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1、分类号 密级 UDC 学 位 论 文振动利用工程的发展现状和应用前景作 者 姓 名：张素燕指 导 教 师：李朝峰东北大学机械工程与自动化学院申请学位级别： 学科类别： 学科专业名称： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予日期：答辩委员会主席：评阅人：东 北 大 学2011年12月摘要振动利用工程是研究振动与波利用的理论、技术及设备的一门新兴的学科。它是机械振动学三个主要分支中与人类生活和生产联系十分密切的一个分支，振动利用工程是融机械学、力学、电工学与电子学、控制理论等为一体的交叉学科，是一门面向工程实际的技术科学。在人类生活与生产等各个方面均获得广泛应用，并已扩展到生物工程与社会经济等众
2、多领域，目前它正处在迅速发展过程中，由于该学科所涉及的有关技术与工农业生产及人类生活联系十分密切，已正真成为人类生产活动与生活过程中一种不可缺少的手段与必要的机制。本文主要简要的介绍了如下几方面：(1) 介绍了机械振动的基本理论，振动的简史，振动的模型和振动的分类；(2) 简述了振动利用工程概念的提出，介绍了一些振动利用的新技术和新理念，并且列举了振动利用工程在振动机械和非线性振动利用等几个方面的发展的情况；(3) 以电磁振动给料机为实例，介绍了其分类、工作原理和动力模型，最后，对振动利用工程的发展发展方向和突破进行了展望。关键词：机械振动；振动利用工程；电磁振动给料机。引言自然界和人类社会中
3、的某一个量随时间或大或小的变化即称为振动。振动是物质世界运动的一种基本形式，物质世界中的每一个物体及其中的每一个分子都始终处于振动之中。毫无例外，人类自身的每一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，前面所列举的这些振动都有人体对振动的有效利用；离开这些振动人类就无法生存。从人类的生活及周围工作环境来说，也到处在利用振动。例如电视机和收音机中的振荡电路、门铃、电话机、机械表与电子表、挂钟、理发用电推子、各部门使用的各种类型的振动机、光导纤维通信技术、医疗设备中的彩超、医用CT，和核磁共振、机械设备与结构故障的振动诊断
4、技术等等都是对振动与波动原理的实际应用，都属于振动利用的范畴；从广义的角度来看，在社会与经济生活中，例如，人口的增长与衰减、农作物虫灾发生的周期性现象、股市的升跌和振荡、社会经济发展过程中速度的增长与衰减等，都可以归纳为不同形式的振动；在自然界及宇宙中，也到处存在着振动，月亮的圆缺、潮汐的涨落、树木的年轮、一些树木和花草年复一年的发芽、生长与枯萎等等。对这些振动和波动现象进行研究，找出其内在规律，并进行有效的利用，就会对社会产生重大的社会效益与经济效益，为人类造福。振动也会给人类和社会带来危害。例如，运载工具的振动会使乘客感到不舒适；环境噪声使人烦躁不安;共振及次谐波共振会引起机械设备、桥梁结
5、构及飞机的破坏；地震使人民生命财产遭受巨大损失。对于这些有害振动，人们虽然已付出了很大的努力，并设法采取有效措施加以限制以至完全消除，但直到今天，利用现代的科学水平对于许多有害的振动问题还未能得到很好抑制或彻底根除。振动能给人类带来福社，创造良好的生活环境和条件。例如，拨动琴弦能发出美妙动人的乐章，使人心旷神怡；在医疗方面，利用超声波能够诊断、治疗疾病；在土建工程中，振动沉桩、振动拔桩以及混凝土灌注时的振动捣固等；在电子和通讯工程方面，录音机、电视机、收音机、程控电话等诸多电子器件以及电子计时装置和通讯系统使用的谐振器等都是由于振动才有效地工作的；在工程地质方面，利用超声波进行检测和地质勘探；
