機械振動類型分析*

曾雪蓮

（福建船政交通職業學院，福建 福州 350007）

在日常生活和工程實際中經常存在振動現象，如機床和刀具的顫動，飛行器、鐵軌、船舶的振動，發動機的抖動等。機械振動不僅會導致機械產品質量下降，加工效率降低，生產成本提高，機器使用壽命縮短[1]，由此引起的噪聲污染也會影響人們的身心健康。因此很有必要分析機械振動的類型和成因，以便采取必要的措施來消除或減小機械振動。

1 機械振動的含義

機械振動是指物體在其平衡位置附近做有規律的往復運動。一般用振動量來衡量振動的強弱，振動量又可以由振動位移、振動速度或振動加速度來衡量。通常簡諧振動的表示方法如下：

式中，A為振幅（mm），ω為角頻率（rad/s），φ0為初相角（rad）。

生活中處處可見振動的存在，有些振動是有害的，有些振動則是有益的。應該盡量控制有害振動，同時也要善于利用有益振動[2]。

1）有害振動。振動引起的動載荷一方面會導致機械零件過早損壞，影響機器的性能，增加零件表面粗糙度，降低機加工零件的精度[3-6]；另一方面，振動引起的噪聲污染環境，影響人體的心理和生理健康，降低工作效率，甚至還可能引發嚴重事故。

2）有益振動。在一些場合可以利用機械振動服務生產和生活，利用機械振動提高工作效率，降低勞動強度[7]。如振動脫水、振動壓實、振動輸送、振動篩選、振動給料、振動破碎、振動診斷和檢測等。

2 機械振動的類型

機械振動根據不同的特征進行分類[8]，如表1所示。

根據ISO 2372，以振動速度來衡量機械振動程度，振動速度峰值和有效值存在以下關系：

式中，ve為振動速度的有效值（mm/s）；vmax為振動速度的峰值（mm/s）；A為振幅（mm）；f為振動頻率（Hz）。

我國和西歐國家多采用振動速度的有效值來評定振動特性。通常在垂直、縱向、橫向三個方向進行振動的測量。在這三個方向的振動速度有效值的均方根表示機械振動烈度：

式中，∑vx、∑vy、∑vz分別表示在垂直、縱向、橫向的振動速度的有效值；Nx、Ny、Nz分別表示在垂直、縱向、橫向主要振點的各自測點數。

根據ISO 2372，把振動分為四級。A 級：良好，不會影響機器設備的正常工作；B 級：許可，允許范圍的振動；C 級：可容忍，雖然振動是允許，但不滿意，應設法降低；D 級：不允許，振動太大，機器無法正常運轉。振動頻譜表示方法如表2所示。

表2 振動頻譜表示方法

3 機械振動的測量

3.1 機械振動測量的內容

機械設備核心零部件異常振動往往代表零部件存在內部缺陷，對機械設備核心零部件的振動和運動狀態進行測量是預判故障的重要手段。機械振動測量的主要內容如下：

1）振動量。包括振動位移、振動速度、振動加速度以及振動頻率、振動相位、振動時間歷程、激振力等。

2）系統特征參數。包括系統的固有頻率、系統剛度、系統阻尼和系統動態響應特性等。

3）機械結構的動力強度試驗。在模擬環境下對機械設備進行振動試驗或沖擊試驗，以檢驗產品的機械性能和耐振壽命。

4）機械設備的振動監測。對機械設備進行在線振動監測，測量振動信息預判故障，以保證機械設備的正常運行。

一個完整的振動測試系統，通常由傳感器、信號轉換裝置、信號分析裝置和信號顯示裝置組成。對于線性系統，無論施加的是確定性激勵還是隨機激勵，振動系統產生的位移、速度及加速度之間存在這樣的關系：

所以，線性系統只要測量振動位移、振動速度或振動加速度三者之一，就可以求出另外兩個量。同樣，如果已知振動激勵和多點線性振動的時間歷程，就可以通過分析得出振幅、頻率、相位等參數。

3.2 機械振動測量的方法

機械振動測量的方法有多種，根據傳感器與振動體是否接觸分為接觸式和非接觸式[9]。接觸式測量可能會因為傳感器的安裝導致附加質量，從而改變振動體原有的振動特性[10]，特別是微幅振動測量時會大大降低測量結果的精確度。非接觸式測量不需要與振動體直接接觸，目前常用的非接觸式振動測量有激光干涉測量和機器視覺測量。根據振動信號的轉換方式，機械振動的測量方法分為電測式、光測式、機械測振式。

1）電測式。利用電力傳感器將被測體的振動參數轉換成電參數，并通過電量測試儀進行判定。典型的電測式測振系統框圖如圖1 所示。這種方法的分辨率和靈敏度較高，動態線型范圍和頻率范圍較寬，便于分析和遙測，但是容易受到電磁場干擾，是目前應用最廣的測量方法。

圖1 典型的電測式測振系統框圖

2）光測式。利用光波干涉原理、光杠桿原理、激光多普勒效應等，將機械振動轉變成光信號的測量方法。典型的光測式測振系統框圖如圖2 所示。這種測量方法速度快，精度高，且不受電磁場干擾，適用于對不便安裝傳感器的構件或者質量小的構件進行非接觸測量，但價格較貴。主要用于精密測量和測振儀器標定。

圖2 典型的光測式測振系統框圖

3）機械測振式。利用杠桿原理將機械振動放大并記錄下來。這種測量方法的動態線性范圍和頻率范圍較窄，但抗干擾能力強。主要用于扭轉振動和低頻率大振幅的振動測量。

4 機械振動的控制

在生產生活中，有害的機械振動會影響生產質量和人體健康，甚至會導致災難性破壞。為了提高產品質量和機器使用壽命，同時又不影響人體健康，在機械設計時可以從以下幾方面來控制機械振動：

1）減小運動件的不平衡量，對回轉件進行平衡，從振動的起源來控制振動。

2）采用振動隔離技術切斷振動波的傳遞路徑控制振動傳播，比如采用高內阻材料、在設備表面涂覆阻尼層、增加運動件的相對摩擦等方式。

3）采用阻振、減振措施消耗或轉移振動的能量；引進外部能量來抑制振動能量；改進設計提高機械的抗振能力，控制振動響應。

4）制定各種機械設備的允許振動量，形成行業標準。

5 小結

由于現代機械設備結構日益復雜，運動速度日益提高，振動危害也日益突出。本文介紹了機械振動的定義及作用，從振動產生的原因、振動的規律、振動系統的自由度數、振動系統結構參數和振動位移等方面進行分類，通過機械振動烈度公式將機械振動分為四級，并闡明了機械振動的測量內容、測量方法及減振措施，為機械振動相關研究提供理論參考。