振動試驗及減振措施研究

2019-10-21 00:06:15徐勇

中國電氣工程學報 2019年21期

徐勇

摘? 要：振動試驗包括響應測量、動態特性參量測定、載荷識別以及振動環境試驗等內容。本文主要介紹了響應測量、載荷識別以及振動環境試驗。

關鍵詞：響應測量;載荷識別;振動環境試驗;減振措施

0 引言

振動試驗是評定元器件、零部件及整機在預期的運輸及使用環境中的抵抗能力。

物體或質點相對于平衡位置所作的往復運動叫振動。振動又分為正弦振動、隨機振動、復合振動、掃描振動、定頻振動。描述振動的主要參數有：振幅、速度、加速度。單頻正弦振動頻率為f時，振幅單峰值為D，則其速度單峰值為，加速度單峰值為。

在現場或實驗室對振動系統的實物或模型進行的試驗。振動系統是受振動源激勵的質量彈性系統，如機器、結構或其零部件、生物體等。振動試驗是從航空航天部門發展起來的，現在已被推廣到動力機械、交通運輸、建筑等各個工業部門及環境保護、勞動保護方面，其應用日益廣泛。振動試驗包括響應測量、動態特性參量測定、載荷識別以及振動環境試驗等內容。

1 振動試驗的主要內容

1.1 響應測量

主要是振級的測量。為了檢驗機器、結構或其零部件的運行品質、安全可靠性以及確定環境振動條件，必須在各種實際工況下，對振動系統的各個選定點和選定方向進行振動量級的測定，并記錄振動量值同時間變化的關系（稱為時間歷程）。對周期振動，主要測定振級（位移、速度、加速度或應變的幅值或有效值）和振動周期;對瞬態振動和沖擊，主要測定位移或加速度的最大峰值和響應持續時間;對平穩隨機振動，主要測定力和響應的時間歷程的均值和方差等;對非平穩隨機振動，可把時間劃分為許多小段，測定各小段內時間歷程的均值和方差，找出它們同時間的關系，并以此作為振級的度量。

許多機器的振動速度在很寬頻率范圍內幾乎為常數，所以可用在機器上選定點測得的振動速度的最大有效值作為機器振動強烈程度（稱為振動烈度）的指標。

為了設計和試制新機器或在改造舊機器時解決減振問題，以及為了提高振動機械的效率，必須了解系統的動態特性參量。動態特性參量很多，對于線性系統，最常用的為模態參量，包括各階固有頻率、振型、模態質量或模態剛度、模態阻尼比。模態參量可以換算出物理坐標（即幾何坐標）中的力學參量，包括集中質量、剛度和阻尼矩陣。

動態特性參量的簡易測定方法

在工程設計中，有時只需知道低階（如一、二階）固有頻率、振型以及阻尼系數，可用簡易方法測定這些參量：

① 固有頻率測定。用敲擊或突然卸載使系統產生自由振動，記錄其衰減波形并與儀器中的時標信號比較，或將信號發生器產生的固定頻率正弦波和衰減波形輸入射線示波器，由示波器顯示的利薩如圖形求得一、二階固有頻率。如果有激振器或振動臺，則可對系統進行步進頻率激振或低速掃頻激振以尋找共振頻率，在小阻尼時共振頻率近似等于固有頻率。

② 振型測定。手持木質或鋁質探針接觸被測系統各點，由撞擊聲音（或憑手感）測定所有不振動點的位置，即節線位置。對水平放置的平板型系統，可在平板上撒上砂粒，振動時砂粒將聚集到節線上，由節線分布情況即可大致判斷振型。

③ 阻尼測定。可采用衰減振動法、共振法和相位法。衰減振動法是用記錄儀記錄自由振動的衰減波形，由相鄰同向的兩次或數次的振幅的衰減率算出阻尼值;共振法是由共振時振幅和共振區頻率帶寬算出阻尼值;相位法是由共振區相位隨頻率變化關系算出阻尼值。

機械導納方法

機械導納是系統頻域的特征參量（見機械阻抗）。大型復雜結構的固有頻率多而密集，振型很復雜，無法用簡易方法測定。然而可以先測試系統對激振力的響應，得到機械導納，再用圖解識別（即機械導納的幅頻、相頻、實頻、虛頻或矢端圖等圖形識別）或計算機識別來確定模態參量或物理參量。