6、在石油开采上，还可利用振动提高石油产量；在海洋工程方面，海浪波动的能量可以用来发电；在许多工矿企业，可以利用振动技术和设备完成许多工艺过程，或用来提高某些机器的工作效率。最近30多年来，应用振动原理而工作的机器（振动机械）得到了迅速发展1。据不完全统计，目前已用于工业生产中的振动机有百余种之多。例如，振动给料机、振动输送机、振动整形机、振动筛、振动离心脱水机、振动干燥机、振动冷却机、振动球磨机、振动光饰机、动平衡试验机和振动破碎机、振动压路机、振动摊铺机、振动冷冻机、舱壁振动器、振动夯土机、振捣器、振动沉拔桩机和各种型式的激振器等，这些振动机械在各个工业部门已发挥了重要作用。振动存在于各个领域
7、，按其类型大致可分为：线性和非线性系统的振动、波动（声波、光波等）以及电和磁的振荡等等。因此，我们可将振动利用工程分为线性振动的利用、非线性振的利用、波动和波能的利用以及电、磁和电磁振荡器在工程技术中的应用、社会经济领域和自然界中的振动现象与规律及其利用等1。第1章 机械振动简介振动是在日常生活和工程实际中普遍存在的一中现象，也是整个力学中最重要的研究领域之一。所谓机械振动，是指物体（或物体系）在平衡位置（或平均位置）附近来回往复的运动。在机械振动过程中，表示物体运动特征的某些物理量（如位移、速度、加速度等）将时而增大、时而减小地反复变化。在工程实际中，机械振动是非常普遍的，钟表的摆动、车厢的
8、晃动、桥梁与房屋的振动、飞行器与船舶的振动、机床与刀具的振动、各种动力机械的振动等，都是机械振动2。1.1 振动研究简史人类对振动现象的认识有悠久的历史。早在公元前6世纪，Pythagoras发现了较短的弦发出较高的音，将弦长缩短一半可发出高一音阶的音符；战国时期的古人已定量地总结出弦线发音与长度的关系，将基音弦长分为三等份，减去或增加一份可确定相隔五度音程的各个音。公元前6世纪成书的旧约约书亚记记载共振现象，城墙在齐声呐喊中塌陷；成书于战国时期的庄子徐无鬼更明确记载了共振现象“鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣”；成书于公元25世纪的犹太法典第二章也描述一种共振现象，“公鸡把头伸进空的玻璃容器内啼
9、鸣致使容器破碎” 3。在振动力学研究兴起之前，有两个典型的振动问题引起注意，即弦线振动和单摆摆动。1636年Mersenne在关于弦的乐音著作中报告了弦振动的实验研究，测定了长弦振动频率，以此推断出密度和张力相同且发出谐音的短弦频率；1638年Galileo在其名著两门新科学的对话中明确弦线振动频率与其长度、密度和张力的关系；17世纪末Sauveur完成了大量实验工作，测定弦线振动频率并注意到节点的存在，及有节点时弦线振动频率为基频的整数倍。对单摆摆动的研究起源于Galileo，他在1581年发现摆的等时性，在1638年的著作中用落体公式推得摆动周期正比于摆长与重力加速度比的平方根，但没得到正
10、确的比例系数。他还从运动量守恒的角度讨论摆的振动。1673年Huygens把摆动视为圆周运动的一部分，利用几何方法得到单摆振动周期的正确公式，提出摆动中心的概念，从而将形状复杂的摆简化为单摆。1687年Newton考察了单摆在有阻尼介质中的运动。从现代观点考虑，弦线振动是无穷多自由度连续系统的振动，单摆摆动是单自由度离散系统的振动，振幅不大时都可认为是线性的。单摆振动比较简单，对后来线性振动的发展影响不大，弦线振动则成为18世纪振动力学研究的中心问题之一。振动力学的物理基础在17世纪已经奠定。1678年Hooke提出弹性定律，建立了弹性体变形与恢复力间的线性关系，引入了振动系统的基本组成部分弹
