淺談振動形成的原因與控制

摘要：公司在對各型機車進行廠修試驗過程中，會發生多種型成的振動質量問題，現對形成各種振動基理進行分析研究。

關鍵詞：基礎知識；控制理論；標準選取；機車；處理控制

1振動研究的基本內容

振動泛指物體在某一個位置附近的往復運動，機械振動是一種常見的力學現象，任何物體在激勵的作用下就會產生振動。引起機械或者某一結構振動的原因有多種；旋轉機械轉動質量的不平衡分布，傳動裝置中齒輪的加工誤差，軸承的缺陷和不良。由于震動，機器和機構會受到反復作用的動載荷，會降低其使用壽命。機車的震動會引起管路開裂、電氣故障，還會影響司機對機車的操控。

2振動的控制理論

2.1振動源

機械沖擊常常出現在多種機械設備的工作過程中。如內燃機缸體內燃燒氣體時對活塞的沖擊力。

旋轉機械式各種動力機械中最主要的振動源。如嚙合的齒輪或選齒在傳動時，由于相互的磁撞或摩擦激起齒輪體振動，成為振動源；機械做旋轉運動時產生不平衡離心力時旋轉機械主要的振動源；不平衡引起轉子的撓曲和內應力也是機器產生振動。

往復式機械，如柴油機、往復式空氣壓縮機組的曲柄連桿機構運動無法達到完全平衡，機器運轉時總存在周期性的擾動力。特別是缸數少的柴油機，氣缸內的壓力不是完全的正弦形式，同時在活塞作往復運動并帶動曲柄連桿機構運動時，曲柄銷等部位會出現和轉速相關的周期慣性力，使其為各種機械設備的主要振動源。

流體激勵是工程中常見的激勵形式，如熱交換器管道，主滑油進出油管受到湍流激勵的振動，造成機車局部區域、車架地板的振動。

2.2振動的危害和容許標準

人和機械所承受的振動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最低的頻率是4〉8HZ，在不同頻率的振動情況下。對人體危害的表現也不同，視覺模糊2〉20HZ。司機室的異常振動式機車運動部件因各種原因導致的集中體現。在實際測定中，司機室的振動均以操縱臺的振動烈度作為司機室是否振動的衡量標準，在鐵標中，操縱臺屬于Ⅲ類。內燃機車振動烈度分為：A良好工作狀態、B正常工作狀態、C容許工作狀態、D不容許工作狀態四個等級。

2.3振動控制方法

振動控制三要素：震源、傳遞途徑和受控對象。對振動控制其實就是對這三要素進行相應的控制。

消振：消除或減弱振動源，是解決異常振動的治本的方法。

隔振：消除或減弱振動沿著振動路徑傳遞中的能量。按照振動能量傳遞方式，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減小，該方法對控制共振響應特別有效。

吸振：在振動對象上附加一個子系統（動力吸振器），產生吸振以減少受控對象對振動源激勵的響應。

振動主動控制：通過對被控對象施加作用力來實現振動抑制的一類控制辦法。

3內燃機車振動標準的選取

從《柴油機機車內設備振動烈度評定辦法》中可以看出，內燃機車設備振動標準的選取只是速度，而沒有對振動的位移作出規定。機車在“0”位時，柴油機轉速一般只有400r/min，振動頻率、速度都相對較小，而此時的振動位移（振幅）不一定小，例DF7G-26，柴油機在450轉時，，主發的振幅達到1000um以上。柴油機在低轉速時，僅用烈度的概念（也就是速度、頻率的數據）來判斷柴油機發電機組的振動情況，不能做出準確有效的判斷。

