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學模型，為后續的鏜桿仿真分析打下基礎。

關鍵詞：機械振動；控制原理；鏜削加工

0 機械振動的產生

在機械加工過程中，振動現象一直是不能忽視的問題，會影響整個加工零件的質量，縮短刀具的使用壽命，甚至于會帶來工程災難。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）機械運轉的不平衡性。機械運動一般分為往復式機械運動和回轉式機械運動。往復式運動中部件運動方向改變所產生的慣性沖擊導致振動產生。回轉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，所產生的振動一般都具有規律性。

（2）受到外界激勵的作用。當一個系統受到外界激勵時，根據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]

根據機械振動產生的原因，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，會產生有害的影響，需要設法進行相應的控制。

1.1 自由振動

自由振動的發生是因為在切削加工中工藝系統產生了脈沖性干擾力。

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，受迫振動還會受系統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，振動系統在振動過程中由本身的原因激發產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先找出振源，然后采取相應的措施進行控制。主要方法有[3]：對高轉速零件經過平衡設置；減少或盡量消除激振力；調整系統的固有頻率，防止與激振力的頻率相近，避免產生共振。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，具有持續性的特點，會產生加工危害，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，對系統施加的一個輸入信號稱為激勵，通過振動系統產生的輸出信號稱為響應。根據外界激勵作用下所產生的動態行為即響應，分析系統的動態特性。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]：根據系統參數和激勵分析系統的響應，也就是系統動力響應分析或動態分析，包含位移、速度、加速度、力的響應等；已知外界的激勵和響應地條件下求出系統的參數，這種情況就是當響應不理想時，對振動系統的參數和結構進行有針對性的調整；最后一種是通過系統的參數和響應求外界激勵的大小。

4 振動系統的力學模型與數學模型

對一個動態系統進行分析前，要根據實際系統建立一個以質量、剛度、阻尼構成的物理模型，也就是力學模型。其次通過力學模型確定數學模型用以分析系統的動態特性。所以，建立正確的力學簡化模型才能得到正確的分析結果，如實反映一個實際系統十分重要。數學模型的建立是分析問題的關鍵，通常利用微分方程來表達系統的動態特性，是一種反映振動系統的非參數模型。

5 結論分析

在鏜削過程中鏜桿多產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部安裝減振裝置來達到效果，主動控制是在減振系統中加入反饋系統。對于長徑比較大的鏜桿就要通過被動控制措施來實現。

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.機械系統動力學[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4]韋聯.減振鏜桿的動力學仿真及其參數優化[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