机械振动及其在机械工程中的应用
赵立
（江苏师范大学连云港校区海洋港口学院，江苏 连云港222003）
摘要：本文综述了机械振动在机械工程中的研究成果。首先阐述了机械振动的定义；然后举例机械振动的利用及其机械振动在工程中的应用进行详细阐述。比如振动压路机技术、振动摊铺机和振动筛及其石英振荡器的研究等方向应用并对振动压路机技术的发展趋势进行了分析；接着分析机械振动设备故障；最后对应用前景进行了展望。
关键词：机械振动、机械工程
Abstract: This paper summarizes the research results of mechanical vibration in mechanical engineering. Firstly, the definition of mechanical vibration is described, and then the application of mechanical vibration in engineering is expounded. Such as the development of the trend of vibratory road roller and vibration stand paver and vibration sieve and quartz oscillator. The research direction of the application and of vibratory road roller technology are analyzed. Then the analysis of the fault of mechanical vibration equipment; finally, it prospected the foreground of application.
Key words: mechanical vibration, mechanical engineering
1.引言
振动是在日常生活和工程实际中普遍存在的一中现象，也是整个力学中最重要的研究领域之
一。所谓机械振动，是指物体（或物体系）在平衡位置（或平均位置）附近来回往复的运动。在机械振动过程中，表示物体运动特征的某些物理量（如位移、速度、加速度等）将时而增大、时而减小地反复变化。在工程实际中，机械振动是非常普遍的，钟表的摆动、车厢的晃动、桥梁与房屋的振动、飞行器与船舶的振动、机床与刀具的振动、各种动力机械的振动等，都是机械振动。
2.振动的分类
机械振动有不同的分类方法。按产生振动的原因可分为自由振动、受迫振动和自激振动；按振动的规律可分为简谐振动、非谐周期振动和随机振动;按振动系统结构参数的特性可分为线性振动和非线性振动；按振动位移的特征可分为扭转振动和直线振动。
1）自由振动
自由振动：去掉激励或约束之后，机械系统所出现的振动。振动只靠其弹性恢复力来维持，当有阻尼时振动便逐渐衰减。自由振动的频率只决定于系统本身的物理性质，称为系统的固有频率。
2）受迫振动
受迫振动：机械系统受外界持续激励所产生的振动。简谐激励是最简单的持续激励。受迫振动包含瞬态振动和稳态振动。在振动开始一段时间内所出现的随时间变化的振动，称为瞬态振动。经过短暂时间后，瞬态振动即消失。系统从外界不断地获得能量来补偿阻尼所耗散的能量，因而能够作持续的等幅振动，这种振动的频率与激励频率相同，称为稳态振动。
3）自激振动
自激振动：在非线性振动中，系统只受其本身产生的激励所维持的振动。自激振动系统本身除具有振动元件外,还具有非振荡性的能源、调节环节和反馈环节。因此，不存在外界激励时它也能产生一种稳定的周期振动，维持自激振动的交变力是由运动本身产生的且由反馈和调节环节所控制。振动一停止,此交变力也随之消失。自激振动与初始条件无关，其频率等
于或接近于系统的固有频率。如飞机飞行过程中机翼的颤振、机床工作台在滑动导轨上低速移动时的爬行、钟表摆的摆动和琴弦的振动都属于自激振动。
3.机械振动在机械工程中的应用
1）光致微机械振动在哥式振动陀螺中的应用
哥式振动陀螺是用于测量旋转角速度的惯性传感器件。采用接触式驱动的传统哥式振动陀螺具有难以消除的交叉干扰，不能有效提高传感器机械灵敏度。当采用激光冲击振动驱动方式的新型哥式振动陀螺后，可使其惯性指标得到改善，提高精度且简化结构。
