機械振動的分析

郭佳++李茂彬++周利平

摘 要：本文主要介紹了機械振動產(chǎn)生的原因和常見的振動類型，列出了控制和消除的途徑和振動的三類分析方法，最后陳述如何建立正確的的力學模型和數(shù)學模型，為后續(xù)的鏜桿仿真分析打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機械振動；控制原理；鏜削加工

0 機械振動的產(chǎn)生

在機械加工過程中，振動現(xiàn)象一直是不能忽視的問題，會影響整個加工零件的質(zhì)量，縮短刀具的使用壽命，甚至于會帶來工程災(zāi)難。但對于一些有益的振動我們就需要進行合理的利用。

引起機械振動的因素有許多，最主要的兩點原因如下[1]：

（1）機械運轉(zhuǎn)的不平衡性。機械運動一般分為往復(fù)式機械運動和回轉(zhuǎn)式機械運動。往復(fù)式運動中部件運動方向改變所產(chǎn)生的慣性沖擊導(dǎo)致振動產(chǎn)生。回轉(zhuǎn)式運動中由于機器不能完全保持平衡，引起周期性變化的干擾力，所產(chǎn)生的振動一般都具有規(guī)律性。

（2）受到外界激勵的作用。當一個系統(tǒng)受到外界激勵時，根據(jù)外界激勵是否具有確定性，其所引起的振動又可分為確定性振動和隨機振動。

1 機械振動的常見類型[2]

根據(jù)機械振動產(chǎn)生的原因，可分為三類：自由振動、受迫振動和自激振動。三種振動對加工過程的影響各不同，自由振動影響較小，而后兩者不能自然衰減，會產(chǎn)生有害的影響，需要設(shè)法進行相應(yīng)的控制。

1.1 自由振動

自由振動的發(fā)生是因為在切削加工中工藝系統(tǒng)產(chǎn)生了脈沖性干擾力。

1.2 受迫振動

受迫振動是指物體受到外界一個周期性的作用力而引起的的振動。隨著干擾力的消失振動才會停止，除了與干擾力有關(guān)，受迫振動還會受系統(tǒng)自身剛度和阻尼的影響。

1.3 自激振動

自激振動也就是切削顫振，振動系統(tǒng)在振動過程中由本身的原因激發(fā)產(chǎn)生了周期性變化的切削力，從而引起的不衰減的振動。自激振動不受外界激勵的影響，只要系統(tǒng)振動存在，自激振動就不會消失，且振動頻率等于或接近振動部件的固有頻率。

2 振動控制和消除的方法

2.1 自由振動

通過分析系統(tǒng)本身的物理特性，從而達到降低振動的目的。但自由振動是可衰減的，對機械加工不會造成大的危害，所以一般可以忽略對其的消除。

2.2 受迫振動

受迫振動是不可衰減的，對機械加工影響很大。途徑受迫振動是由于外界周期性干擾力引起的，因此減少受迫振動的途徑首先就應(yīng)先找出振源，然后采取相應(yīng)的措施進行控制。主要方法有[3]：對高轉(zhuǎn)速零件經(jīng)過平衡設(shè)置；減少或盡量消除激振力；調(diào)整系統(tǒng)的固有頻率，防止與激振力的頻率相近，避免產(chǎn)生共振。采用減振裝置和隔振措施。

2.3 自激振動

自激振動是一種頻率較高的強烈振動，同樣也不可衰減，具有持續(xù)性的特點，會產(chǎn)生加工危害，對于是必要的，需要研究如何試圖控制它。解決途徑一般從設(shè)備、工具和實際操作方面來進行，如：選擇合理的切削用量和刀具幾何角度，提高工藝系統(tǒng)的抗振性能，采用減振裝置等。

3 機械振動的分析方法

研究機械振動時，將研究對象視作一個振動系統(tǒng)，對系統(tǒng)施加的一個輸入信號稱為激勵，通過振動系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出信號稱為響應(yīng)。根據(jù)外界激勵作用下所產(chǎn)生的動態(tài)行為即響應(yīng)，分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。振動分析的研究可用圖1表示：

對振動問題的研究主要有以下三種情況[4]：根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和激勵分析系統(tǒng)的響應(yīng)，也就是系統(tǒng)動力響應(yīng)分析或動態(tài)分析，包含位移、速度、加速度、力的響應(yīng)等；已知外界的激勵和響應(yīng)地條件下求出系統(tǒng)的參數(shù)，這種情況就是當響應(yīng)不理想時，對振動系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)進行有針對性的調(diào)整；最后一種是通過系統(tǒng)的參數(shù)和響應(yīng)求外界激勵的大小。

4 振動系統(tǒng)的力學模型與數(shù)學模型

對一個動態(tài)系統(tǒng)進行分析前，要根據(jù)實際系統(tǒng)建立一個以質(zhì)量、剛度、阻尼構(gòu)成的物理模型，也就是力學模型。其次通過力學模型確定數(shù)學模型用以分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。所以，建立正確的力學簡化模型才能得到正確的分析結(jié)果，如實反映一個實際系統(tǒng)十分重要。數(shù)學模型的建立是分析問題的關(guān)鍵，通常利用微分方程來表達系統(tǒng)的動態(tài)特性，是一種反映振動系統(tǒng)的非參數(shù)模型。

5 結(jié)論分析

在鏜削過程中鏜桿多產(chǎn)生的振動主要是自由振動，但自激振動會隨著自由振動的加劇而產(chǎn)生，會存在有害的影響。由上文可知，這兩類振動是無法完全消除的，會使加工過程中產(chǎn)生一定的危害，因此需要采取措施來減小振動。當自由振動減少時，自激振動也會在隨之減少，所以對于鏜桿的減振方法，主要從被動和主動兩種減振措施進行控制。被動控制是通過在鏜桿內(nèi)部安裝減振裝置來達到效果，主動控制是在減振系統(tǒng)中加入反饋系統(tǒng)。對于長徑比較大的鏜桿就要通過被動控制措施來實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]聞邦椿，劉樹英，張純宇.機械振動學[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[2]石俊祥.受迫振動[EB].2012. http：//baike.baidu.com/view/323232.html.

[3]邵忍平.機械系統(tǒng)動力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4]韋聯(lián).減振鏜桿的動力學仿真及其參數(shù)優(yōu)化[D].成都：西華大學機械工程與自動化學院，2011.

西華大學研究生創(chuàng)新基金（ycjj2014062）

作者簡介：郭佳（1990-），女，四川成都人，研究生，研究方向：機械制造及其自動化。endprint