒布在整个宽度上，利用熨平机构的激振器对被摊铺物料进行压实。振动系统决定了对于物料摊铺的工作效率和密实效果，是决定摊铺质量的关键系统之一。振动压路机是依靠高速旋转的偏心块产生离心力，使振动碾做强迫振动压实路面。装在连接板的驱动马达，带动偏心轴高速旋转产生离心力使振动碾运动。装在偏心轴上的调幅装置用于改变振动的振幅。由于在压路机中引入振动，使路面的密实度由90%提高到95%以上，进而显著提高其工作质量与使用寿命，这在筑路作业中具有十分重要的意义。5.振动成型与整形工艺利用振动对金属材料或松散物料进行成型（包括塑性加工）较之静力情况下成型可显著降低能耗、提高成形工件的质量。试验指出，在金属材料塑性加工过程中引入振动，可以降低能耗、提高工效与工件质量。振动整形就是通过振动的方式强制性地将料袋形成规整的形状，以利于存放或装运。振动整形机广泛应用于化工、食品等工业部门。其工作原理是：当输送机将料袋送入整形机梯形槽体，整形机槽体在激振器作用下发生振动，冲击整形板，从而达到使料袋平整的目的。6.振动时效工艺及应用用振动时效可在一定程度上消除金属构件的内部残余应力、稳定工件加工后的尺寸和形状，目前已被国内外广泛采用。振动时效就是通过对工件施加周期性应力，迫使工件在其共振频率范围内产生振动。这种周期性应力反复推动金属内部结构中的金属原子错位和晶格滑移，使内应力松弛和均化。振动时效设备，一般包括激振装置、测试装置和动应力控制装置。同热时效相比，振动时效具有易于操作、减少运输、缩短生产周期和节约能源等优点，是一种值得推广应用的节能工艺。7.振动诊断技术与振动测试工艺利用振动信号的不同特征可以对机械和结构的故障进行诊断，利用模糊理论、灰色理论或神经网络等方法对振动信号进行分析与诊断，在工业企业中得到了广泛应用。利用振动原理对机械系统的振动位移、速度和加速进行测试，从而判断机械系统的健康状态是一种简便和有效的方法。8.以振动原理进行体育与健身活动的仪器和设备机械式振动按摩器可归为这一类。机械式振动按摩器等不同形式的健身与体育设备也是利用振动的设备，目前已成为人们不可或缺的健身器具。9.机械式医疗仪器、设备与器具人造心脏与心脏起搏器都是利用振动原理研究成功的医疗器具范例。（四）非线性振动利用技术的应用与发展在前面列举的振动机械与仪器中，按其线性和非线性的特性可分为线性或拟线性（近似于线性）及非线性两大类。在非线性振动机械和仪器设备中，有一部分是为了获得良好的工效有意识地采用系统的非线性特性，另有一部分则是在工作过程中自然存在的非线性性质。目前非线性振动系统或非线性振动特性的利用技术得到了迅猛的发展，其具体内容可做以下简单介绍。1.具有分段摩擦或具有冲击和分段惯性力振动系统的利用在振动机械中，为了使机体中的物料对机体产生相对于运动，即产生相对滑动或跳动，就必须使振动机的系统中产生分量的惯性力（抛掷运动），这是保证振动机械实现正常工作的必要条件。这类振动机械有振动给料机、振动输送机、振动筛、振动离心脱水机和振动冷却机等。2.光滑非线性振动系统的利用摩擦摆在正常工作区间，属于光滑非线性的振动系统。利用摩擦摆可以测定轴套与轴销间的摩擦系数，常用的有两种方法，第一种方法直接利用复摆摆角每一振动周期的衰减值算出摩擦系数的大小；第二种方法利用摆的工作原理对摩擦系数进行测量与计算。后一种方法更为准确。对于一些在共振情况下工作的振动机械，往往存在振幅不稳定的缺点，例如，电磁振动给料机、近共振型振动输送机和共振筛等。振幅不稳定会给机械的工作性能带来不良影响，为了消除前述缺点，可以采用具有光滑硬式非线性恢复力的振动系统。为了消除一般电磁振动给料机振幅不稳定的缺点，有的科技工作者提出，将主共振板弹簧的两端固结处做成带有曲线的形式，随着振幅的增大，板弹簧的工作长度将变短，因此，弹簧刚度将随振幅的增大而增加，从而可以增大该类振动机振幅的稳定性。此外，硬式光滑非线性振动系统，也可以用于车辆的隔振，由于车辆的负载时常变化，为了使车辆在负载变化情况下其固有频率不发生明显的改变，可以将隔振弹簧做成硬式光滑非线性的形式。此外，光滑非线性还有其他一些应用。3.分段线性非线性振动系统的利用分段线性非线性系统在工程中得到了十分广泛的应用，在振动机械中这种形式的非线性系统应用十分普遍，如分段线性的非线性振动输送机、非线性共振筛、非线性振动离心脱水机、振动摇床和振动离心摇床等。分段线性非线性振动系统通常包括以下三种形式：（1）用全对称与不对称的硬式分段线性非线性振动系统。（2）对称与不对称的软式分段线性非线性系统。（3）复合或复杂形式的分段线性非线性系统。由于该种非线性振动系统具有若干优点，目前在工程中仍处于不断的推广之中，预计今后还会得到进一步的发展。4.非线性滞回系统的利用具有弹塑性变形的振动系统属于这类振动系统。例如，振动成型机、振动压路机、振动夯土机、振动沉拨桩机等一些振动机械，其振动系统都属于带有滞回恢复力的非线性振动系统。为了使振动成型或振动压实过程能有效地进行，塑性变形是不可缺少的，而且必须尽可能地加大滞回曲线中的面积。在工程中这种振动系统普遍存在。这类振动系统中大体可有以下多种形式：（1）含对称的平行四边形的滞回恢复力的非线性振动系统。（2）含光滑封闭曲线的滞回恢复力的非线性振动系统。（3）不对称滞回恢复力的振动系统。（4）带有间隙的滞回恢复力的振动系统。此外，振动在波动与波能利用技术、电磁光的振荡器中的应用与发展，以及共振理论，自然界中的振动现象与规律，“同步运动”理论和人类社会中的振动现象与规律（股票的涨跌、经济的发展规律、人类的繁殖过程等）的应用和发展也是十分的普遍。振动利用工程已经在各技术领域和产业部门得到了十分广泛的应用。近40年来，振动与波动的原理和技术得到了迅速的发展、推广和应用，促进了该学科的蓬勃发展，这使振动利用工程学的内涵更加丰富、更加充实。振动在国民经济中的应用越来越广泛，涉及面很广，并日益受到了人们的重视。振动利用的实例很多，这里不再一一枚举。振动利用的发展充实了振动工程学科的内涵，说明人们已经由认识振动发展到利用振动来改造世界、改善生活、创造价值，这是一个非常重要的转变，它将给振动利用工程带来一个美好的前景。