2）光致微机械振动原理
首先根据哥式振动陀螺驱动原理，结合微悬臂梁集总参数模型与激光冲击波理论，形成激光冲击微悬臂梁的峰值压强模型。利用有限元软件对选定材料及尺寸的微悬臂梁模型进行模态分析。设计激光冲击薄膜模型，得出薄膜模型冲击位移与激光参数的对应关系。将激光冲击作用于选定的微悬臂梁模型，得出激光冲击微悬臂梁的作用规律。
其次，选用已优化的微臂梁参数制作样品，搭建激光冲击微臂梁样品实验平台。通过实验数据对激光冲击微悬臂作用规律进行验证。将实验样品与仿真模型的冲击位移数据进行比较，进一步验证了激光冲击波峰值压强模型。实验结果表明，微悬臂梁可以在激光冲击作用下，随激光参数产生规律的机械振动。
最后，设计采用激光冲击振动驱动的“十字型”哥式振动陀螺。在驱动位移相近的前提下，“十字型”陀螺机械灵敏度是同等尺寸下振梁式陀螺的4倍。进而表明具有轴对称的“十字型”陀螺拥有更好的机械性能。在相同驱动条件下，“十字型”陀螺比粘贴电压的“贴片—十字型”陀螺机械灵敏度提高4.74%，且拥有更大的驱动位移。这表明采用无接触方式进行驱动/检测的“十字型”陀螺拥有更好的机械性能。
3）光致微机械振动应用
微机械振动陀螺MVG（Micro-mechanical Vibratory Gyroscope）是惯性陀螺仪市场中增长最快的一部分产品。该惯性传感器不仅在现代工业控制、航天航空技术、汽车导航等领域表现出固有的核心地位。微机械振动陀螺凭借其体积小、重量轻、可用于大规模生产等特点，已逐渐取代昂贵且体积庞大的传统惯性传感器。微机械振动陀螺始终在提高精度、降低成本的方向快速发展。随着微机械振动陀螺技术的成熟，种类的增多，光致微机械振动逐渐应用于封装，尺寸，成本等工业应用上。
4.在生活中的实际应用
筛分设备是机械振动在现实生活中运用的最多的产品。比如热矿筛、旋振筛、脱水筛等各种各样的筛分设备。顾名思义，筛分设备就是运用振动的知识和筛分部件将不同大小不同类型的物品区分开来，以减少劳动力和提到生产效率。例如：热矿筛采用带偏心块的双轴激振器，双轴振动器两根轴上的偏心块由两台电动机分别带动做反向自同步旋转，使筛箱产生直线振动，筛体沿直线方向作周期性往复运动，从而达到筛分目的。又如南方用的小型水稻落谷机，机箱里有一块筛网，由发动机带动连杆做往复运动，当水稻连同稻草落入筛网的时候，不停的振动会让稻谷通过筛网落入机箱存谷槽，以实现稻谷与稻草的分离，减少人力资源，提高了农业效率。
输送设备运用到机械振动也是很多的。比如：螺旋输送机、往复式给料机、振动输送机、买刮板输送机等输送设备。输送设备就是将物体从一个地方通过输送管道输送到另一个地方的设备，以节约人力资源，提高生产效率。例如：广泛用于冶金、煤炭、建材、化工等行业中粉末状及颗粒状物料输送的振动输送机，采用电动机作为优质动源，使物料被抛起的同时通过输送管道做向前运动，达到输送的目的。
给料设备在某种程度上与输送设备有共同之处，例如：振动给料机、单管螺旋喂料机、振动料斗等设备。就拿振动料斗来说吧，振动料斗是一种新型给料设备，安装在各种料仓下部，通过振动使物料活化，能够有效消除物料的起拱，堵塞和粘仓现象，解决料仓排料难的问题。
5.机械振动在医疗诊断中的利用
1）振动治疗
分类：依据产生振动的能源、振动本身的物理性质、对人体的作用范围等，简要归纳如下： 机械振动疗法：因机械原因产生的振动，如偏t2,轮振动器、电磁振动器、手法产生的振动等。
电致振动疗法：因交变电流产生的振动，如低频电流导致的肌纤维颤动。
磁致振动疗法：因交变磁场产生的振动。
自主振动疗法：有人体自身引起的振动，如跳动、肌肉过度紧张性颤动(用力过度)引起的振动。
2）适应证
已知机械振动疗法的主要适应证有 ：①呼吸系统：老年慢性支气管炎、慢性阻塞性肺疾病 、支气管哮喘、胸部 (心 、肺)手术后呼吸困难等。②心血管系统：高血压、心肌病(心肌肥大、心力衰竭)等的辅助治疗。⑧消化系统：老年性消化不良、便秘、胆囊炎、胆道结石等。⑧泌尿系统：泌尿系结石(肾结石)、炎症等的辅助治疗。⑥皮肤：可用于疤痕软化等的辅助治疗。⑥骨关节系统：骨折、骨质疏松、关节挛缩、肌肉(肌腱)等软组织损伤、肌肉疲劳综合征(运动过度)、肌肉痉挛、腰痛(姿势性)、肩关节周围炎、颈椎病等。⑦神经系统：特发性射精障碍 、脊髓损伤后射精障碍、周围神经损伤后遗浅感觉障碍、空间忽略症等。⑧其他：肥胖症、慢性疲劳征等的辅助治疗 ”。