11、簧。1678年Newton在其划时代的自然哲学之数学原理中建立了运动变化与受力间的关系，使振动问题的动力学研究成为可能，他也定义了振动系统的另一基本组成部分质量，假设了介质阻力与速度及速度平方成正比，形成阻尼概念的雏形。离散系统振动理论在18世纪中叶基本成熟。弦线振动理论在18世纪建立。1759年Lagrange从驻波解出发推导出行波解，从而在物理上充分理解了均匀弦线的振动规律，更有效的数学工具直到1811年Fourier提出函数的三角级数展开才问世。1762年Euler和1763年DAlembert分别研究了非均匀弦线和重弦线的振动。20世纪初，人们关心的机械振动问题主要集中在避免共振上,因
12、此,研究的重点是机械结构的固有频率和振型的确定。1921年，德国的H.霍尔泽提出解决轴系扭转振动的固有频率和振型的计算方法。30年代，机械振动的研究开始由线性振动发展到非线性振动。50年代以来，机械振动的研究从规则的振动发展到要用概率和统计的方法才能描述其规律的不规则振动随机振动。由于自动控制理论和电子计算机的发展，过去认为甚感困难的多自由度系统的计算，已成为容易解决的问题。振动理论和实验技术的发展，使振动分析成为机械设计中的一种重要工具。1.2 振动系统模型模型就是将实际事物抽象化而得到的表达。例如，力学中的质点、刚体、梁、板、壳、质量-弹簧系统等都是模型。振动系统模型按系统的不同性质可分为
13、：离散系统与连续系统、常参数系统与变参数系统、线性系统与非线性系统、确定系统与随机系统等。1) 离散系统与连续系统离散系统是由集中参数元件组成的，基本的集中参数元件有三种：质量、弹簧与阻尼。质量（包括转动惯量）模型只具有惯性。弹簧模型只具有弹性，其本身质量多可以略去不计。阻尼模型既不具有弹性，也不具有惯性。它是耗能元件，在相对运动中产生阻力。离散系统的运动在数学上用常微分方程来描述。连续系统是由弹性体元件组成的。典型的弹性体元件有杆、梁、轴、板、壳等。弹性体的惯性、弹性与阻尼是连续分布的，故亦称为分布参数系统。2) 常参数系统与变参数系统如果一个振动系统的各个特性参数（如质量、刚度、阻尼系数等
14、）都不随时间而变化，即它们不是时间的函数，这个系统就称为常参数系统（或不变系统）。反之，称为变参数系统（或参变系统）。常参数系统的运动用常系数微分方程来描述，而变参数系统则需要用变参数微分方程来描述。3) 线性系统与非线性系统如果一个振动系统的质量不随运动参数（如坐标、速度、加速度等）而变化，而且系统的弹性力和阻尼力都可以简化为线性模型（弹性力和变形的一次方成正比；阻尼力与速度的一次方成正比），则称为线性系统。凡是不能简化为线性系统的振动系统都称为非线性系统。线性系统的运动用线性微分方程来描述，而非线性系统则需要用非线性微分方程来描述。4) 确定系统与随机系统确定系统的系统特性可用时间的确定函
15、数给出。随机系统的系统特性不能用时间的确定函数给出，只具有概率统计规律性。确定系统的运动用确定微分方程来描述，而随机系统则需要用随机微分方程来描述。一个实际系统究竟应该采用哪一种简化模型，应该根据具体情况进行具体分析。而分析简化模型的正确与否，必须经过科学实验或生产实践的检验。1.3 振动的分类机械振动有不同的分类方法。按产生振动的原因可分为自由振动、受迫振动和自激振动；按振动的规律可分为简谐振动、非谐周期振动和随机振动;按振动系统结构参数的特性可分为线性振动和非线性振动；按振动位移的特征可分为扭转振动和直线振动。1) 自由振动自由振动：去掉激励或约束之后，机械系统所出现的振动。振动只靠其弹性恢复力来维持，当有阻尼时振动便逐渐衰减。自由振动的频率只决定于系统本身的物理性质，称为系统的固有频率。2) 受迫振动受迫振动：机械系统受外界持续激励所产生的振动。简谐激励是最简单的持续激励。受迫振动包含瞬态振动和稳态振动。在振动开始一段时间内所出现的随时间变化的振动，称为瞬态振动。经过短暂时间后，瞬态振动即消失。系统从外界不断地获得能量来补偿阻尼所耗散的能量，因而能够作持续的等