4內燃機車常見振動分析與控制

4.1柴油機發電機組的異常振動

引起柴油機發電機組異常振動的主要原因有如下：

①曲軸：曲軸是柴油機最主要的部件之一，通過曲軸的旋轉，啟動柴油機，從而輸出功率。曲軸的動平衡量不得大于1500g*cm，水平測量主軸頸對公共周心線的跳動量應在0.15mm以內，處置測量相鄰主軸頸的跳動量在0.03mm以內，當曲軸本身的動平衡或跳動量超出技術標準時，就會引起內燃機車的振動。具體振動形式為柴油機左右擺動，前后晃動，嚴重的會引起機車司機室振動超差。柴油機輸出端異常振動，如振動異常的是橫向，處理故障基本上時調整各缸的供油量（或更換高壓泵），如振動的方向是垂向或低轉速時柴油機第一個座子垂向振動數據異常，則調整更換電機與曲軸的相對位置或更換彈性聯軸節。

②彈性聯軸節/主發轉子：柴油機曲軸與主發轉子通過簧片式彈性聯軸節連接，簧片的主片自由插入到花鍵軸的花鍵槽內，以彈性的形式傳遞扭矩，簧片具有柔性大的特點，主要起緩和振動的目的以及起到調頻的作用。當彈性聯軸節動平衡不好或簧片轉動滯后就會引起柴油機發電機組異常振動。柴油機發電機組異常振動，如振動的方向是垂向或低轉速時柴油機第一個座子垂向振動數據異常，則調整更換電機與曲軸的相對位置或更換彈性聯軸節。例DF4D-3267司機室異常振動，測得主發座子數據（垂向和橫向，垂向數據高達20mm/s）異常，后更換彈性聯軸節后，司機室異常振動消除。DF7G-38司機室異常振動，經檢查發現主發座子振動異常、傳動整體座子振動異常（座子螺絲未緊到位），后續緊固座子螺栓，司機室振動加強，原因是主發異常振動，通過鋼結構傳遞的過程中，傳動座子未緊，導致變速箱等部件吸收一部分振動能量，從而使得傳動部件振動異常，

③橡膠支承：橡膠支承由于承擔柴油機發電機組的重量，同時緩和柴油機發電機組與轉向架間的振動，當橡膠支承的剛度發生變化后，各橡膠支承的自振頻率發生變化，造成柴油機出現異常振動。

4.2司機室出現異常振動的主要原因：

①柴油機發電機組、變速箱等傳動部件異常振動，會通過鋼結構傳遞至司機室鋼結構，進而導致司機室（操縱臺）異常振動。此類問題可根據實測得操縱臺以及司機室鋼結構的振動數據來判斷。如鋼結構振動數據在8mm/s以內，加固操縱臺會消除擦總臺的異常振動，如鋼結構的振動數據超過9mm/s時，加固操縱臺會使得振動數據減少，并不能解決問題，有效的處理方案為處理柴油機發電機組的異常振動，例DF4D-3267司機室異常振動，后測得柴油機發電機組振動異常，前期加固操縱臺以及轉主發，都未消除司機室以及柴油機發電機組的異常振動。后期更換彈性聯軸節，消除操縱臺以及柴油機發電機組的異常振動。后續統計了5臺DF4D機車的振動數據，16位測柴油機發電機組座子的數據，其中4臺車柴油機座子的三個方向的數據均未超過10mm/s（烈度），最大的是9mm/s左右，主發座子的數據最大的在10mm/s左右，其中一臺車（DF4D-3267），柴油機座子的數據大多超過10mm/s，最大的達15mm/s，主發座子的數據為20mm/s，由于主發支承座子的數據沒有標準，只能從統計多臺車的數據來判別。

②司機室鋼結構強度不夠：原因是修理機車司機室鋼結構銹蝕過多，導致鋼結構強度不夠，吸收不了從震源傳遞過來的振動能量，使得司機室地板垂向振動數據偏大。此類問題可以從司機室地板振動數據來判斷，當測得的數據大于9mm/s時，則可以判斷司機室鋼結構強度不夠或者振動能量大（柴油機發電機組異常振動）。此類問題一般是加強司機室鋼結構或解決柴油機異常振動。

參考文獻：

[1]李成輝，振動理論與分析基礎.西南交通大學出版社，2015

[2]戚墅堰機車車輛廠編.DF8B型內燃機車.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