振动机械发展与展望

2021/7/181振动机械的近期发展与展望东北大学 闻邦椿振动机械的近期发展与展望2021/7/18

2振动机械的近期发展与展望0、振动机械的发展现状1、振动机械学的内涵及分类2、振动机械的理论与技术的新成果曾引发多次重大革命或重大变革3、振动机械的发展研究并提出了许多新原理、新机构、新模型、新理论、新方法、新技术,研制了新机器，最后创建了“振动利用工程”新学科。00、展望振动机械的近期发展与展望2021/7/18

30.

振动机械的发展现状0.1振动是物质运动的基本形式在物质世界里，到处存在着振动。振动可分为线性和非线性两类，自然界中的振动绝大多数是非线性的。振动可分为有用和有害的两类。人类自身的许多器官也每时每刻都处在振动之中,例如，心脏的搏动、血液的循环、肺部的张缩呼吸、脑细胞的思维以及耳膜的振动和声带的振动等,这些无一不是人体对振动的有效利用。机器的振动；建筑物的振动；环境噪声等。前面列举的都属于振动。振动机械的近期发展与展望2021/7/18

4振动机械的近期发展与展望0.

振动机械的发展现状0.2振动工程是关系到我国国民经济发展的重大课题振动可分为有用振动和有害振动两大类有用振动：很多机械设备为了提高工效都要利用振动,如冶金及煤炭工业中的大型振动筛,高速公路建设中的振动压路机与摊铺机等(振动压路机可使高速公路路面密实度由90%提高到96%,公路的寿命约可延长20%以上,每公里高速路费用为2000万元,100公里高速路可节约4亿元)。有害振动：如汽轮机、大型离心压缩机、核电站主泵、燃气轮机、航空发动机等重大装备，一旦出现不稳定的振动，轻则会影响工作效果和质量，重则会发生机毁人亡的惨剧(大同、秦岭、阜新三电厂20万kW机组毁机事故,每次损失都高达数亿元人民币)。2021/7/18

5振动机械的近期发展与展望0.

振动机械的发展现状0.3

研究振动利用工程是一项迫切任务振动的研究分为振动理论、振动控制与振动利用三个方面。我们的科研团队,

经过20多年的不懈努力,

完成了国家和横向项目等30余项课题,

研究并提出了新理论和新技术、研制了多种新机器，最后创建了新学科。我从1955年开始研究振动机械，当时来了一位苏联专家格.依.索苏诺夫，我和王峰都是研究生，到现

在已经52年头了，当时在苏联振动机械是国际领先的。振动筛有奥列夫斯基，振动破碎机有隆德克维斯特。振动与波在工程中的应用及其控制振动机械的发展振动机械学的内涵及分类；振动机械的理论与技术的新成果曾引发多次重大革命或变革；振动机械的发展:研究并提出了新原理、新机构、新模型、新理论、新方法、新技术、新机器，最后创建了新学科。2021/7/18

6振动机械的近期发展与展望2021/7/187振动与波在工程中的应用及其控制1

振动机械学的内涵及分类振动机械的近期发展与展望图1

振动机械的分类惯性式非共振类振动机惯性式线性近共振双质体振动机惯性式非线性近共振双质体振动机弹性连杆式近共振双质体振动机电磙式近共振双质体振动机非线性振动的利用线性振动的利用弹性连杆式近共振多质体振动机运动轨迹为直线运动轨迹为圆周运动轨迹为椭圆齿轮强迫同步的振动同步或自同步的2021/7/188振动混合振动压实输送给料类筛分选别类冷却干燥类成型密实类破碎粉磨类脱别类振动整形动

动水

水振动成型振

振

振

振

振

振

振

振

振

共

振 振

振

振动

动

动

动

动

动

动

动

动

振

重破

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输

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斗

料

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料

队

料

分

分

脱振动密实振振振离动动动动动心选分冷冷干却冻燥振动中碎振动光饰振动球磨振动破碎振动碎冰１ 振动机械学的内涵（a）(10大类,54种用途)振动利用工程的应用与发展2021/7/189桩基检测振动测量仪振动勘探振动平衡振动测量振动诊断振动监察振振振动动动压夯摊路土铺振振动动熨铲平斗振振振振动动动动犁装锤钻耙载锻探振

振动

动碎

凿石

岩振振振振振附插振振动动动动动着入动动清落清疏捣振振沉拔理砂砂通固捣捣桩桩清理疏通类振捣打拔类犁铲装载类钻探凿岩类测量诊断类１ 振动机械学的内涵（b）(10大类,54种用途)振动机械的确良近期发展与展望2021/7/18

