振動(dòng)試驗(yàn)及減振措施研究

徐勇

摘? 要：振動(dòng)試驗(yàn)包括響應(yīng)測量、動(dòng)態(tài)特性參量測定、載荷識(shí)別以及振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)等內(nèi)容。本文主要介紹了響應(yīng)測量、載荷識(shí)別以及振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：響應(yīng)測量;載荷識(shí)別;振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn);減振措施

0 引 言

振動(dòng)試驗(yàn)是評定元器件、零部件及整機(jī)在預(yù)期的運(yùn)輸及使用環(huán)境中的抵抗能力。

物體或質(zhì)點(diǎn)相對于平衡位置所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)叫振動(dòng)。振動(dòng)又分為正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、復(fù)合振動(dòng)、掃描振動(dòng)、定頻振動(dòng)。描述振動(dòng)的主要參數(shù)有：振幅、速度、加速度。單頻正弦振動(dòng)頻率為f時(shí)，振幅單峰值為D，則其速度單峰值為 ，加速度單峰值為。

在現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室對振動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)物或模型進(jìn)行的試驗(yàn)。振動(dòng)系統(tǒng)是受振動(dòng)源激勵(lì)的質(zhì)量彈性系統(tǒng)，如機(jī)器、結(jié)構(gòu)或其零部件、生物體等。振動(dòng)試驗(yàn)是從航空航天部門發(fā)展起來的， 現(xiàn)在已被推廣到動(dòng)力機(jī)械、 交通運(yùn)輸、建筑等各個(gè)工業(yè)部門及環(huán)境保護(hù)、勞動(dòng)保護(hù)方面，其應(yīng)用日益廣泛。振動(dòng)試驗(yàn)包括響應(yīng)測量、動(dòng)態(tài)特性參量測定、載荷識(shí)別以及振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)等內(nèi)容。

1 振動(dòng)試驗(yàn)的主要內(nèi)容

1.1 響應(yīng)測量

主要是振級的測量。為了檢驗(yàn)機(jī)器、結(jié)構(gòu)或其零部件的運(yùn)行品質(zhì)、安全可靠性以及確定環(huán)境振動(dòng)條件，必須在各種實(shí)際工況下，對振動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)選定點(diǎn)和選定方向進(jìn)行振動(dòng)量級的測定，并記錄振動(dòng)量值同時(shí)間變化的關(guān)系（稱為時(shí)間歷程）。對周期振動(dòng)，主要測定振級（位移、速度、加速度或應(yīng)變的幅值或有效值）和振動(dòng)周期;對瞬態(tài)振動(dòng)和沖擊，主要測定位移或加速度的最大峰值和響應(yīng)持續(xù)時(shí)間;對平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)，主要測定力和響應(yīng)的時(shí)間歷程的均值和方差等;對非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)，可把時(shí)間劃分為許多小段，測定各小段內(nèi)時(shí)間歷程的均值和方差，找出它們同時(shí)間的關(guān)系，并以此作為振級的度量。

許多機(jī)器的振動(dòng)速度在很寬頻率范圍內(nèi)幾乎為常數(shù)，所以可用在機(jī)器上選定點(diǎn)測得的振動(dòng)速度的最大有效值作為機(jī)器振動(dòng)強(qiáng)烈程度（稱為振動(dòng)烈度）的指標(biāo)。

為了設(shè)計(jì)和試制新機(jī)器或在改造舊機(jī)器時(shí)解決減振問題，以及為了提高振動(dòng)機(jī)械的效率，必須了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參量。動(dòng)態(tài)特性參量很多，對于線性系統(tǒng)，最常用的為模態(tài)參量，包括各階固有頻率、振型、模態(tài)質(zhì)量或模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比。模態(tài)參量可以換算出物理坐標(biāo)（即幾何坐標(biāo)）中的力學(xué)參量，包括集中質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣。

