振动利用工程作业

1、 论 文 作 业 振动利用工程的认识及应用举例作者姓名：指导教师：学校：东北大学机械工程与自动化学院学科类别：工科学科专业名称：机械评阅人：东 北 大 学2012年11月 摘 要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。关键

2、词：机械振动；振动利用工程；体外冲击波碎石机 目 录1.1 振动系统模型31.2振动的分类31.3振动利用的应用与发展41.3.1 振动机械与振动仪器及其根关技术41.3.2 非线性振动利用技术的应用与发展42.5 波动与波能利用技术的应用和发展7参考文献14致 谢16 1.机械振动概述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

3、、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。1.1 振动系统模型模型就是将实际事物抽象化而得到的表达。例如，力学中的质点、刚体、梁、板、壳、质量-弹簧系统等都是模型。振动系统模型按系统的不同性质可分为：离散系统与连续系统、常参数系统与变参数系统、线性系统与非线性系统、确定系统与随机系统等。1) 离散系统与连续系统。2) 常参数系统与变参数系统。3) 线性系统与非线性系统。4) 确定系统与随机系统。1.2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

4、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。2) 受迫振动。3) 自激振动。1.3振动利用的应用与发展1.3.1 振动机械与振动仪器及其根关技术线性和非线性振动利用技术多数是通过能产生振动的机械设备或仪器，即振动机械会经或振动仪器来完成的，振动机械或振动仪器作为一种特殊的设备或装置已在工业生产中得到广泛的应用。振动机械或仪器有着广泛的用途，例如给料和输送、筛分和烘干、破碎和清理、成型和压实、振捣和打拔、试验和测示、监测和诊断以及其他用途等。据初步统计，振动机械和仪器的用途和种类已达百余种，它们在工业、农业、国防以及人类生

5、活的各个方面发挥着重要的作用。随着科学技术的发展，利用振动的新工艺不断出现，下面举出若干应用实例：1) 振动破碎机的应用。2) 振动摊铺及振动压路。3) 振动成型与整形工艺。1.3.2 非线性振动利用技术的应用与发展在前面列举的振动机械与仪器中，按其线性和非线性的特性可分为线性或似线性(近似于线性)及非线性两大类。在非线性振动机械和仪器设备中，有一部分是为了获得良好的工效有意识地采用系统的非线性特性，另有一部分则是非有意识地、而是在工作过程中自然地存在非线性的性质。目前非线性振动系统或非线性振动特性的利用技术得到了迅猛的发展，其具体内容可做以下简单介绍。1) 具有分段摩擦或具有冲击和分段惯性力

6、振动系统的利用。2) 光滑非线性振动系统的利用。3) 分段线性非线性振动系统的利用。4) 非线性滞回系统的利用。5) 非线性自激振动系统的利用。6) 冲击非线性振动系统的利用。7) 慢变参数振动系统能利用。8) 频率俘获原理的应用。9) 分岔解的利用。10) 混沌的工程应用。2.振动利用工程概述 振动与波是20世纪后半期发展起来的一种具有广泛应用价值的科学技术,目前还正处在迅速发展过程中，由于该种技术与工农业生产联系十分密切,能创造巨大的经济效益与社会效益,并能为人类生活提供良好的服务,现今已成为工农业生产与人民日常生活必要的机制。 2.1振动利用工程”的概念由于“振动利用工程”牵涉面很广,涉

7、及的领域及其相关的学科较多,应用范围及其分布十分零散。因此,给它的系统和深入的研究带来较大难度,这也可能是目前其他国家未能对这一学科进行系统研究与总结的主要原因。中国首先提出了“振动利用工程”学科的新概念并进行了综合与总结。振动利用工程是研究振动与波利用的理论、技术及设备的一门新兴的学科。它是机械振动学三个主要分支（机械振动的理论基础、机械振动的控制和机械振动的利用）中与人类生活和生产联系十分密切的一个分支，振动利用工程是融机械学、力学、电工学与电子学、控制理论等为一体的交叉学科，是一门面向工程实际的技术科学。在人类生活与生产等各个方面均获得广泛应用，并已扩展到生物工程与社会经济等众多领域，目