3）振动用于诊断
振动用于诊断的实例，较为经典的有用于测量听力及本体感觉等的音叉试验，较为新型的是利用一种振动测量计，测量振动的感觉阈，或研究感觉缺失的量，且因为它测量范围广、可信度高，对研究、记录严重神经病变的发展情况很有意义。特别是糖尿病性神经病变时，由于生物感觉阈计只能用于轻到中度神经病变的检测，而此时最大感觉阈值已超出了其测量范围，因此，振动测量计应用于诊断更具优越性 。近年还有利用振动刺激试验来辅助评价胎儿在宫内的状态，提高产前胎儿监护质量。
参考文献
[1] 王 红，许怀志，刘玉智，青岛电厂 1 号机组(300MW)异常振 动的分析及处理，ft东
电力技术，2003，1：55－57
[2] 童小忠，北仑电厂 1 号汽轮发电机组异常振动分析与处理， 汽轮机技术，2004（46），
6：467－469
[3] Campbell D J. Boundary effects in dynamic centrifuge model tests[A]. In：Centrifuge 91[C].
Rotterdam：A. A. Balkema，1991. 441–448.
[4] 王延博，大型汽轮发电机组轴系不对中振动的研究，动力工 程，2004（24），6：768
－774，784
[5] 李光，200MW 汽轮机轴承故障的诊断与处理，中国电力，2004（37），1：43－46
[6] Lee S N，You B J，Lim M S，et al. Visual measurement of pile penetration and rebound
movement using a high-speed line-scan camera[A]. In：2002 IEEE Int. Conf. Rob. Autom.[C]. Washington， D. C. USA：IEEE，2002. 4 307–4 312.
[7] 邵亚声，卫友根，QFS－300MW 双水内冷汽轮发电机主要机械 振动问题和处理结果，
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15] 科技情报，1994，1：1－7 王仕龙，黄葆华，320 MW 机组的振动分析与解决，华北电力 技术，2005，11：51－54 Withrow H. Compaction parameters of roller compacted concrete[A]. In：Roller Compacted Concrete II，Proceedings of the Conference[C]. New York，USA：ASCE，1988. 123–135. 华建民，林文虎，姚 刚. 大体积混凝土基础施工技术[J]. 四川建 筑，2001 郭平英，秦晓伟，张富屏等，跨外短轴晃度大对汽轮发电机 组振动影响的试验及分析，西北电力技术，1998，2：27－29 Hope V S，Hiller D M. Prediction of groundbore vibration from percussive piling[J]. Canadian Geotechnical Journal，2000，37(3)： 700–711. 韦海波,孙大川，50MW 机组发电机转子移重和低速平衡，四 川电力技术，2000，1：28－29 陆颂元，白林海，周峰，东方 D29 型 200MW 汽轮机组振动分 析和处理，中国电力，1995，5：14－20 Ramshaw C L，Selby A R，Bettess P. Computed ground waves due to piling[A]. In：
Proceedings of the 1998 Conference on Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics III. Part 2 (of 2)[C]. Seattle，WA，USA：Geotechnical Special Publication，1998. 1 484–1 495.
