現(xiàn)代工業(yè)中機(jī)械振動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用

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摘要：機(jī)械振動(dòng)力學(xué)是一門(mén)非常重要的基礎(chǔ)課，在現(xiàn)代工業(yè)中具有十分廣泛的應(yīng)用。本文指出了機(jī)械振動(dòng)力學(xué)在汽車(chē)道路模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用，包括如何借助道路模擬試驗(yàn)進(jìn)行整車(chē)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造，機(jī)械振動(dòng)力學(xué)在機(jī)器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用以及機(jī)械振動(dòng)控制在汽車(chē)和土木建橋工程中的應(yīng)用。本論文對(duì)于更好的了解機(jī)械振動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)以及如何有效的借助機(jī)械振動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)去解決工程實(shí)際問(wèn)題提供了參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動(dòng)；基本原理；現(xiàn)代工業(yè)；汽車(chē)；應(yīng)用

引言

機(jī)械振動(dòng)是機(jī)械學(xué)科一門(mén)十分重要的基礎(chǔ)課程，即在某一位置附近進(jìn)行的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在日常的生活中具有許許多多的振動(dòng)現(xiàn)象，例如車(chē)輛行駛過(guò)程中的振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)，演奏樂(lè)器時(shí)樂(lè)器的振動(dòng)等等。振動(dòng)具有兩面性，既有有利的一面，例如振動(dòng)篩、振動(dòng)牙刷，同時(shí)也有有害的一面，例如地震、發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)造成零件發(fā)生疲勞破壞、車(chē)床在加工零件時(shí)車(chē)刀的振動(dòng)使得零件的加工精度下降等等。對(duì)于許多的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題，人們更為關(guān)心的是由于振動(dòng)而造成的結(jié)構(gòu)各個(gè)部件之間的干涉，例如汽車(chē)的主梁常常由于路面的不平而產(chǎn)生巨大的振動(dòng)，從而使得主梁的壽命大大降低，如果主梁在出現(xiàn)裂紋之后不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，就會(huì)直接影響到行車(chē)的安全。對(duì)于轎車(chē)或者客車(chē)，其劇烈的振動(dòng)常常導(dǎo)致巨大的噪聲，不利于乘客的乘坐舒適性，不能滿足當(dāng)前國(guó)民的需求。因此在汽車(chē)的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須有效的考慮其振動(dòng)問(wèn)題，這樣才能設(shè)計(jì)制造出更高質(zhì)量的汽車(chē)。實(shí)際生活中，我們做到公交車(chē)的后排常常會(huì)感覺(jué)比較頭暈，而做到公交車(chē)的前排就不會(huì)出現(xiàn)頭暈的現(xiàn)象，這個(gè)也是和機(jī)械振動(dòng)力學(xué)具有十分密切的關(guān)系的。當(dāng)前的公交車(chē)絕大多數(shù)為后置后驅(qū)的方式，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在后部就導(dǎo)致后部的振動(dòng)較大，特別是在一些顛簸的路面上，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的顛簸，容易導(dǎo)致乘客出現(xiàn)頭暈的現(xiàn)象。本論文針對(duì)機(jī)械振動(dòng)學(xué)的基本原理進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)給出機(jī)械振動(dòng)力學(xué)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用，從而更加客觀的認(rèn)識(shí)機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象，利用機(jī)械振動(dòng)有利的一面，避免機(jī)械振動(dòng)有害的一面，更好的促進(jìn)當(dāng)前現(xiàn)代工業(yè)的快速、健康發(fā)展。