8、前它正处在迅速发展过程中，由于该学科所涉及的有关技术与工农业生产及人类生活联系十分密切，已正真成为人类生产活动与生活过程中一种不可缺少的手段与必要的机制。振动（包括波动）按其类型可分为：线性与近似于线性的振动、非线性振动、波动以及电磁振荡等，因此，相应地可把振动的利用划分为在这些方面的应用。振动与波不仅已广泛应用工程技术部门，目前正在向信息技术、生物工程、社会经济领域以及人类日常生活的各个方面，预计它还会得到更进一步的发展。2.2振动利用工程的理论框架通过对“振动利用工程”的研究，将该学科划分为：线性与近似于线性振动的利用、非线性振动的利用、波及波能的利用、电磁振荡原理的应用，以及振动与波在生

9、物工程和社会经济领域及气象学中的利用等，为“振动利用工程”学科构建起了理论框架（图1）。 图 1 线性与非线性振动与波的应用领域2.3完善了该学科某些分支的理论通过研究，对“振动利用工程”学科的多个分支提出了相应的理论，这些理论在闻邦椿院士撰写的6部著作及相关的300余篇论文中已有叙述，为该学科奠定了理论基础。目前闻邦椿课题组研究取得的有些理论和成果，已编入机械工程手册机械振动篇、机械振动手册和振动与冲击手册等手册中。2.4研究出多种新型振动机构下面仅举出 6 种新型振动机构： 图2 惯性共振式概率筛 图3 惯不对称弹性力的非线性弹簧摇床 图4 软式与硬式组合的非线性共振动筛 图5 内外圆锥组

10、成的用于破碎的振动机构 图6 二次隔振偏转式双激振器自同步冷矿振动筛的工作机构 图7 两轴反向回转的自同步振动机2.5 波动与波能利用技术的应用和发展波动与波能的利用是近十几年来振动利用工程领域中获得广泛发展的一个新方向，国内外在这一方面作了大量的研究，许多成果已用于实际，还有不少问题正处在研究与发展过程中。下面列举一些典型的应用实例。波的类型用途仪器设备名称海浪与潮汐(水的波动与波能)的利用海浪发电、潮汐发电、潮汐运输等海浪发电设备、潮汐发电站、潮汐运输装置与船舶等弹性波(应力波)的利用振动采油、振动勘探、桩基检测、结构健康诊断等振动采油设备、地质勘探机或勘探车、桩基检测用激振器及附属设备等

11、次声波与声波的利用设备与结构的诊断等次声波发生器超声波的利用超声电机、超声油水混合、超声医疗(彩超、超声粉碎结石)、超声诊断等超声电机、超声油水混合装置、超声医疗仪、彩超、超声粉碎结石机、超声清洗机等紫外波与微波的利用紫外波杀菌、微波加热、微波通信等紫外波发生器、微波炉、微波通信设备可见光波的利用加热、激光技术、光导纤维技术等热水器、激光加工、光导纤维通信等红外波的利用加热、成像、医疗、军事监察等加热器、热成像技术、红外医疗仪、红外军事监察设备等X射线波、Y射线波与射线波的利用医疗、诊断等X射光机、医用CT、工业CT、射线治疗仪及其他检测与诊断设备 表1 3. 体外冲击碎石机3.1定义： 冲击

12、波：是一种不连续锋在介质中的传播，这个锋导致介质的压强、温度、密度等物理性质的跳跃式改变。通常指核爆炸时,爆炸中心压力急剧升高,使周围空气猛烈震荡而形成的波动。冲击波以超音速的速度从爆炸中心向周围冲击,具有很大的破坏力,是核爆炸重要的杀伤破坏因素之一。 3.2分类： 液电式冲击波 （最常用） 压电式冲击波波源 电磁式冲击波波源3.3应用： 3.3.1体外冲击碎石机治疗尿路结石具有创伤小、费用低、治疗效果好等优点从而广泛应用于临床。尿路结石是泌尿系统的常见病之一，国外统计，在发达国家其发病率在成人人群中为2%-3%，仅美国每年因尿路症住院者达30万以上，约10万人以上接受手术治疗。在体外冲击碎石

13、术(Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy，EswL)的诞生之前尿路结石唯一有效的治疗方法是手术取石。 图8 肾结石 体外冲击波碎石机主要由体外冲击波发生源、冲击波的触发系统、冲击波与人体的耦合、结石定位系统、计算机控制操作系统和治疗床组成。体外冲击波碎石机是利用碎石机产生的冲击波在体外聚焦击碎体内的结石，使之随尿液排出体外，以治疗尿路结石的装置。而冲击波属于机械波，同时，声波也是一种通过介质传播的机械波，压力脉冲可被视为脉宽极短的声波，如图2.2所示。医用碎石机冲击波的脉冲宽度的国家标准规定需要小于等于1µs。在一定范围内，冲击波脉冲宽度越小，其