動(dòng)態(tài)特性參量的簡易測定方法

在工程設(shè)計(jì)中，有時(shí)只需知道低階（如一、二階）固有頻率、振型以及阻尼系數(shù)，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(tǒng)產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄其衰減波形并與儀器中的時(shí)標(biāo)信號比較，或?qū)⑿盘柊l(fā)生器產(chǎn)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(dòng)臺(tái)，則可對系統(tǒng)進(jìn)行步進(jìn)頻率激振或低速掃頻激振以尋找共振頻率，在小阻尼時(shí)共振頻率近似等于固有頻率。

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

③ 阻尼測定?？刹捎盟p振動(dòng)法、共振法和相位法。衰減振動(dòng)法是用記錄儀記錄自由振動(dòng)的衰減波形，由相鄰?fù)虻膬纱位驍?shù)次的振幅的衰減率算出阻尼值;共振法是由共振時(shí)振幅和共振區(qū)頻率帶寬算出阻尼值;相位法是由共振區(qū)相位隨頻率變化關(guān)系算出阻尼值。

機(jī)械導(dǎo)納方法

機(jī)械導(dǎo)納是系統(tǒng)頻域的特征參量（見機(jī)械阻抗）。大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的固有頻率多而密集，振型很復(fù)雜，無法用簡易方法測定。然而可以先測試系統(tǒng)對激振力的響應(yīng)，得到機(jī)械導(dǎo)納，再用圖解識(shí)別（即機(jī)械導(dǎo)納的幅頻、相頻、實(shí)頻、虛頻或矢端圖等圖形識(shí)別）或計(jì)算機(jī)識(shí)別來確定模態(tài)參量或物理參量。

1.2 時(shí)域識(shí)別方法

直接利用振動(dòng)的時(shí)間歷程來求系統(tǒng)的模態(tài)參量。對自由振動(dòng)，可以通過自由振動(dòng)和脈沖響應(yīng)函數(shù)（系統(tǒng)的時(shí)域特性參量之一，其傅里葉變換即機(jī)械導(dǎo)納）的關(guān)系直接計(jì)算模態(tài)參量。對受迫振動(dòng)，可以用數(shù)字時(shí)間序列分析方法或其他方法（如隨機(jī)減量法、濾波法等）來計(jì)算模態(tài)參量。時(shí)域識(shí)別方法的優(yōu)點(diǎn)是能利用運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)器的振動(dòng)信號，適用于不能在實(shí)驗(yàn)室測試的大型結(jié)構(gòu);缺點(diǎn)是天然振源的激振力往往無法測定和控制，而僅能由響應(yīng)值來識(shí)別，故精度較低。

1.3載荷識(shí)別

載荷識(shí)別是指分析和確定振源的性質(zhì)（是有規(guī)律的還是隨機(jī)的？是定力還是定運(yùn)動(dòng)？等等）、傳播途徑及振源施加在系統(tǒng)上的載荷譜（即載荷的時(shí)間歷程）。載荷識(shí)別也叫環(huán)境預(yù)測，它可為分析系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)和振動(dòng)原因等提供數(shù)據(jù)。大型結(jié)構(gòu)承受的載荷非常復(fù)雜，很難直接測定，但可以通過結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號和系統(tǒng)已知的數(shù)學(xué)模型來反推系統(tǒng)承受的載荷，再根據(jù)各種工況下得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和綜合，最終得到載荷譜。振源的性質(zhì)和傳播途徑可以用功率譜分析或相關(guān)分析方法得出。

1.4振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)

為了了解產(chǎn)品的耐振壽命和性能指標(biāo)的穩(wěn)定性，錄找可能引起破壞或失效的薄弱環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)在模擬實(shí)際環(huán)境的振動(dòng)、沖擊條件下進(jìn)行的考核試驗(yàn)。定型產(chǎn)品的試驗(yàn)規(guī)范通常已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，新產(chǎn)品要制定合適的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方法分兩大類：①標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，包括耐預(yù)定頻率試驗(yàn)、耐共振試驗(yàn)、正弦掃描試驗(yàn)、寬帶隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、聲振試驗(yàn)和運(yùn)輸試驗(yàn)等;②非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，包括瞬態(tài)波形振動(dòng)試驗(yàn)、窄帶隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、隨機(jī)波再現(xiàn)試驗(yàn)、正弦波和隨機(jī)波混合試驗(yàn)等。