1.2 時域識別方法

直接利用振動的時間歷程來求系統的模態參量。對自由振動，可以通過自由振動和脈沖響應函數（系統的時域特性參量之一，其傅里葉變換即機械導納）的關系直接計算模態參量。對受迫振動，可以用數字時間序列分析方法或其他方法（如隨機減量法、濾波法等）來計算模態參量。時域識別方法的優點是能利用運行狀態下機器的振動信號，適用于不能在實驗室測試的大型結構;缺點是天然振源的激振力往往無法測定和控制，而僅能由響應值來識別，故精度較低。

1.3載荷識別

載荷識別是指分析和確定振源的性質（是有規律的還是隨機的？是定力還是定運動？等等）、傳播途徑及振源施加在系統上的載荷譜（即載荷的時間歷程）。載荷識別也叫環境預測，它可為分析系統的動力響應和振動原因等提供數據。大型結構承受的載荷非常復雜，很難直接測定，但可以通過結構的響應信號和系統已知的數學模型來反推系統承受的載荷，再根據各種工況下得出的數據進行統計和綜合，最終得到載荷譜。振源的性質和傳播途徑可以用功率譜分析或相關分析方法得出。

1.4振動環境試驗

為了了解產品的耐振壽命和性能指標的穩定性，錄找可能引起破壞或失效的薄弱環節，對系統在模擬實際環境的振動、沖擊條件下進行的考核試驗。定型產品的試驗規范通常已經標準化，新產品要制定合適的試驗方法。試驗方法分兩大類：①標準試驗，包括耐預定頻率試驗、耐共振試驗、正弦掃描試驗、寬帶隨機振動試驗、沖擊試驗、聲振試驗和運輸試驗等;②非標準試驗，包括瞬態波形振動試驗、窄帶隨機振動試驗、隨機波再現試驗、正弦波和隨機波混合試驗等。

振動試驗數據處理和分析：試驗得到的大量原始數據必須經過各種處理，才能作為工程設計計算的依據資料。試驗的原始記錄數據是參量的時間歷程（位移、速度或加速度等量值同時間的關系），通過直觀分析可將數據分為瞬態的、周期的、隨機或非隨機持續非周期的三種，進而在時域（包括時差域，即自變量為兩信號的時間差）、頻域和幅值域三大域中進行統計分析、相關分析和譜分析，從而得到表征時間歷程特征的各種函數。處理方法可分為模擬量處理法和數字量處理法。前者設備簡單，但精度較差，處理時間長;后者需將原始記錄的模擬量變換為數字量后用數字計算機處理，由于精度很高，速度極快，所以隨著各種功能齊全的專用數據處理機（如快速傅里葉分析儀）的出現，數字量處理法已逐漸取代了模擬量處理法。

2減振的概念及措施

減振是工程上防止振動危害的主要手段。減振可分為主動減振和被動減振。主動減振是在設計時就考慮消除振源或減小振源的能量或頻率，在精密儀器、航空航天設備、大型汽輪發電機組及高速旋轉機械中應用較多，但費用昂貴，普通工程機械中應用較少。被動減振有隔振和吸振等。隔振又可分為主動隔振和被動隔振。

為了防止或限制振動帶來的危害和影響，現代工程中采用了各種措施，歸納起來有以下幾條原則：

2.1 減弱或消除振源（主動減振）

這是一項積極的治本措施。如果振動的原因是由于轉動部件的偏心所引起的，可以用提高動平衡精度的辦法來減小不平衡的離心慣性力。對往復式機械如空氣壓縮機等也需要注意慣性力的平衡。

2.2 遠離振源（被動隔振）

這是一種消極的防護措施。如精密儀器或設備要盡可能遠離具有大型動力機械、壓力加工機械及振動機械的工廠或車間，以及運輸繁忙的鐵路、公路等。

2.3 提高機器本身的抗振能力（主動減振）

衡量機器結構抗振能力的常用指標是動剛度，動剛度在數值上等于機器結構產生單位振幅所需的動態力。動剛度越大，則機器結構在動態力作用下的振動量越小。

2.4 避開共振區

根據實際情況盡可能改變系統的固有頻率（主動減振）或改變機器的工作轉速（被動減振），使機器不在共振區內工作。

2.5 適當增加阻尼（阻尼吸振）