机械振动及其在机械工程中的应用
赵立
（江苏师范大学连云港校区海洋港口学院，江苏 连云港222003）
摘要：本文综述了机械振动在机械工程中的研究成果。首先阐述了机械振动的定义；然后举例机械振动的利用及其机械振动在工程中的应用进行详细阐述。比如振动压路机技术、振动摊铺机和振动筛及其石英振荡器的研究等方向应用并对振动压路机技术的发展趋势进行了分析；接着分析机械振动设备故障；最后对应用前景进行了展望。
关键词：机械振动、机械工程
Abstract: This paper summarizes the research results of mechanical vibration in mechanical engineering. Firstly, the definition of mechanical vibration is described, and then the application of mechanical vibration in engineering is expounded. Such as the development of the trend of vibratory road roller and vibration stand paver and vibration sieve and quartz oscillator. The research direction of the application and of vibratory road roller technology are analyzed. Then the analysis of the fault of mechanical vibration equipment; finally, it prospected the foreground of application.
Key words: mechanical vibration, mechanical engineering
1.引言
振动是在日常生活和工程实际中普遍存在的一中现象，也是整个力学中最重要的研究领域之
一。所谓机械振动，是指物体（或物体系）在平衡位置（或平均位置）附近来回往复的运动。在机械振动过程中，表示物体运动特征的某些物理量（如位移、速度、加速度等）将时而增大、时而减小地反复变化。在工程实际中，机械振动是非常普遍的，钟表的摆动、车厢的晃动、桥梁与房屋的振动、飞行器与船舶的振动、机床与刀具的振动、各种动力机械的振动等，都是机械振动。
2.振动的分类
机械振动有不同的分类方法。按产生振动的原因可分为自由振动、受迫振动和自激振动；按振动的规律可分为简谐振动、非谐周期振动和随机振动;按振动系统结构参数的特性可分为线性振动和非线性振动；按振动位移的特征可分为扭转振动和直线振动。
1）自由振动
自由振动：去掉激励或约束之后，机械系统所出现的振动。振动只靠其弹性恢复力来维持，当有阻尼时振动便逐渐衰减。自由振动的频率只决定于系统本身的物理性质，称为系统的固有频率。
2）受迫振动
受迫振动：机械系统受外界持续激励所产生的振动。简谐激励是最简单的持续激励。受迫振动包含瞬态振动和稳态振动。在振动开始一段时间内所出现的随时间变化的振动，称为瞬态振动。经过短暂时间后，瞬态振动即消失。系统从外界不断地获得能量来补偿阻尼所耗散的能量，因而能够作持续的等幅振动，这种振动的频率与激励频率相同，称为稳态振动。
3）自激振动
自激振动：在非线性振动中，系统只受其本身产生的激励所维持的振动。自激振动系统本身除具有振动元件外,还具有非振荡性的能源、调节环节和反馈环节。因此，不存在外界激励时它也能产生一种稳定的周期振动，维持自激振动的交变力是由运动本身产生的且由反馈和调节环节所控制。振动一停止,此交变力也随之消失。自激振动与初始条件无关，其频率等
于或接近于系统的固有频率。如飞机飞行过程中机翼的颤振、机床工作台在滑动导轨上低速移动时的爬行、钟表摆的摆动和琴弦的振动都属于自激振动。
