機械振動力學在現(xiàn)代工業(yè)中的應用

徐震 朱封濤

摘要：機械振動力學是一門非常重要的基礎課，在現(xiàn)代工業(yè)中具有十分廣泛的應用。本文指出了機械振動力學在汽車道路模擬試驗中的應用，包括如何借助道路模擬試驗進行整車的開發(fā)、設計、制造，機械振動力學在機器運動狀態(tài)監(jiān)測中的應用以及機械振動控制在汽車和土木建橋工程中的應用。本論文對于更好的了解機械振動力學的相關知識以及如何有效的借助機械振動力學的相關知識去解決工程實際問題提供了參考。

關鍵詞：機械振動;基本原理;現(xiàn)代工業(yè);汽車;應用

中圖分類號：TH113 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0210-02

0 ?引言

機械振動是機械學科一門十分重要的基礎課程，即在某一位置附近進行的往復運動。在日常的生活中具有許許多多的振動現(xiàn)象，例如車輛行駛過程中的振動，發(fā)動機轉動時的振動，演奏樂器時樂器的振動等等。振動具有兩面性，既有有利的一面，例如振動篩、振動牙刷，同時也有有害的一面，例如地震、發(fā)動機的振動造成零件發(fā)生疲勞破壞、車床在加工零件時車刀的振動使得零件的加工精度下降等等。對于許多的結構振動問題，人們更為關心的是由于振動而造成的結構各個部件之間的干涉，例如汽車的主梁常常由于路面的不平而產生巨大的振動，從而使得主梁的壽命大大降低，如果主梁在出現(xiàn)裂紋之后不能及時的發(fā)現(xiàn)，就會直接影響到行車的安全。對于轎車或者客車，其劇烈的振動常常導致巨大的噪聲，不利于乘客的乘坐舒適性，不能滿足當前國民的需求。因此在汽車的設計過程中必須有效的考慮其振動問題，這樣才能設計制造出更高質量的汽車。實際生活中，我們做到公交車的后排常常會感覺比較頭暈，而做到公交車的前排就不會出現(xiàn)頭暈的現(xiàn)象，這個也是和機械振動力學具有十分密切的關系的。當前的公交車絕大多數(shù)為后置后驅的方式，發(fā)動機安裝在后部就導致后部的振動較大，特別是在一些顛簸的路面上，就會出現(xiàn)過大的顛簸，容易導致乘客出現(xiàn)頭暈的現(xiàn)象。本論文針對機械振動學的基本原理進行總結，同時給出機械振動力學在現(xiàn)代工業(yè)中的應用，從而更加客觀的認識機械振動現(xiàn)象，利用機械振動有利的一面，避免機械振動有害的一面，更好的促進當前現(xiàn)代工業(yè)的快速、健康發(fā)展。

1 ?在現(xiàn)代工業(yè)中應用的一般步驟

伴隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，機械振動力學在現(xiàn)代工業(yè)中具有十分廣泛的應用，例如汽車在形式過程中出現(xiàn)批量的后視鏡破碎問題給企業(yè)造成了巨大的經濟損失，如何有效的去解決這些問題成為了企業(yè)備受關注的話題。通過機械振動力學去應用于現(xiàn)代工業(yè)一般包括四個步驟，具體如圖1所示。

對于一個實際問題，其建立數(shù)學模型至關重要，只有建立科學的數(shù)學模型，才能使得其分析的結果更加的客觀、真實、準確，對于實際應用具有十分重要的作用。對于同樣的問題，由于其分析的目的不同，其建立的數(shù)學模型往往是不一樣的，必須結合分析的目的來更加客觀的、真實的建立數(shù)學模型，這樣才能使得分析得到的結果更加的具有指導意義。

控制方程的推導是至關重要的，通過相關的力學知識來獲得控制方程，很多的實際問題往往是十分復雜的，其控制方程的推動也就變得十分的困難?？刂品匠谭从沉讼到y(tǒng)的固有屬性，是對于系統(tǒng)參數(shù)進行識別的過程。對于簡單的問題，其控制方程的推動相對比較的困難，常?？梢越柚谂ｎD第二定律、達朗貝爾、拉格朗日方程等來進行推動。

控制方程的求解是十分困難的，特別是對于連續(xù)體系統(tǒng)，其推導的控制方程往往是偏微分方程，其復雜問題去求數(shù)值解幾乎是不可能的。常常通過數(shù)值求解的方法來獲得控制方程的解，從而研究振動的規(guī)律。