10２振动机械的理论与技术的新成果曾引发多次重大革命或变革a）理论上的创新：1）同步理论的利用

2）共振的利用3）非线性振动的利用

4）自激振动的利用振动机械的近期发展与展望2021/7/18

11b）技术上的发明：可控整流电磁激振技术振动压实技术5）超声电机2）惯性振捣技术4）振动检桩技术6）振动诊断技术创新：原始创新、集成创新和引进消化吸收后再创新目前我国不少企业也在创新，也在争国际领先。多数在争生产的机器尺寸最大的，就是国际领先，我以为还应该从技术含量上争取国际领先。如德国的振动筛重量轻，恐怕暂时我国那个企业没法超过它，如果以后有谁能超过它，可以说国际领先。振动机械的近期发展与展望2021/7/18

12振动机械的近期发展与展望３

振动机械的发展(数十人,20多年,10多著作,500多部论文,研制了10余种新机器)在以下八个方面开展了原始创新和集成创新的研究：研究了新原理，如概率等厚筛分新原理发明了新机构，如激振器偏转式新机构建立了新模型，如间隙滞回系统新模型发展了新理论，如振动同步传动新理论提出了新方法，如产品综合设计新方法研制了新机器，如惯性共振概率新筛机研发了新技术，如振机弯振预防新技术创建了新学科，如振动利用工程新学科最终目标:在国际上首先创建振动利用工程新学科2021/7/18

13振动机械的近期发展与展望３ 振动机械的发展

(1)新原理提出了若干新的工艺原理与技术研究物料在振动平面上及振动锥体内运动机理研究了物料筛分过程理论，如概率等厚筛分法研究了振动压实过程中的振动摩擦的理论问题研究了物料的结合质量和当量阻尼的计算原理已在《振动机械的理论与动态设计方法》（机械工业出版社，2001）一书及相关论文中提出2021/7/18

14振动机械的近期发展与展望３ 振动机械的发展

(1)新的筛分原理筛分方法及筛分原理的分类1)

普通筛分法2)

薄层筛分法3）概率筛分法（瑞典）

4）等厚筛分法（法国）5) 概率等厚筛分法（中国）我们提出了概率等厚筛分新原理，并应用于工程中已在《振动机械的理论与动态设计方法》（机械工业出版社，2001）一书及相关论文中提出2021/7/18

15振动机械的近期发展与展望３ 振动机械的发展

(2)新机构惯性共振式双质体近共振新机构（图2）激振器偏转式双质体二次隔振自同步非共振新机构（图3）软式与硬式组合的双质体复杂分段线性非线性的近共振的新机构（图4）内外锥组成双激振器用于破碎的新机构（图5）不对称弹性力的双质体非线性近共振新机构（图6）振动同步传动的自同步新机构（图7）已在《振动机械的理论与动态设计方法》（机械工业出版社，2001）一书及相关论文中提出2021/7/18

16振动利用工程的应用与发展３

振动机械的发展(2)新机构惯性共振式双质体近共振新型机构（图2）激振器偏转式自同步非共振新机构（图3）图2 惯性共振式近共振新机构图3 激振器偏转式自同步非共振新机构已在《振动机械的理论与动态设计方法》（机械工业出版社，2001）一书及相关论文中提出2021/7/18

17软式与硬式组合的复杂分段线性非线性的近共振新机构,图4内外圆锥组成双激振器用于破碎的新机构,图5图4 软式硬式组合非线性近共振新机构图5 内外圆锥组成双激振器新机构已在《振动机械的理论与动态设计方法》（机械工业出版社，2001）一书及相关论文中提出(2)

新机构2021/7/18‹#›2021/7/18

19振动机械的近期发展与展望(3)新模型提出了惯性力项为非线性的动力学模型提出了不对称软式分段线性动力学模型提出了硬软式复合分段线性动力学模型提出了高次谐波频率俘获的动力学模型构建了带间隙的滞回非线性动力学模型构建了双参数慢变的非线性动力学模型已在著作《工程非线性振动》（科学出版社，2007）一书及相关论文中提出20(3)新模型图8

不对称分段线性振动离心机一个周期内物料的运动速度曲线2021/7/18图

9 不对称分段落线性振动离心机非线性动力学模型1) 提出了惯性力项为非线性的动力学模型2021/7/18‹#›2021/7/18

222)

