【大学课件】机械振动

机械振动课程介绍机械振动是一门研究物体在力的作用下发生周期性运动的学科。课程将介绍振动系统的基本概念、振动方程、共振现象、阻尼振动等内容。机械振动的定义和特征物体围绕平衡位置的周期性运动受外力或初始条件的影响振动是能量传递的一种形式振动的基本概念周期性运动振动是指物体围绕其平衡位置的周期性运动，由一系列重复的运动构成。振幅和频率振幅代表物体偏离平衡位置的最大距离，而频率描述了振动在单位时间内发生的次数。简谐运动一种理想化的振动模式，其运动路径为正弦曲线，满足特定数学方程。阻尼和激励阻尼是指减弱振动幅度的因素，而激励是引发振动的原因，可以是外力或内部因素。单自由度系统的振动1定义只有一个自由度，即只有一个坐标就能完全描述其运动状态的振动系统2特点可以用一个微分方程描述其运动规律，便于分析和研究3应用许多实际振动系统都可以近似为单自由度系统，例如弹簧-质量系统单自由度系统的振动分类1自由振动系统在初始扰动后，不受外力作用而进行的振动。其频率由系统的固有特性决定。2受迫振动系统在持续的外力作用下进行的振动。其频率由外力决定，可能与系统的固有频率一致或不一致。3自激振动系统在运动过程中，自身产生的力不断地为振动提供能量，导致振幅不断增大的振动形式。例如，风吹过电线产生的嗡嗡声。自由振动的概念和特点自然频率物体在不受外力作用下，按自身固有频率进行的振动。振幅物体振动过程中偏离平衡位置的最大距离。周期物体完成一次完整振动所需的时间。自由振动的解析方法微分方程建立描述系统运动的微分方程，该方程通常是二阶线性常系数微分方程。求解方程利用数学方法求解微分方程，得到系统的位移、速度和加速度等参数的表达式。分析结果根据解析解，分析系统的振动频率、振幅、相位等特征，了解系统的动力学特性。自由振动的阻尼特性阻尼力的影响阻尼力会逐渐减小振动的振幅，最终使振动停止。阻尼力的大小和性质会影响振动的衰减速度。阻尼系数阻尼系数是衡量系统阻尼程度的指标，其值越大，阻尼效果越明显，振动衰减越快。阻尼类型常见的阻尼类型包括粘性阻尼、摩擦阻尼和空气阻尼，每种阻尼类型具有不同的力学特性。受迫振动概念当系统受到外力作用时，会发生受迫振动。外力可以是周期性的，也可以是非周期性的。特点受迫振动是稳定的，其频率与外力的频率相同。振幅取决于外力的大小和系统的阻尼。受迫振动的解析方法1建立微分方程根据受迫振动的物理模型，建立系统的运动微分方程。2求解微分方程采用合适的数学方法求解微分方程，得到系统的运动规律。3分析振动特性根据解得的运动规律，分析系统的振幅、频率、相位等振动特性。谐波激励下的受迫振动周期性激励振动系统受到以一定频率变化的激励力作用，例如旋转机械产生的振动。稳态响应系统最终会以与激励力相同的频率振动，达到稳定状态。共振现象当激励频率接近系统固有频率时，振幅会急剧增大，导致系统失稳甚至损坏。非谐波激励下的受迫振动不规则激励非谐波激励通常呈现为随机振动，例如机器运行时的冲击或噪声。复杂分析分析非谐波激励下的振动需要更复杂的数学工具，例如傅里叶变换。实际应用了解非谐波激励下的振动对于预测机器的疲劳寿命和优化设计至关重要。机械系统的等效模型等效模型是将实际复杂的机械系统简化为具有相同振动特性的简单模型，方便分析和计算。等效模型通常包含质量、刚度和阻尼三个基本元素。质量代表系统的惯性，刚度代表系统的弹性，阻尼代表系统的能量耗散。