1在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用的一般步驟

伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械振動(dòng)力學(xué)在現(xiàn)代工業(yè)中具有十分廣泛的應(yīng)用，例如汽車(chē)在形式過(guò)程中出現(xiàn)批量的后視鏡破碎問(wèn)題給企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，如何有效的去解決這些問(wèn)題成為了企業(yè)備受關(guān)注的話題。通過(guò)機(jī)械振動(dòng)力學(xué)去應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)一般包括四個(gè)步驟，具體如圖1所示。對(duì)于一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，其建立數(shù)學(xué)模型至關(guān)重要，只有建立科學(xué)的數(shù)學(xué)模型，才能使得其分析的結(jié)果更加的客觀、真實(shí)、準(zhǔn)確，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的作用。對(duì)于同樣的問(wèn)題，由于其分析的目的不同，其建立的數(shù)學(xué)模型往往是不一樣的，必須結(jié)合分析的目的來(lái)更加客觀的、真實(shí)的建立數(shù)學(xué)模型，這樣才能使得分析得到的結(jié)果更加的具有指導(dǎo)意義?？刂品匠痰耐茖?dǎo)是至關(guān)重要的，通過(guò)相關(guān)的力學(xué)知識(shí)來(lái)獲得控制方程，很多的實(shí)際問(wèn)題往往是十分復(fù)雜的，其控制方程的推動(dòng)也就變得十分的困難?？刂品匠谭从沉讼到y(tǒng)的固有屬性，是對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別的過(guò)程。對(duì)于簡(jiǎn)單的問(wèn)題，其控制方程的推動(dòng)相對(duì)比較的困難，常常可以借助于牛頓第二定律、達(dá)朗貝爾、拉格朗日方程等來(lái)進(jìn)行推動(dòng)。控制方程的求解是十分困難的，特別是對(duì)于連續(xù)體系統(tǒng)，其推導(dǎo)的控制方程往往是偏微分方程，其復(fù)雜問(wèn)題去求數(shù)值解幾乎是不可能的。常常通過(guò)數(shù)值求解的方法來(lái)獲得控制方程的解，從而研究振動(dòng)的規(guī)律。對(duì)于結(jié)果的分析主要是分析位移、速度、加速度的變化規(guī)律，通過(guò)分析找出振動(dòng)的一般規(guī)律，從而為有效的解決各種工程問(wèn)題提供參考。工程的問(wèn)題包含有很多種不同的方法，往往是將研究的對(duì)象看做一個(gè)黑匣子，即一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，將外界的激勵(lì)力稱(chēng)之為該系統(tǒng)的激勵(lì)或者也被稱(chēng)之為該系統(tǒng)的輸入，將系統(tǒng)所產(chǎn)生的反映稱(chēng)之為響應(yīng)，或者也被稱(chēng)之為該系統(tǒng)的輸出。根據(jù)一個(gè)系統(tǒng)包含的三個(gè)基本的對(duì)象，即激勵(lì)、系統(tǒng)和相應(yīng)，可以歸納為三類(lèi)問(wèn)題，具體如表1所示。

