淺談?wù)駝?dòng)形成的原因與控制

摘要：公司在對各型機(jī)車進(jìn)行廠修試驗(yàn)過程中，會(huì)發(fā)生多種型成的振動(dòng)質(zhì)量問題，現(xiàn)對形成各種振動(dòng)基理進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)知識；控制理論；標(biāo)準(zhǔn)選??；機(jī)車；處理控制

1振動(dòng)研究的基本內(nèi)容

振動(dòng)泛指物體在某一個(gè)位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)是一種常見的力學(xué)現(xiàn)象，任何物體在激勵(lì)的作用下就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。引起機(jī)械或者某一結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因有多種；旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的不平衡分布，傳動(dòng)裝置中齒輪的加工誤差，軸承的缺陷和不良。由于震動(dòng)，機(jī)器和機(jī)構(gòu)會(huì)受到反復(fù)作用的動(dòng)載荷，會(huì)降低其使用壽命。機(jī)車的震動(dòng)會(huì)引起管路開裂、電氣故障，還會(huì)影響司機(jī)對機(jī)車的操控。

2振動(dòng)的控制理論

2.1振動(dòng)源

機(jī)械沖擊常常出現(xiàn)在多種機(jī)械設(shè)備的工作過程中。如內(nèi)燃機(jī)缸體內(nèi)燃燒氣體時(shí)對活塞的沖擊力。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械式各種動(dòng)力機(jī)械中最主要的振動(dòng)源。如嚙合的齒輪或選齒在傳動(dòng)時(shí)，由于相互的磁撞或摩擦激起齒輪體振動(dòng)，成為振動(dòng)源；機(jī)械做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不平衡離心力時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要的振動(dòng)源；不平衡引起轉(zhuǎn)子的撓曲和內(nèi)應(yīng)力也是機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)。

往復(fù)式機(jī)械，如柴油機(jī)、往復(fù)式空氣壓縮機(jī)組的曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無法達(dá)到完全平衡，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)總存在周期性的擾動(dòng)力。特別是缸數(shù)少的柴油機(jī)，氣缸內(nèi)的壓力不是完全的正弦形式，同時(shí)在活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲柄銷等部位會(huì)出現(xiàn)和轉(zhuǎn)速相關(guān)的周期慣性力，使其為各種機(jī)械設(shè)備的主要振動(dòng)源。

流體激勵(lì)是工程中常見的激勵(lì)形式，如熱交換器管道，主滑油進(jìn)出油管受到湍流激勵(lì)的振動(dòng)，造成機(jī)車局部區(qū)域、車架地板的振動(dòng)。

2.2振動(dòng)的危害和容許標(biāo)準(zhǔn)

人和機(jī)械所承受的振動(dòng)往往含有多種頻率成分，單一頻率的情況是很少的。一般來說，人能承受的全身振動(dòng)最低的頻率是4〉8HZ，在不同頻率的振動(dòng)情況下。對人體危害的表現(xiàn)也不同，視覺模糊2〉20HZ。司機(jī)室的異常振動(dòng)式機(jī)車運(yùn)動(dòng)部件因各種原因?qū)е碌募畜w現(xiàn)。在實(shí)際測定中，司機(jī)室的振動(dòng)均以操縱臺(tái)的振動(dòng)烈度作為司機(jī)室是否振動(dòng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，在鐵標(biāo)中，操縱臺(tái)屬于Ⅲ類。內(nèi)燃機(jī)車振動(dòng)烈度分為：A良好工作狀態(tài)、B正常工作狀態(tài)、C容許工作狀態(tài)、D不容許工作狀態(tài)四個(gè)等級。