二自由度系统的振动1耦合振动两个自由度相互影响2固有频率系统自身振动的频率3振动模式系统振动时的形状连续系统的振动1弦振动吉他弦的振动，声波传播，桥梁的振动，等等。2梁振动梁的振动，桥梁的振动，建筑物的振动。3膜振动鼓面振动，音响的振膜振动。振动测量的基本原理1振动信号采集利用传感器将机械振动转化为电信号，例如加速度计或速度传感器。2信号放大和处理对采集的电信号进行放大、滤波和数字化处理，以消除噪声和干扰。3数据分析和解释对处理后的信号进行分析，提取振动的频率、幅值、相位等参数，以了解振动特性。振动测量仪器及其选用加速度传感器测量加速度变化，可计算振动速度和位移。速度传感器测量振动速度，适用于测量较低频率的振动。位移传感器测量振动位移，适用于测量大振幅的振动。振动测量的方法和技术1直接测量传感器直接测量振动信号2间接测量通过其他物理量间接推算振动3频谱分析将振动信号分解成不同频率分量4时域分析分析振动信号随时间的变化规律5模态分析确定机械系统固有频率和振型振动诊断的基本原理振动信号机械设备运行时的振动信号包含大量的信息，例如频率、幅值、相位等。故障特征不同类型的故障会产生不同的振动信号特征，例如轴承故障会导致高频振动。诊断方法利用信号处理技术分析振动信号，识别故障特征，从而诊断出设备的故障类型。基于振动的故障诊断振动信号分析通过分析机器运行过程中的振动信号，可以识别出潜在的故障。故障模式识别不同的故障模式会产生不同的振动特征，例如频率、幅值和相位。诊断结果评估根据振动信号分析和故障模式识别结果，对机器的健康状况进行评估。振动信号处理技术时域分析时域分析直接处理振动信号随时间变化的波形，可以观察振动的频率、幅值、相位等信息。频域分析频域分析将振动信号转换为频率域上的信号，可以识别信号中不同频率成分的能量分布。时频分析时频分析结合了时域分析和频域分析的优点，可以同时观察信号的频率和时间信息。振动控制的基本方法1减振通过改变系统的固有频率，降低振动幅度。2隔振将振动源与周围环境隔离开，减少振动传递。3阻尼增加系统的阻尼系数，消耗振动能量，降低振动幅度。4主动控制通过传感器和执行机构，实时监测和控制振动。减振器的设计与选用类型减振器类型包括液压减振器、气压减振器、电磁减振器等，选择取决于应用场景和需求。参数主要参数包括阻尼系数、刚度系数、工作频率等，需要根据振动特性进行选择和设计。安装减振器的安装方式包括固定式、悬挂式等，需要根据结构特点和工作环境进行选择。减振隔振的设计原理隔离频率减振隔振通过降低振动传递到结构的频率来减少振动。阻尼材料减振隔振器通常使用阻尼材料来吸收和耗散振动能量。隔振装置隔振装置用于隔离振动源和被保护对象，减少振动的传递。减振隔振的应用与实例减振隔振技术广泛应用于各个领域，例如：-机床、压缩机等机械设备的减振-建筑物、桥梁等的隔振-汽车、火车等交通工具的减振隔振-航空航天器等高精度设备的减振工厂中常见的振动问题不平衡的旋转机械不平衡的旋转机械会导致强烈的振动，影响设备稳定性和工作效率。轴承故障轴承磨损、松动或损坏会导致振动增加，影响设备寿命。机械部件不对中机械部件不对中会导致振动和磨损，影响设备效率和稳定性。机械振动分析案例分享通过对机械振动信号进行分析，可以有效诊断机械设备的故障，从而提高设备的可靠性和安全性。例如，通过分析齿轮箱的振动信号，可以判断齿轮的磨损程度、轴承的损坏情况等，并及时采取维修措施，避免设备故障导