软式分段线性非线性动力学模型(b)力学模型(a)弹簧摇床工程机构图图10

弹簧摇床(a)m1m0m2k△k(b)m0m1△kkam2dxx0ωa0-a(3)新模型2021/7/18

232)软式分段线性非线性弹簧摇床的动力学方程22

2Qx,

xe

0m

xm1

x1x

x1

x2

,

x

x1

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k x

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f

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x,Qx,

x

(3)新模型2021/7/18

242)幅频曲线与试验测得的振动曲线AB*e0ωbω(a)(b)图11

幅频曲线正常运转曲线停机时的振动曲线图12

试验测得的振动曲线(3)新模型2021/7/1825图13

非线性惯性式共振筛的结构图14

非线性惯性式共振动筛的共振动曲线(3)新模型3) 提出了硬软式复合分段线性动力学模型2021/7/18

264)

带间隙的滞回系统的振动曲线me图15 双向间隙的滞回系统图16 振动破碎机械的动力学模型11(3)新模型2021/7/18

274)

带间隙的滞回系统的运动方程式x

2x

f

x

p

sin

t4422432222221

1e

x

xx

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xx

xx

a

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x

x

0x

0x

0x

012

x

a

sgn

x(3)新模型2021/7/18

284) 最大Lyaponov指数与分岔图(a)最大Lyaponov指数 (b)

分岔图图17 当2ω∈(0.3，1.7) 时的非线性动力学特性(3)新模型2021/7/18

29(3)新模型5)基频与倍频的频率俘获210w/

v

3maxvw/v32s3s1sw/

v

3

minw/

v

2maxw/

v

2minw/

v

maxw/

v

min图18

基频与倍频的频率俘获在1981年于前苏联基辅第９届国际非线性振动会议上提出2021/7/18

306)慢变参数系统的利用图19

系统刚度具有不同变化速度kd时瀑布图a)

kd=0 b)

kd=5 c)

kd=10 d)

kd=15 e)

kd=20 f)

kd=25(3)新模型2021/7/18

31振动机械的近期发展与展望(4)新理论以振动同步理论为例提出了激振器偏转式的自同步振动机的同步性判据和同步状态的稳定性判据提出了出倍频同步自同步振动机的同步理论研究了振动同步传动的理论将同步理论扩展到控制同步和广义同步研究了振动同步与控制同步混合的复合同步已在《机械系统的振动同步与控制同步》（科学出版社，2003）一书及相关论文中提出2021/7/1832“振动利用工程”学科的发展(4)新理论1)

提出了激振器偏转式的自同步振动机的同步性判据和同步状态的稳定性判据2021/7/18

33(4)新理论1)

提出了激振器偏转式的自同步振动机的同步性判据和同步状态的稳定性判据D

1W

cos

021

2

ψ

ψψ

ψayyx

0

x

f

2g

1

g

2

f

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2

αJ

l

2

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2γcos

2

αJ

l

2

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2γl

2m

cos

2

αm

cos

2

α2

M

M

M

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2D

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2

2

r

21

222

ψ

ψψ

ψayyxcos2

α

J

l

2

sin

2γcos2

α

J

l

2

cos

2γl

2mcos2

αm

cos2

αW

x

同步性判据同步运转状态的稳定性判据2021/7/18

34(4)新理论2)

提出了出倍频同步自同步振动机的同步理论10v1/

v2

3maxv2v132

2s3s1sv1/

v23

minv1/

v2

2maxv1/

v2

2minv1/

v2

maxv1/

v2

min2021/7/1835“振动利用工程”学科的发展(4)新理论3)

研究了振动同步传动的理论振动同步传动实现的条件:

首先使两台振动电机获得同步运转;切断其中一台振动电机的电 源;必须满足同步性条件与同步运转状态的稳定性条件通过控制器实现交替供电2021/7/18

36振动机械的近期发展与展望(5)新方法提出了产品设计的7D总体规划模型即提出了以设计思想、设计环境、设计过程、设计目标、设计内容、设计方法和设计质量检验等7项内容的总体规划提出了1+3+X

综合设计法即提出以功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计为核心内容的1+3+X的综合设计方法提出了以非线性动力学为基础的深层次动态设计方法即提出了以非线性振动、非线性动力有限元、非线性多体系统动力学为基础的动态设计理论与方法已在《面向产品广义质量的综合设计理论与方法》（科学出版社，2006）一书及相关论文中提出2021/7/18

37振动利用工程的应用与发展(5)新方法设计思想域DI设计环境域DE设计目标域DO设计过程域DＰ设计内容域DC设计方法域DM质量检验域DA主观能动效应客观环境要求用户信息获取功能需求实现功能与性能的需求实现功能性能评价全局性态规划1)