2汽車(chē)道路模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用

汽車(chē)道路模擬試驗(yàn)在現(xiàn)代企業(yè)中具有十分廣泛的應(yīng)用，通過(guò)道路模擬試驗(yàn)可以有效的縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。以某轎車(chē)為例，分析機(jī)械振動(dòng)力學(xué)在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用。根據(jù)產(chǎn)品的需要設(shè)計(jì)出一款新車(chē)型，將該車(chē)型送到北京交通部試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，在可靠性試驗(yàn)的過(guò)程中出現(xiàn)了主梁斷裂問(wèn)題。振動(dòng)主梁出現(xiàn)斷裂，其問(wèn)題有很多種，如強(qiáng)度不足而造成的破壞，或者疲勞破壞等等。為了更好的找出其原因，該公司派技術(shù)人員采集了相應(yīng)的道路載荷譜，通過(guò)該載荷譜在找出問(wèn)題的原因。首先是將試驗(yàn)車(chē)開(kāi)到公司的整車(chē)道路模擬試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)施加白噪聲激勵(lì)使得該車(chē)的相關(guān)振動(dòng)參數(shù)被識(shí)別，這就是參數(shù)識(shí)別的過(guò)程，即已知激勵(lì)為白噪聲，通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集儀器來(lái)測(cè)試獲得整車(chē)的響應(yīng)，進(jìn)而就可以得到整車(chē)整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)；然后將采集得到的載荷譜數(shù)據(jù)作為輸入，施加到已經(jīng)識(shí)別的振動(dòng)系統(tǒng)中，那么就可以有效的再現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在試驗(yàn)場(chǎng)的狀態(tài)，這樣就做到了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)原來(lái)的破壞狀態(tài)。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不僅僅縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，同時(shí)也在很大程度上控制了許多不可控的因素；最后是根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)上整車(chē)出現(xiàn)的故障和北京交通部試驗(yàn)場(chǎng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行對(duì)比，分析其不同的原因，同時(shí)有效的改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保上市的產(chǎn)品具有更好的質(zhì)量，使得其在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利的地位。機(jī)械振動(dòng)力學(xué)在汽車(chē)道路模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用是當(dāng)前實(shí)施產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，如果不能很好的借助機(jī)械振動(dòng)力學(xué)去進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)，那么將使得產(chǎn)品的研發(fā)周期大大的延長(zhǎng)，不能很好的滿足當(dāng)前快速化的市場(chǎng)需求。通過(guò)該道路模擬試驗(yàn)臺(tái)可以開(kāi)展許許多多的試驗(yàn)，例如客車(chē)的后視鏡出現(xiàn)破碎，那么就可以通過(guò)該試驗(yàn)臺(tái)來(lái)解決該問(wèn)題。針對(duì)出現(xiàn)后視鏡破碎的客戶行駛的道路進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，通過(guò)實(shí)地調(diào)查初步的分析其原因，同時(shí)派技術(shù)人員去采集用戶道路的載荷譜，將用戶道路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷譜編輯，同時(shí)通過(guò)白噪聲來(lái)識(shí)別該客車(chē)的狀態(tài)參數(shù)，將用戶道路載荷譜數(shù)據(jù)和客車(chē)的狀態(tài)參數(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，那么就可以很好的找出后視鏡出現(xiàn)破碎的原因。

3機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)是當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)于大多數(shù)的機(jī)械設(shè)備而言，如果設(shè)計(jì)比較合理，那么就不會(huì)引起太過(guò)于劇烈的振動(dòng)；如果設(shè)計(jì)不合理，那么就會(huì)引起過(guò)于劇烈的振動(dòng)，從而引起機(jī)器的破壞。但是對(duì)于許多的大型設(shè)備，其很難通過(guò)肉眼去觀察其破壞，需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的設(shè)備檢測(cè)裝置去實(shí)時(shí)的檢測(cè)，這樣才能更好的了解機(jī)器實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，確保機(jī)器安全的工作。對(duì)機(jī)器進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)技術(shù)需要利用機(jī)械振動(dòng)力學(xué)知識(shí)，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備易破壞點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，更好的了解機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)前對(duì)于機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)技術(shù)主要包括聽(tīng)、看、運(yùn)行變量觀察、溫度觀察、磨損碎屑的觀察以及振動(dòng)的觀察等。例如對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的工程師，其通過(guò)聽(tīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲響就可以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作是否正常，但是對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工程師，其就很難做到通過(guò)聽(tīng)去判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是否正常，同時(shí)通過(guò)聽(tīng)就可以有效的判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是否正常常常是出現(xiàn)在比較明顯的故障中且運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備相對(duì)比較簡(jiǎn)單。通過(guò)看、溫度、磨損碎屑等也常常是針對(duì)一些比較簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)備，但是對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備而言，其必須對(duì)于振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，從而才可以更加客觀、更加準(zhǔn)確的去了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)前對(duì)于機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的方法主要包括三個(gè)步驟：首先是測(cè)試監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)來(lái)更好的分析設(shè)備的故障信息；其次是對(duì)于實(shí)測(cè)的信號(hào)由于測(cè)試儀器、測(cè)試環(huán)境等影響，其常常包含有大量的噪聲信息，如果不進(jìn)行降噪處理，那么很多的故障信息常常被淹沒(méi)在噪聲中，使得故障信息無(wú)法被有效的提取，因此需要對(duì)其進(jìn)行降噪處理。當(dāng)前對(duì)于振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理的方法一般為基于傅里葉變換的頻域分析方法，該種方法可以很好的對(duì)平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，但是對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)的降噪處理效果并不理想。伴隨著當(dāng)前小波技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于故障信號(hào)的處理常常是借助于小波分析的方法，通過(guò)小波方法來(lái)對(duì)實(shí)測(cè)的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，從而更好的獲得真實(shí)的信號(hào)。最后是通過(guò)計(jì)算降噪后的故障信號(hào)的分形維數(shù)來(lái)確定故障信息，進(jìn)而實(shí)時(shí)的了解設(shè)備可能出現(xiàn)的故障。對(duì)于大型的機(jī)械設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障將會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，借助于機(jī)械振動(dòng)力學(xué)相關(guān)的知識(shí)去實(shí)時(shí)的進(jìn)行檢測(cè)，這樣可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的各種故障信息，從而避免出現(xiàn)更大的故障，給企業(yè)的生產(chǎn)造成巨大的損失。