3.机械振动在机械工程中的应用
1）光致微机械振动在哥式振动陀螺中的应用
哥式振动陀螺是用于测量旋转角速度的惯性传感器件。采用接触式驱动的传统哥式振动陀螺具有难以消除的交叉干扰，不能有效提高传感器机械灵敏度。当采用激光冲击振动驱动方式的新型哥式振动陀螺后，可使其惯性指标得到改善，提高精度且简化结构。
2）光致微机械振动原理
首先根据哥式振动陀螺驱动原理，结合微悬臂梁集总参数模型与激光冲击波理论，形成激光冲击微悬臂梁的峰值压强模型。利用有限元软件对选定材料及尺寸的微悬臂梁模型进行模态分析。设计激光冲击薄膜模型，得出薄膜模型冲击位移与激光参数的对应关系。将激光冲击作用于选定的微悬臂梁模型，得出激光冲击微悬臂梁的作用规律。
其次，选用已优化的微臂梁参数制作样品，搭建激光冲击微臂梁样品实验平台。通过实验数据对激光冲击微悬臂作用规律进行验证。将实验样品与仿真模型的冲击位移数据进行比较，进一步验证了激光冲击波峰值压强模型。实验结果表明，微悬臂梁可以在激光冲击作用下，随激光参数产生规律的机械振动。
最后，设计采用激光冲击振动驱动的“十字型”哥式振动陀螺。在驱动位移相近的前提下，“十字型”陀螺机械灵敏度是同等尺寸下振梁式陀螺的4倍。进而表明具有轴对称的“十字型”陀螺拥有更好的机械性能。在相同驱动条件下，“十字型”陀螺比粘贴电压的“贴片—十字型”陀螺机械灵敏度提高4.74%，且拥有更大的驱动位移。这表明采用无接触方式进行驱动/检测的“十字型”陀螺拥有更好的机械性能。
3）光致微机械振动应用
微机械振动陀螺MVG（Micro-mechanical Vibratory Gyroscope）是惯性陀螺仪市场中增长最快的一部分产品。该惯性传感器不仅在现代工业控制、航天航空技术、汽车导航等领域表现出固有的核心地位。微机械振动陀螺凭借其体积小、重量轻、可用于大规模生产等特点，已逐渐取代昂贵且体积庞大的传统惯性传感器。微机械振动陀螺始终在提高精度、降低成本的方向快速发展。随着微机械振动陀螺技术的成熟，种类的增多，光致微机械振动逐渐应用于封装，尺寸，成本等工业应用上。
4.在生活中的实际应用
筛分设备是机械振动在现实生活中运用的最多的产品。比如热矿筛、旋振筛、脱水筛等各种各样的筛分设备。顾名思义，筛分设备就是运用振动的知识和筛分部件将不同大小不同类型的物品区分开来，以减少劳动力和提到生产效率。例如：热矿筛采用带偏心块的双轴激振器，双轴振动器两根轴上的偏心块由两台电动机分别带动做反向自同步旋转，使筛箱产生直线振动，筛体沿直线方向作周期性往复运动，从而达到筛分目的。又如南方用的小型水稻落谷机，机箱里有一块筛网，由发动机带动连杆做往复运动，当水稻连同稻草落入筛网的时候，不停的振动会让稻谷通过筛网落入机箱存谷槽，以实现稻谷与稻草的分离，减少人力资源，提高了农业效率。
输送设备运用到机械振动也是很多的。比如：螺旋输送机、往复式给料机、振动输送机、买刮板输送机等输送设备。输送设备就是将物体从一个地方通过输送管道输送到另一个地方的设备，以节约人力资源，提高生产效率。例如：广泛用于冶金、煤炭、建材、化工等行业中粉末状及颗粒状物料输送的振动输送机，采用电动机作为优质动源，使物料被抛起的同时通过输送管道做向前运动，达到输送的目的。
给料设备在某种程度上与输送设备有共同之处，例如：振动给料机、单管螺旋喂料机、振动料斗等设备。就拿振动料斗来说吧，振动料斗是一种新型给料设备，安装在各种料仓下部，通过振动使物料活化，能够有效消除物料的起拱，堵塞和粘仓现象，解决料仓排料难的问题。
5.机械振动在医疗诊断中的利用
1）振动治疗
分类：依据产生振动的能源、振动本身的物理性质、对人体的作用范围等，简要归纳如下： 机械振动疗法：因机械原因产生的振动，如偏t2,轮振动器、电磁振动器、手法产生的振动等。
电致振动疗法：因交变电流产生的振动，如低频电流导致的肌纤维颤动。
磁致振动疗法：因交变磁场产生的振动。
自主振动疗法：有人体自身引起的振动，如跳动、肌肉过度紧张性颤动(用力过度)引起的振动。