2.3振動(dòng)控制方法

振動(dòng)控制三要素：震源、傳遞途徑和受控對象。對振動(dòng)控制其實(shí)就是對這三要素進(jìn)行相應(yīng)的控制。

消振：消除或減弱振動(dòng)源，是解決異常振動(dòng)的治本的方法。

隔振：消除或減弱振動(dòng)沿著振動(dòng)路徑傳遞中的能量。按照振動(dòng)能量傳遞方式，又將隔振分為積極隔振和消除隔振。

阻尼減振：在受控對象上附加阻尼器或阻尼元件，通過消耗受控對象的能量使其響應(yīng)減小，該方法對控制共振響應(yīng)特別有效。

吸振：在振動(dòng)對象上附加一個(gè)子系統(tǒng)（動(dòng)力吸振器），產(chǎn)生吸振以減少受控對象對振動(dòng)源激勵(lì)的響應(yīng)。

振動(dòng)主動(dòng)控制：通過對被控對象施加作用力來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制的一類控制辦法。

3內(nèi)燃機(jī)車振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的選取

從《柴油機(jī)機(jī)車內(nèi)設(shè)備振動(dòng)烈度評定辦法》中可以看出，內(nèi)燃機(jī)車設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的選取只是速度，而沒有對振動(dòng)的位移作出規(guī)定。機(jī)車在“0”位時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一般只有400r/min，振動(dòng)頻率、速度都相對較小，而此時(shí)的振動(dòng)位移（振幅）不一定小，例DF7G-26，柴油機(jī)在450轉(zhuǎn)時(shí)，，主發(fā)的振幅達(dá)到1000um以上。柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，僅用烈度的概念（也就是速度、頻率的數(shù)據(jù)）來判斷柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)情況，不能做出準(zhǔn)確有效的判斷。

4內(nèi)燃機(jī)車常見振動(dòng)分析與控制

4.1柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的異常振動(dòng)

引起柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)的主要原因有如下：

①曲軸：曲軸是柴油機(jī)最主要的部件之一，通過曲軸的旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)柴油機(jī)，從而輸出功率。曲軸的動(dòng)平衡量不得大于1500g*cm，水平測量主軸頸對公共周心線的跳動(dòng)量應(yīng)在0.15mm以內(nèi)，處置測量相鄰主軸頸的跳動(dòng)量在0.03mm以內(nèi)，當(dāng)曲軸本身的動(dòng)平衡或跳動(dòng)量超出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就會(huì)引起內(nèi)燃機(jī)車的振動(dòng)。具體振動(dòng)形式為柴油機(jī)左右擺動(dòng)，前后晃動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)引起機(jī)車司機(jī)室振動(dòng)超差。柴油機(jī)輸出端異常振動(dòng)，如振動(dòng)異常的是橫向，處理故障基本上時(shí)調(diào)整各缸的供油量（或更換高壓泵），如振動(dòng)的方向是垂向或低轉(zhuǎn)速時(shí)柴油機(jī)第一個(gè)座子垂向振動(dòng)數(shù)據(jù)異常，則調(diào)整更換電機(jī)與曲軸的相對位置或更換彈性聯(lián)軸節(jié)。

②彈性聯(lián)軸節(jié)/主發(fā)轉(zhuǎn)子：柴油機(jī)曲軸與主發(fā)轉(zhuǎn)子通過簧片式彈性聯(lián)軸節(jié)連接，簧片的主片自由插入到花鍵軸的花鍵槽內(nèi)，以彈性的形式傳遞扭矩，簧片具有柔性大的特點(diǎn)，主要起緩和振動(dòng)的目的以及起到調(diào)頻的作用。當(dāng)彈性聯(lián)軸節(jié)動(dòng)平衡不好或簧片轉(zhuǎn)動(dòng)滯后就會(huì)引起柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)，如振動(dòng)的方向是垂向或低轉(zhuǎn)速時(shí)柴油機(jī)第一個(gè)座子垂向振動(dòng)數(shù)據(jù)異常，則調(diào)整更換電機(jī)與曲軸的相對位置或更換彈性聯(lián)軸節(jié)。例DF4D-3267司機(jī)室異常振動(dòng)，測得主發(fā)座子數(shù)據(jù)（垂向和橫向，垂向數(shù)據(jù)高達(dá)20mm/s）異常，后更換彈性聯(lián)軸節(jié)后，司機(jī)室異常振動(dòng)消除。DF7G-38司機(jī)室異常振動(dòng)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主發(fā)座子振動(dòng)異常、傳動(dòng)整體座子振動(dòng)異常（座子螺絲未緊到位），后續(xù)緊固座子螺栓，司機(jī)室振動(dòng)加強(qiáng)，原因是主發(fā)異常振動(dòng)，通過鋼結(jié)構(gòu)傳遞的過程中，傳動(dòng)座子未緊，導(dǎo)致變速箱等部件吸收一部分振動(dòng)能量，從而使得傳動(dòng)部件振動(dòng)異常，