4機(jī)械振動(dòng)的控制

振動(dòng)和噪聲是聯(lián)系在一起的，對(duì)于振動(dòng)的控制可以有效的降低噪聲。當(dāng)前對(duì)于振動(dòng)的控制方式主要有四種方式，即通過(guò)控制系統(tǒng)的固有頻率，避免外激勵(lì)作用下的共振。例如汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中汽車(chē)后視鏡發(fā)生破壞，其根本原因在于汽車(chē)后視鏡的固有頻率和其固定處的激勵(lì)力的頻率相近，從而導(dǎo)致出現(xiàn)疲勞破壞。采用機(jī)械振動(dòng)的知識(shí)去解決該問(wèn)題的思路為首先了解當(dāng)前該汽車(chē)后視鏡固定處的載荷數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)的分析可以了解其頻率信息，這樣就可以了解其后視鏡的固有頻率；然后是借助有限元方法對(duì)汽車(chē)后視鏡進(jìn)行模態(tài)分析，找出其當(dāng)前的固有頻率和模態(tài)，借助數(shù)學(xué)優(yōu)化的知識(shí)對(duì)汽車(chē)后視鏡進(jìn)行優(yōu)化處理，從而可以得到優(yōu)化后的汽車(chē)后視鏡結(jié)構(gòu)；最后是對(duì)優(yōu)化后的汽車(chē)后視鏡安裝到實(shí)車(chē)上，對(duì)實(shí)車(chē)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，從而更好的驗(yàn)證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的有效性。對(duì)于機(jī)械振動(dòng)的控制在當(dāng)前的機(jī)械設(shè)備、土木工程設(shè)備、航空航天設(shè)備等均具有十分廣泛的應(yīng)用，例如在汽車(chē)大橋中常常是安裝后減震墊，通過(guò)減震墊可以起到隔振的目的，這樣避免由于汽車(chē)在大橋上形式而產(chǎn)生巨大的振動(dòng)載荷，從而導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)坍塌。機(jī)械振動(dòng)的控制在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝上也具有十分廣泛的應(yīng)用，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)車(chē)架安裝部位常常安裝后橡膠塊，通過(guò)橡膠塊來(lái)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)傳遞到車(chē)架上的力，避免由于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)而導(dǎo)致車(chē)架振動(dòng)過(guò)大，從而出現(xiàn)破壞。因此機(jī)械振動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)對(duì)于有效的預(yù)防相關(guān)的振動(dòng)問(wèn)題具有十分廣泛的意義。

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作者：徐震 朱封濤 單位：陜西天元石化建設(shè)工程有限公司