振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析：試驗(yàn)得到的大量原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過各種處理，才能作為工程設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)資料。試驗(yàn)的原始記錄數(shù)據(jù)是參量的時(shí)間歷程（位移、速度或加速度等量值同時(shí)間的關(guān)系），通過直觀分析可將數(shù)據(jù)分為瞬態(tài)的、周期的、隨機(jī)或非隨機(jī)持續(xù)非周期的三種，進(jìn)而在時(shí)域（包括時(shí)差域，即自變量為兩信號的時(shí)間差）、頻域和幅值域三大域中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)分析和譜分析，從而得到表征時(shí)間歷程特征的各種函數(shù)。處理方法可分為模擬量處理法和數(shù)字量處理法。前者設(shè)備簡單，但精度較差，處理時(shí)間長;后者需將原始記錄的模擬量變換為數(shù)字量后用數(shù)字計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)處理機(jī)（如快速傅里葉分析儀）的出現(xiàn)，數(shù)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(dòng)危害的主要手段。減振可分為主動(dòng)減振和被動(dòng)減振。主動(dòng)減振是在設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)備、大型汽輪發(fā)電機(jī)組及高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用較多，但費(fèi)用昂貴，普通工程機(jī)械中應(yīng)用較少。被動(dòng)減振有隔振和吸振等。隔振又可分為主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振。

為了防止或限制振動(dòng)帶來的危害和影響，現(xiàn)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(dòng)減振）

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

2.2 遠(yuǎn)離振源（被動(dòng)隔振）

這是一種消極的防護(hù)措施。如精密儀器或設(shè)備要盡可能遠(yuǎn)離具有大型動(dòng)力機(jī)械、壓力加工機(jī)械及振動(dòng)機(jī)械的工廠或車間，以及運(yùn)輸繁忙的鐵路、公路等。

2.3 提高機(jī)器本身的抗振能力（主動(dòng)減振）

衡量機(jī)器結(jié)構(gòu)抗振能力的常用指標(biāo)是動(dòng)剛度，動(dòng)剛度在數(shù)值上等于機(jī)器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位振幅所需的動(dòng)態(tài)力。動(dòng)剛度越大，則機(jī)器結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)力作用下的振動(dòng)量越小。

2.4 避開共振區(qū)

根據(jù)實(shí)際情況盡可能改變系統(tǒng)的固有頻率（主動(dòng)減振）或改變機(jī)器的工作轉(zhuǎn)速（被動(dòng)減振），使機(jī)器不在共振區(qū)內(nèi)工作。

2.5 適當(dāng)增加阻尼（阻尼吸振）

阻尼吸收系統(tǒng)振動(dòng)的能量，使自由振動(dòng)的振幅迅速衰減，對于強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅有抑制作用，尤其在共振區(qū)內(nèi)甚為顯著。

2.6 動(dòng)力吸振（被動(dòng)吸振）

對某些設(shè)備上的測量或監(jiān)控儀表，采用在儀表下安裝動(dòng)力吸振器的方法可穩(wěn)定儀表的指針，提高測量精度。

2.7 采取隔振措施

用具有彈性的隔振器，將振動(dòng)的機(jī)器（振源）與地基隔離，以便減少振源通過地基影響周圍的設(shè)備，這就是主動(dòng)隔振或積極隔振;或?qū)⑿枰Ｗo(hù)的精密設(shè)備與振動(dòng)的地基隔離，使不受周圍振源的影響，這就是被動(dòng)隔振。