14、碎石效果越好，目前我国国产主流医用碎石机的冲击波脉冲宽度小于等于0.8µs。 3.3.2体外碎石机原理 冲击波发生（液电）的基本原理是通过高电压、大电流、瞬间放电，在放电通道上形成一个高能量密度的高温、高压等离子区，将电能迅速转换为热能，光能、力能和声能，放电过程中放电通道急剧膨胀，在水介质中形成压力脉冲，也就是冲击波。除液电冲击波源外，尚有电磁波源、压电晶体波源等冲击波源。 电磁冲击波发生源它产生冲击波的原理是电磁感应。通过充电的高压电容器对一个电感线圈放电, 产生的脉冲电流形成一个很强的脉冲磁场, 使线圈上覆盖的振膜感应产生磁场, 振膜磁场与线圈磁场相互作用产生排斥力, 在水介质

15、中振膜的另一面形成冲击波。 压电冲击波发生源它产生冲击波的原理是压电效应。在球形盘的内表面安置许多个压电晶体块, 组成一系列压电发送器。每当压电晶体块上输入高频脉冲电压时, 压电晶体就发生变形,晶体的高频变形引起周围水介质产生冲击波。3.3.3 医用碎石机要达到粉碎结石的目的 必须满足三个条：(1)能产生一定强度而且可以聚焦的冲击波；(2)经过一定的传播介质，尽量无损耗地将冲击波送到结石部位；(3)使冲击波的聚焦焦点与结石的位置很好地重合在一起。 因此，碎石机由波源发生系统、定位系统、水系统、三维运动系统以及辅助系统构成。 图9 外形图 图10 原理图 3.3.4 用医院的B超机对人体进行扫描

16、，要求B超图像纵向分辨力小于等于2mm ;横向分辨力小于等于3mm,探测深度20cm，碎石机还会配备定位装置，通过距离传感器，显示B超探头与结石间的距离。在调试安装碎石机的过程中，要确保B超探头的中心线与波源的第二焦点相交 3.3.5 冲击波波源定位实图 图11 冲击波波源定位实图 图12 液电冲击波波源图3.4应用设想日本一个教授研究的一项技术（具体细节不太清楚） 图13 实验装置 一个很有趣的装置，当放电以后，苹果拿出来可以插上一个吸管直接喝苹果汁了。原因是放电以后产生的巨大的冲击波把苹果内的细胞打碎了，细胞破裂，因此会出现这样的神奇现象。 而受到这个小发明的启发，导师有这样的一个研究方向

17、就是将冲击波应用到污泥破解中去，大体的思路是这样的： 污泥 图14 破解污泥设想把污泥中细菌用冲击波打碎。 4.作业总结 振动利用工程课程是我在机械领域的一个延伸与拓展，是为我各方面综合素质的一个融会贯通的过程。在为期7周的课程学习里，学到了很多东西，也为以后走实践应用打下了一定的基础，在本科的四年里内，使我感觉到一切所学知识都是死的，只知道它的基本理论，但不知如何运用。通过与那里老师的学习我学会了如何真正动手查找相关文献以及善于思考的本领，在设计过程中需要把理论和实践相结合。对这一点我深有体会。 独立思考能力提高：通过具体任务的锻炼，对振动学习过程的了解，以及在设计过程中遇到的困难的解决，达到了了具体问题具体分析和充分发挥自己观点这一方面得到了很大的提高。 知识面的开阔：通过此次振动利用工程的学习，我接触到了以前没学到的东西，一切靠自己的能力完成解决。是自己对机械振动部分有了一个完整的认识，把一切学过的东西有机结合一个整体。同时使自己的自学能力有了很大的提高。 参考文献1 闻邦椿、李以农、张义民、宋占伟. 振动利用工程. 北京：科学出版社 20052 闻邦椿、赵春雨、苏东海、熊万里. 机械系统的振动同步与控制同步. 北京：科学出版 社 20033 闻邦椿、刘树英、何勍. 振动机械的理论与动态设计方法. 北京：机械工业出版社，2001