2）适应证
已知机械振动疗法的主要适应证有 ：①呼吸系统：老年慢性支气管炎、慢性阻塞性肺疾病 、支气管哮喘、胸部 (心 、肺)手术后呼吸困难等。②心血管系统：高血压、心肌病(心肌肥大、心力衰竭)等的辅助治疗。⑧消化系统：老年性消化不良、便秘、胆囊炎、胆道结石等。⑧泌尿系统：泌尿系结石(肾结石)、炎症等的辅助治疗。⑥皮肤：可用于疤痕软化等的辅助治疗。⑥骨关节系统：骨折、骨质疏松、关节挛缩、肌肉(肌腱)等软组织损伤、肌肉疲劳综合征(运动过度)、肌肉痉挛、腰痛(姿势性)、肩关节周围炎、颈椎病等。⑦神经系统：特发性射精障碍 、脊髓损伤后射精障碍、周围神经损伤后遗浅感觉障碍、空间忽略症等。⑧其他：肥胖症、慢性疲劳征等的辅助治疗 ”。
3）振动用于诊断
振动用于诊断的实例，较为经典的有用于测量听力及本体感觉等的音叉试验，较为新型的是利用一种振动测量计，测量振动的感觉阈，或研究感觉缺失的量，且因为它测量范围广、可信度高，对研究、记录严重神经病变的发展情况很有意义。特别是糖尿病性神经病变时，由于生物感觉阈计只能用于轻到中度神经病变的检测，而此时最大感觉阈值已超出了其测量范围，因此，振动测量计应用于诊断更具优越性 。近年还有利用振动刺激试验来辅助评价胎儿在宫内的状态，提高产前胎儿监护质量。
参考文献
[1] 王 红，许怀志，刘玉智，青岛电厂 1 号机组(300MW)异常振 动的分析及处理，ft东
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[2] 童小忠，北仑电厂 1 号汽轮发电机组异常振动分析与处理， 汽轮机技术，2004（46），
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[7] 邵亚声，卫友根，QFS－300MW 双水内冷汽轮发电机主要机械 振动问题和处理结果，
[8]
[9]
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[15] 科技情报，1994，1：1－7 王仕龙，黄葆华，320 MW 机组的振动分析与解决，华北电力 技术，2005，11：51－54 Withrow H. Compaction parameters of roller compacted concrete[A]. In：Roller Compacted Concrete II，Proceedings of the Conference[C]. New York，USA：ASCE，1988. 123–135. 华建民，林文虎，姚 刚. 大体积混凝土基础施工技术[J]. 四川建 筑，2001 郭平英，秦晓伟，张富屏等，跨外短轴晃度大对汽轮发电机 组振动影响的试验及分析，西北电力技术，1998，2：27－29 Hope V S，Hiller D M. Prediction of groundbore vibration from percussive piling[J]. Canadian Geotechnical Journal，2000，37(3)： 700–711. 韦海波,孙大川，50MW 机组发电机转子移重和低速平衡，四 川电力技术，2000，1：28－29 陆颂元，白林海，周峰，东方 D29 型 200MW 汽轮机组振动分 析和处理，中国电力，1995，5：14－20 Ramshaw C L，Selby A R，Bettess P. Computed ground waves due to piling[A]. In：
Proceedings of the 1998 Conference on Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics III. Part 2 (of 2)[C]. Seattle，WA，USA：Geotechnical Special Publication，1998. 1 484–1 495.