③橡膠支承：橡膠支承由于承擔(dān)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的重量，同時(shí)緩和柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組與轉(zhuǎn)向架間的振動(dòng)，當(dāng)橡膠支承的剛度發(fā)生變化后，各橡膠支承的自振頻率發(fā)生變化，造成柴油機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)。

4.2司機(jī)室出現(xiàn)異常振動(dòng)的主要原因：

①柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組、變速箱等傳動(dòng)部件異常振動(dòng)，會(huì)通過鋼結(jié)構(gòu)傳遞至司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致司機(jī)室（操縱臺(tái)）異常振動(dòng)。此類問題可根據(jù)實(shí)測得操縱臺(tái)以及司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)來判斷。如鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)在8mm/s以內(nèi)，加固操縱臺(tái)會(huì)消除擦總臺(tái)的異常振動(dòng)，如鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)超過9mm/s時(shí)，加固操縱臺(tái)會(huì)使得振動(dòng)數(shù)據(jù)減少，并不能解決問題，有效的處理方案為處理柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的異常振動(dòng)，例DF4D-3267司機(jī)室異常振動(dòng)，后測得柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)異常，前期加固操縱臺(tái)以及轉(zhuǎn)主發(fā)，都未消除司機(jī)室以及柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的異常振動(dòng)。后期更換彈性聯(lián)軸節(jié)，消除操縱臺(tái)以及柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的異常振動(dòng)。后續(xù)統(tǒng)計(jì)了5臺(tái)DF4D機(jī)車的振動(dòng)數(shù)據(jù)，16位測柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組座子的數(shù)據(jù)，其中4臺(tái)車柴油機(jī)座子的三個(gè)方向的數(shù)據(jù)均未超過10mm/s（烈度），最大的是9mm/s左右，主發(fā)座子的數(shù)據(jù)最大的在10mm/s左右，其中一臺(tái)車（DF4D-3267），柴油機(jī)座子的數(shù)據(jù)大多超過10mm/s，最大的達(dá)15mm/s，主發(fā)座子的數(shù)據(jù)為20mm/s，由于主發(fā)支承座子的數(shù)據(jù)沒有標(biāo)準(zhǔn)，只能從統(tǒng)計(jì)多臺(tái)車的數(shù)據(jù)來判別。

②司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠：原因是修理機(jī)車司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)銹蝕過多，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，吸收不了從震源傳遞過來的振動(dòng)能量，使得司機(jī)室地板垂向振動(dòng)數(shù)據(jù)偏大。此類問題可以從司機(jī)室地板振動(dòng)數(shù)據(jù)來判斷，當(dāng)測得的數(shù)據(jù)大于9mm/s時(shí)，則可以判斷司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠或者振動(dòng)能量大（柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)）。此類問題一般是加強(qiáng)司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)或解決柴油機(jī)異常振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李成輝，振動(dòng)理論與分析基礎(chǔ).西南交通大學(xué)出版社，2015

[2]戚墅堰機(jī)車車輛廠編.DF8B型內(nèi)燃機(jī)車.北京：中國鐵道出版社，2001

作者簡介：

徐峰（1968.7-）男，江蘇常州人，中車戚墅堰公司技能專家，高級技師