對于結果的分析主要是分析位移、速度、加速度的變化規(guī)律，通過分析找出振動的一般規(guī)律，從而為有效的解決各種工程問題提供參考。工程的問題包含有很多種不同的方法，往往是將研究的對象看做一個黑匣子，即一個振動系統(tǒng)，將外界的激勵力稱之為該系統(tǒng)的激勵或者也被稱之為該系統(tǒng)的輸入，將系統(tǒng)所產生的反映稱之為響應，或者也被稱之為該系統(tǒng)的輸出。根據(jù)一個系統(tǒng)包含的三個基本的對象，即激勵、系統(tǒng)和相應，可以歸納為三類問題，具體如表1所示。

2 ?汽車道路模擬試驗中的應用

汽車道路模擬試驗在現(xiàn)代企業(yè)中具有十分廣泛的應用，通過道路模擬試驗可以有效的縮短產品的研發(fā)周期。以某轎車為例，分析機械振動力學在整車開發(fā)過程中的應用。根據(jù)產品的需要設計出一款新車型，將該車型送到北京交通部試驗場進行試驗，在可靠性試驗的過程中出現(xiàn)了主梁斷裂問題。振動主梁出現(xiàn)斷裂，其問題有很多種，如強度不足而造成的破壞，或者疲勞破壞等等。為了更好的找出其原因，該公司派技術人員采集了相應的道路載荷譜，通過該載荷譜在找出問題的原因。首先是將試驗車開到公司的整車道路模擬試驗臺上，通過施加白噪聲激勵使得該車的相關振動參數(shù)被識別，這就是參數(shù)識別的過程，即已知激勵為白噪聲，通過相關的數(shù)據(jù)采集儀器來測試獲得整車的響應，進而就可以得到整車整個振動系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù);然后將采集得到的載荷譜數(shù)據(jù)作為輸入，施加到已經識別的振動系統(tǒng)中，那么就可以有效的再現(xiàn)整個系統(tǒng)在試驗場的狀態(tài)，這樣就做到了在實驗室內再現(xiàn)原來的破壞狀態(tài)。通過在實驗室內不僅僅縮短了產品開發(fā)的周期，同時也在很大程度上控制了許多不可控的因素;最后是根據(jù)試驗臺上整車出現(xiàn)的故障和北京交通部試驗場出現(xiàn)的故障進行對比，分析其不同的原因，同時有效的改進設計，確保上市的產品具有更好的質量，使得其在激烈的市場競爭中處于有利的地位。機械振動力學在汽車道路模擬試驗中的應用是當前實施產品開發(fā)的關鍵，如果不能很好的借助機械振動力學去進行道路模擬試驗，那么將使得產品的研發(fā)周期大大的延長，不能很好的滿足當前快速化的市場需求。

通過該道路模擬試驗臺可以開展許許多多的試驗，例如客車的后視鏡出現(xiàn)破碎，那么就可以通過該試驗臺來解決該問題。針對出現(xiàn)后視鏡破碎的客戶行駛的道路進行實地調查，通過實地調查初步的分析其原因，同時派技術人員去采集用戶道路的載荷譜，將用戶道路載荷數(shù)據(jù)進行載荷譜編輯，同時通過白噪聲來識別該客車的狀態(tài)參數(shù)，將用戶道路載荷譜數(shù)據(jù)和客車的狀態(tài)參數(shù)有機的結合起來，那么就可以很好的找出后視鏡出現(xiàn)破碎的原因。

