振动应用技术简介综述

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1、振动控制工程应用技术 西北工业大学振动冲击噪声工程技术中心 姚起杭 一、概述 1.1 范围围 下面的内容并不是全面介绍绍振动动控制理论论和技术术，对对此有兴兴趣 的人士可以参阅阅我们们主编编的（振动动控制工程）一书书，（航空工 业业出版社1989年出版）这这里只结结合我们实际处们实际处 理过过的一些飞飞 机振动问题动问题 介绍绍有关的振动动控别应别应 用技术术。但是为为了部分其 它专业专业 人员员有所了介也简单简单 提供一些基本知识识。 1.2 振动的危害及有关标准 振动现象危害甚多，只有少数方面应用振动技术造福类， 即敝大于利。振动的有用之点表现在一些行业已在利用振动技 术，如振动打桩，振动

2、筛选，振动研磨，振动诊断，振动加工 ，振动计时、振动时效，振动采油、振动保健等等，而振动的 危害则表现在以下方面： 一、概述 1.2.1 人员舒适性与健康问题 人及其它生物在振动作用下会产生不舒适、工效降低直至发生永久 性健康丧失，为此国际标准化组织（ISO）和国家卫生部以及一些行 业制定了与人员经受振动有关的一些允许标准，例如： 1) 国际标准化组织ISO规定的人员在一个工作日内允许经受的垂直 振动标准（如是水平振动则应除以2）。如图1所示 备注：图1中有两种标度，其下方标度适用于确定性单一频率振动， 上方标度适用于随机振动的倍频程中心频率。 图1 ISO推荐的人员振动标准 8 h 4 h

3、2 h 1 h 30 min 15 min 1 min 10 dB 0.40.63 1.01.62.54.06.31016254053100 频率（Hz） 加 速 度 （ 有 效 值 ） m/ s2 0.25 0.4 0.63 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 倍频程频带 2) 我国于1988年制定了城市区域环境振动标准，其中对各 类区域垂直振动允许标准见表1。 备注：振动级定义为（以振动速度为例） 式中：参考振速 。 3) 我国现行国军标GJB67.8-85对于飞机空勤人员规定了保证空勤 人员工效的振动要求，如图2所示。 此项国军标规定，图2中要求乃是对三个方向向人体传递的 振动限制值

4、，如果任一方向超过了限制值，就应采取振动控制措 施进行减振。 1.2.2 仪器设备的工作适应性问题 各种电子设备，仪器、仪表以及其它一些设备都只能耐受 一定的振动量值，亦即它们都存在一定的振动阈值，一旦振动 超过了阈值，其工作性能便会出现故障直到振动减轻或停止， 才可以恢复正常。 为了保证在各行业的正常使用，各行业都制定了自己的环 境试验标准，其中就包括振动标准，这种环境振动试验就是检 验设备在其使用中不得产生超越其振动阈值的现象，亦即证明 它能够满足该行业的工作适应性要求。这类标准有美军标MIL- STD-810，国军标GJB-150，航空工业有航标HB5830等。 1.2.3 结构的振动强

5、度与振动耐久性问题 受到振动的结构会产生动强度破坏，特别是当振动的主要频率与结 构某一敏感共振频率相一致时将会发生较大振动，产生振动疲劳破坏 。不仅如此，在振动作用下的结构还可能发生变形过大的过度振动以 及磨损、磨蚀、间隙扩大、连结松动、脱胶、脱层和撞击等工艺损坏 现象。这些已不单纯是结构振动强度问题，所以将它们与强度问题一 起统一称为振动耐久性问题。由于仪器、设备中也包含有结构，所以 前述各种环境试验标准中在振动功能试验之外还规定有振动耐久性试 验要求。我国现行国军标GJB67.8-85（与美军标MIL-A-8892对应）“ 军用飞机的强度和刚度规范振动”就要求所设计结构不得发生过度振 动或

6、振动疲劳破坏，为此要求进行分析和试验来保证结构不出现这类 问题。 1.2.4 设备及结构系统的可靠性问题 对于像飞机这类的复杂系统或其上某一分系统，其中包含有设备、 结构甚至人员；在振动作用下可能会发生各种各样的故障，为此人们 已经越来越重视用可靠性来评价这类系统工作性能的优劣，也就是说 ，这种结构系统在使用载荷及环境作用下，根据其出现故障的模式和 统计分布特点，要用概率的方法进行其重要构件甚至整个系统的可靠 性评价。显然振动往往都是使用中的重要载荷或环境条件之一，所以 这类检验中振动将是必需考虑的重要应力。国军标GJB899-90可靠 性鉴定和验收试验就是主要针对电子设备（破坏服从指数分布）

