机械振动的分析

郭佳++李茂彬++周利平

摘 要：本文主要介绍了机械振动产生的原因和常见的振动类型，列出了控制和消除的途径和振动的三类分析方法，最后陈述如何建立正确的的力学模型和数学模型，为后续的镗杆仿真分析打下基础。

关键词：机械振动；控制原理；镗削加工

0 机械振动的产生

在机械加工过程中，振动现象一直是不能忽视的问题，会影响整个加工零件的质量，缩短刀具的使用寿命，甚至于会带来工程灾难。但对于一些有益的振动我们就需要进行合理的利用。

引起机械振动的因素有许多，最主要的两点原因如下[1]：

（1）机械运转的不平衡性。机械运动一般分为往复式机械运动和回转式机械运动。往复式运动中部件运动方向改变所产生的惯性冲击导致振动产生。回转式运动中由于机器不能完全保持平衡，引起周期性变化的干扰力，所产生的振动一般都具有规律性。

（2）受到外界激励的作用。当一个系统受到外界激励时，根据外界激励是否具有确定性，其所引起的振动又可分为确定性振动和随机振动。

1 机械振动的常见类型[2]

根据机械振动产生的原因，可分为三类：自由振动、受迫振动和自激振动。三种振动对加工过程的影响各不同，自由振动影响较小，而后两者不能自然衰减，会产生有害的影响，需要设法进行相应的控制。

1.1 自由振动

自由振动的发生是因为在切削加工中工艺系统产生了脉冲性干扰力。

1.2 受迫振动

受迫振动是指物体受到外界一个周期性的作用力而引起的的振动。随着干扰力的消失振动才会停止，除了与干扰力有关，受迫振动还会受系统自身刚度和阻尼的影响。

1.3 自激振动

自激振动也就是切削颤振，振动系统在振动过程中由本身的原因激发产生了周期性变化的切削力，从而引起的不衰减的振动。自激振动不受外界激励的影响，只要系统振动存在，自激振动就不会消失，且振动频率等于或接近振动部件的固有频率。

2 振动控制和消除的方法

2.1 自由振动

通过分析系统本身的物理特性，从而达到降低振动的目的。但自由振动是可衰减的，对机械加工不会造成大的危害，所以一般可以忽略对其的消除。

2.2 受迫振动

受迫振动是不可衰减的，对机械加工影响很大。途径受迫振动是由于外界周期性干扰力引起的，因此减少受迫振动的途径首先就应先找出振源，然后采取相应的措施进行控制。主要方法有[3]：对高转速零件经过平衡设置；减少或尽量消除激振力；调整系统的固有频率，防止与激振力的频率相近，避免产生共振。采用减振装置和隔振措施。

2.3 自激振动

自激振动是一种频率较高的强烈振动，同样也不可衰减，具有持续性的特点，会产生加工危害，对于是必要的，需要研究如何试图控制它。解决途径一般从设备、工具和实际操作方面来进行，如：选择合理的切削用量和刀具几何角度，提高工艺系统的抗振性能，采用减振装置等。

3 机械振动的分析方法

研究机械振动时，将研究对象视作一个振动系统，对系统施加的一个输入信号称为激励，通过振动系统产生的输出信号称为响应。根据外界激励作用下所产生的动态行为即响应，分析系统的动态特性。振动分析的研究可用图1表示：

对振动问题的研究主要有以下三种情况[4]：根据系统参数和激励分析系统的响应，也就是系统动力响应分析或动态分析，包含位移、速度、加速度、力的响应等；已知外界的激励和响应地条件下求出系统的参数，这种情况就是当响应不理想时，对振动系统的参数和结构进行有针对性的调整；最后一种是通过系统的参数和响应求外界激励的大小。

4 振动系统的力学模型与数学模型

对一个动态系统进行分析前，要根据实际系统建立一个以质量、刚度、阻尼构成的物理模型，也就是力学模型。其次通过力学模型确定数学模型用以分析系统的动态特性。所以，建立正确的力学简化模型才能得到正确的分析结果，如实反映一个实际系统十分重要。数学模型的建立是分析问题的关键，通常利用微分方程来表达系统的动态特性，是一种反映振动系统的非参数模型。

5 结论分析

在镗削过程中镗杆多产生的振动主要是自由振动，但自激振动会随着自由振动的加剧而产生，会存在有害的影响。由上文可知，这两类振动是无法完全消除的，会使加工过程中产生一定的危害，因此需要采取措施来减小振动。当自由振动减少时，自激振动也会在随之减少，所以对于镗杆的减振方法，主要从被动和主动两种减振措施进行控制。被动控制是通过在镗杆内部安装减振装置来达到效果，主动控制是在减振系统中加入反馈系统。对于长径比较大的镗杆就要通过被动控制措施来实现。

参考文献：

[1]闻邦椿，刘树英，张纯宇.机械振动学[M].北京：冶金工业出版社，2000.

[2]石俊祥.受迫振动[EB].2012. http：//baike.baidu.com/view/323232.html.

[3]邵忍平.机械系统动力学[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]韦联.减振镗杆的动力学仿真及其参数优化[D].成都：西华大学机械工程与自动化学院，2011.

西华大学研究生创新基金（ycjj2014062）

作者简介：郭佳（1990-），女，四川成都人，研究生，研究方向：机械制造及其自动化。endprint