3 ?機器運行狀態(tài)監(jiān)測中的應用

機器運行狀態(tài)監(jiān)測是當前的熱點問題，對于大多數(shù)的機械設備而言，如果設計比較合理，那么就不會引起太過于劇烈的振動;如果設計不合理，那么就會引起過于劇烈的振動，從而引起機器的破壞。但是對于許多的大型設備，其很難通過肉眼去觀察其破壞，需要通過專門的設備檢測裝置去實時的檢測，這樣才能更好的了解機器實時的運行狀態(tài)，確保機器安全的工作。對機器進行實時的檢測技術需要利用機械振動力學知識，通過檢測設備易破壞點的運行狀態(tài)，更好的了解機器的運行狀態(tài)。當前對于機械設備運行狀態(tài)的檢測技術主要包括聽、看、運行變量觀察、溫度觀察、磨損碎屑的觀察以及振動的觀察等。例如對于有經驗的工程師，其通過聽發(fā)動機的聲響就可以判斷發(fā)動機工作是否正常，但是對于沒有經驗的工程師，其就很難做到通過聽去判斷發(fā)動機的運行是否正常，同時通過聽就可以有效的判斷發(fā)動機的運行是否正常常常是出現(xiàn)在比較明顯的故障中且運行的機械設備相對比較簡單。通過看、溫度、磨損碎屑等也常常是針對一些比較簡單的機械設備，但是對于復雜的機械設備而言，其必須對于振動狀態(tài)進行檢測，從而才可以更加客觀、更加準確的去了解設備的運行狀態(tài)。

當前對于機器運行狀態(tài)進行檢測的方法主要包括三個步驟：首先是測試監(jiān)測點的信號，通過監(jiān)測點的信號來更好的分析設備的故障信息;其次是對于實測的信號由于測試儀器、測試環(huán)境等影響，其常常包含有大量的噪聲信息，如果不進行降噪處理，那么很多的故障信息常常被淹沒在噪聲中，使得故障信息無法被有效的提取，因此需要對其進行降噪處理。當前對于振動信號進行降噪處理的方法一般為基于傅里葉變換的頻域分析方法，該種方法可以很好的對平穩(wěn)信號進行降噪處理，但是對于非平穩(wěn)信號的降噪處理效果并不理想。伴隨著當前小波技術的快速發(fā)展，對于故障信號的處理常常是借助于小波分析的方法，通過小波方法來對實測的非平穩(wěn)信號進行降噪處理，從而更好的獲得真實的信號。最后是通過計算降噪后的故障信號的分形維數(shù)來確定故障信息，進而實時的了解設備可能出現(xiàn)的故障。對于大型的機械設備，一旦出現(xiàn)故障將會造成很大的經濟損失，借助于機械振動力學相關的知識去實時的進行檢測，這樣可以及時的發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的各種故障信息，從而避免出現(xiàn)更大的故障，給企業(yè)的生產造成巨大的損失。

4 ?機械振動的控制

振動和噪聲是聯(lián)系在一起的，對于振動的控制可以有效的降低噪聲。當前對于振動的控制方式主要有四種方式，即通過控制系統(tǒng)的固有頻率，避免外激勵作用下的共振。例如汽車在運行過程中汽車后視鏡發(fā)生破壞，其根本原因在于汽車后視鏡的固有頻率和其固定處的激勵力的頻率相近，從而導致出現(xiàn)疲勞破壞。采用機械振動的知識去解決該問題的思路為首先了解當前該汽車后視鏡固定處的載荷數(shù)據(jù)，通過對該數(shù)據(jù)的分析可以了解其頻率信息，這樣就可以了解其后視鏡的固有頻率;然后是借助有限元方法對汽車后視鏡進行模態(tài)分析，找出其當前的固有頻率和模態(tài)，借助數(shù)學優(yōu)化的知識對汽車后視鏡進行優(yōu)化處理，從而可以得到優(yōu)化后的汽車后視鏡結構;最后是對優(yōu)化后的汽車后視鏡安裝到實車上，對實車進行可靠性試驗，從而更好的驗證優(yōu)化后的結構的有效性。對于機械振動的控制在當前的機械設備、土木工程設備、航空航天設備等均具有十分廣泛的應用，例如在汽車大橋中常常是安裝后減震墊，通過減震墊可以起到隔振的目的，這樣避免由于汽車在大橋上形式而產生巨大的振動載荷，從而導致橋梁出現(xiàn)坍塌。機械振動的控制在汽車發(fā)動機的安裝上也具有十分廣泛的應用，在汽車發(fā)動機和汽車車架安裝部位常常安裝后橡膠塊，通過橡膠塊來減少發(fā)動機的振動傳遞到車架上的力，避免由于發(fā)動機的振動而導致車架振動過大，從而出現(xiàn)破壞。因此機械振動力學的相關知識對于有效的預防相關的振動問題具有十分廣泛的意義。

參考文獻：

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作者簡介：徐震（1982-），男，陜西西安人，本科，工程師，研究方向為非標自動化和管道檢測研發(fā);朱封濤（1989-），男，陜西西安人，本科，助理工程師，研究方向為產品設計、工藝改進。