7、的 一项试验标准，对于一些破坏服从二项分布的机构、系统和各种结构 类产品（破坏为正态或对数正态或其它分布）也正在发展相应的试验 方法。 一 1.3 振动控制设计要求 各个行业为了减轻振动造成的危害，都制定了有关设计要求和质量 保证规定，下面以飞机行业为例，来说明关于振动控制的设计要求。 最近正在修订的国军标“飞机结构强度规范”的振动部分明确提出了 下列动强度设计与验证要求： 保证结构动强度及振动耐久性的设计与验证要求（详细内容略， 下同）； 防止过度振动的设计与验证要求； 保障空勤人员工效性及乘员舒适性的设计与验证要求； 保障设备系统振动环境适应性的设计与验证要求。 这些关于振动的设计要求是继

8、承国内外各种同类规范的要求并在总 结飞机振动故障和经验教训的基础上制定的。 为了达到以上设计要求，设计人员必需开展振动控制设计工作，为 此该规范进一步提出了下列五个方面的飞机振动控制设计措施： 1.3.1 动力装置的减振安装 对飞机动力装置应采取减振安装设计，其中包括采用减振支架或减 振支架加隔振器安装的设计方式。 1.3.2 结构抗振动设计 应采用结构动力学设计、阻尼附加设计及其它有效的减振设计技术 来实现保证结构动强度，避免过度振动并满足结构振动耐久性的设计 要求。 1.3.3 驾驶舱与乘员舱的振动控制设计 应采用隔振、吸振及阻尼附加处理等措施来保证空勤人员及乘员所 在部分的振动水平符合有

9、关标准规定。 1.3.4 设备、系统局部振动控制 为了降低设备系统安装部位局部振动水平，除可采用以上各条规定 的措施外，主贾应采取下列措施： 1) 对设备、系统附加减振器或对安装部位进行阻尼处埋 2) 调整振源与设备的相对位置； 3) 附加扰流片和屏敝装置； 4) 尽量避免空腔、不规则表面和突出物设计； 5) 尽量避免振源与设备（包括带减振器的设备）及其安装结构三者 之间任意两者出现有害的频率耦合现象。 1.3.5 重要结构、设备的减振安装或阻尼附加设计 对那些对振动敏感或者是对飞机安全有重要影响的结构、设备，还 应当在分析预计的基础上，采取针对性的振动控制设计措施，包括采 取减振设计与减振安

10、装和附加阻尼措施，这一类的设备包括（但不限 于）： a. 武器系统安装； b. 各种金属油箱及液压与燃油管系结构； c. 重要的空腔结构及内埋式武器舱； d. 进气道、腹鳍、翼尖配重等突出在气流中的结构； e. 可能发生扰流抖振的结构（如尾翼、有关舵面及减速板等）； f. 操纵拉杆、空速管等重要的细长结构； g. 辅助动力装置、液压泵及其它本身有振源的设备； h. 暴露在压力波作用区域的结构和易于受离散源撞击的结构。 1.4实用振动控制技术的主要类型： 1.4.1隔振、减振与减振器 隔振是附加适当的弹性构件隔离振源对被 振动物的振动传递，减振通常是利用附 加阻尼的方法耗散对被振物体传递的能 量

11、，一般隔振器都要附加阻尼，应用中 两者一般可以不加区分，所以 经常用的 是减振及减振器的称呼。 1.4.2 阻尼附加与阻尼结构 对振动结构附加耗能的阻尼材料称为阻尼 附加，例如复合阻尼带等，直接设计成 含有耗能材料的结构称为阻尼结构例如 阻尼减振器、阻尼柜等。 1.4.3 动力吸振 通过将被振动物体的振动能量转移给附加子系 统的技术称为动力吸振，附加的系统称为动力 吸振器。 1.4.4 结构动力学设计 设计阶段就采用避开振源主要频率的共振频率 放计和振动响应控制设计技术称为动力学设计 ，由于这种设计需要采用优化技术，又称为动 力学优化设计。 1.4.5 主动振动控制技术 应用带有能源和感受器并