提出了产品设计的7D总体规划模型—

规划阶段二 实施阶段三 检验阶段４ 振动利用技术的发展

(5)新方法2021/7/18

38基于系统工程的产品全功能和全性能的设计规划面向产品广义质量或全功能全性能优化设计思想以科学发展观和自主创新思想作指导。贯彻绿色设计、创新设计或基于系统工程的设计思想设计目标产品广义质量（功能+性能）Q、C、T、E、S拟选用全功能设计法、全性能设计法或QFD设计法等设计质量检验拟选用产品质量可靠性评估方法、模糊评估法、价值评估法或系统工程评估法等设计方法拟选用优化设计、可视化设计、虚拟设计、数字化设计、智能设计、协同设计、并行设计、网络设计或集成设计等设计环境要充分考虑产品的设计环境对产品设计提出的要求如政治、经济、社会、人文和法律环境的要求设计内容拟选用功能设计、结构设计、参数设计、动态设计、强度设计、传动设计、造型设计、摩擦学设计或控制系统设等设计过程由用户需求、产品功能优化、性能优化、工艺优化及产品检验等组成的五个过程图21 产品设计的

7D 总体规划模型(60多设计法都可以找到它们自己的位置)2021/7/18

39振动利用工程的应用与发展(5)新方法2)

提出了1+3+X

综合设计法机械产品深层次的（1+3）+X

综合设计法的内容与特点现代机械动态优化设计动态优化设计动态可靠性设计参数智能控制工

工作

作过程智能控制产品装配可视化设计工作过程可视化图22 现代机械产品的

1+3+X

综合设计法的内容与特点X：依据产品特点而应该采用的设计方法，如轿车，要考虑造型设计等现代机械智能优化设计现代机械可视优化设计以功能优化设计为先导的设计2021/7/18

40振动利用工程的应用与发展(5)新方法3)

提出了以非线性动力学为基础的深层次动态设计方法不确定性：系统或工作过程中的参数是不确定的。时变性：即慢变、突变、参变和滞后特性，几乎所有的机械都处在时变情况下运行。非线性特性：应考虑系统与工作过程中的非线性因素，不论是机械系统，或是控制系统,

几乎都具有非线性的性质。高维：多数机器设备的实际工作系统是高维的，因此，应该真实反映机器实际工作的情况，即应该考虑系统的高维的特性强耦合特性：多数机器设备的实际工作系统是强耨合的，因此，应该真实反映机器实际工作的情况，即应该考虑系统的强耦合的特性。多参数或多变量的特性：应考虑机器实际工作过程中的具有多参数和多变量等复杂的实际情况。2021/7/18

41振动机械的近期发展与展望３ 振动机械的发展

(6)新技术预防长距离振动输送机产生弹性弯曲的新技术保持振动机械振动稳定的新技术消除构件焊接内应力的新技术防止螺钉和螺帽松动的新技术防止筛孔堵塞的技术提高筛面耐磨性的技术二次隔振减小传给基础振动的技术减少振动机起动通过共振振幅的技术2021/7/1842(7)新机器振动机械的近期发展与展望激振器偏转式大型冷矿振动筛惯性共振式概率筛20-40米长的平衡加隔振动的大长度振动输送机新型振动压路机大宽度新型摊铺机750吨振动沉拔桩机实现振动同步传动的自同步振动给料机双激振器自同步振动破碎机2021/7/18

43１)

激振动器偏转式大型冷烧结矿振动筛(已生产200多台，在10多个冶金企业应用，节省外汇上亿元人民币)图23

激振器偏转式大型冷烧结矿振动筛创新点：发明了偏转式自同步激振器，为国际首创，机器高度约可降低１米左右2021/7/18

44１)

激振动器偏转式大型冷烧结矿振动筛(已生产200多台，在10多个冶金企业应用，节省外汇上亿元人民币)图24 激振器偏转式大型冷烧结矿振动筛创新点：发明了偏转式自同步激振器，为国际首创，机器高度约可降低１米左右2021/7/18

45２)

惯性共振动式概率筛(已在电力、冶金等部门获得成功应用)图25 惯性共振式概率筛1-惯性共振式激振器

2-隔振弹簧3-筛箱4-筛面该筛为双按质体系统,工作在近亚共振的工况下,

利用惯性近共振与概率筛分相结合的原理原理,

实现了集成创新,使其单位面积产量为普通筛机的

5 倍.该筛曾获国际发明博览会“尤里卡”金奖．12342021/7/18

46图26 弹簧隔振平衡式长距离振动输图1-上槽体

2-下槽体

3-铰链支承架

4-剪切橡胶弹簧

5-铰链6-弹性连杆式激振器

7-支承架底架

8-隔振弹簧３)隔振加平衡的长距离振动输送机:长20-40米8A-A B-B(已在电力、冶金等部门获得成功应用)该机的创新点是平衡加隔振动，传给地基的动载荷很