12、能实时识别和 控制物体振动的方法称为主动或有源振 动控制技术，目前主要利用智能材料特 别是压电材料进行主动阻振技术研究， 其中包括速度负反馈和电路分流两种技 术。 二、减振器应用技术 2.1 减振器设计分析简介（可略） 图3 典型的单自由度减振系统 先考虑减少振动力传递的减振问题（第一类减振） ，设图3中 系统质量上作用有交变力（设为正弦力） F，为防止它向基础传递而产生大的基础振动 u，特 附加了弹性无件 k和阻尼件 C，则其动力方程为： 系统的稳态解为： (2) 式中： 为系统的固有圆频率， 为激励圆频率。这时传给基础 的力幅FT 应为 kx0 和 cx0之和的幅值。 （3） 将传递给基础

13、的力幅与激励力幅之比称为第一类减振器的（力）传递 系数，可有： （4） 式中: 称为阻尼比， 称临界阻尼系数，同样，对于图3中 的系统，如果考虑减少振动运动传递的第二类减振问题，取基础振动 ，而考虑通过减振器传给质量m的运动x，则有运动微分方程： （5） 同样可以求出系统的稳态解 ，以及第二类减振的（运动） 传递系数。 （6） 结果是两种传递系数表达式 完全相同，成传递曲线（相对于 频率、阻尼），如图4所示。 这是一个非常重要的结果，它 不仅可以用于指导减振器的设计而 且可以用来指导带有振源或受到振 动载荷的简单结构及系统设计。 图4 减振设计中的阻尼比、频 率 比与传递系数的关系曲线 分析图

14、4中的传递曲线可有下列主要结果： 1) 减振器的刚度及频率要求：对各种阻尼比，即是，低于2 时将不起减振作用，据此即可根据主要的使用频率低限来确定 频率比，进而确定减振器在承载时的共振频率和减振器的刚度 元件值。一般而言较低有利于改善系统的缓冲能力，但也不能 过低，因为那样会使得弹性元件太软，造成静挠度过大，使用 空间要求过大，还会产生易失稳和一冲到底的不利效果。另外 ，减振器的固有频率，还要避开其安装结构本身的主要共振频 率，所以需要根据具体使用的各方面要求综合平衡确定合适的 值。 2) 阻尼要求：系统最大响应发生在减振器共振点即 附近， 越小传递系数越高，所以为了在共振区域不损坏设备，需要

15、根据目标物允 许经受的最大力幅（或运动幅度）确定许可的共振放大倍数（或许可的最 大传递系数），可以求出，图4中系统的共振放大倍数Q为 （7） 3) 减振效率，图4中在 以后曲线表示的减振效果，可以用减振 效率来衡量，即对于每一给定频率 ，减振效率I 为： （8） 在 以后，对于同一频率，阻尼较大时减振效率较低，亦即与 阻尼在共振区域的作用正好相反，对于实际使用频带较小阻尼时效果更好 ，所以要衡量两方面的要求，综合确定阻尼的取值。 根据一般经验Q值取为1.54比较适宜，相应的对各主要的减振使用频率 ，减振效率取为70% 90%较为合适。这些结果都必需由试验曲线提供。 而不能使用计算值 4) 中高

16、频驻问题：在中高频区域（一般为300HZ以止） ，所有实际的减振器都不能给出图4中那样理想的单自 由度系统减振曲线，而是会产生复杂的中高频驻波响 应，其产生原因是综合的，包括安装固定以及间隙、 撞击彳高阶共振和响应畸变以及振动试验夹具等方面 的原因。某些类型的减振器（如依靠内部元件挤压产 生于虎磨擦的蝶片式减振器）这科驻波响应可能从 150HZ左右就发生，而且量值很高，使得它在中高频 区域不能很好的起减振作用。中高频驻波有可能造成 设备的高频共振故障，所以在选择减振器时不能只注 重低频效果而忽略中高频驻波效应，特别对于存在中 高频宽带随机振动的航空航天领域，建议也将驻波效 应低列为减振器的一项品质指标。 2.2 航空产品对减振器的特殊要求 与一般民用工业减振器相比，航空用减振器还必需满足下列 主要要求： 2.