振动利用工程.docx

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振动利用工程

东北大学

研究生考试试卷

考试科目：

振动利用工程

课程编号：

阅卷人：

考试日期：

姓名：

刘大鹏

学号：

1170095

注意事项

1．考前研究生将上述项目填写清楚

2．字迹要清楚，保持卷面清洁

3．交卷时请将本试卷和题签一起上交

东北大学研究生院

摘要

在一般情况下，振动是一种不需要的、有害的现象，应该加以消除或隔绝，但在很多场合，振动是需要的和有益的，应该加以利用。

随着现代科技的进步，消振、减振、隔振、降噪的研究得到了迅速的发展，并在实际中得到大量的应用，对提高产品质量和保护生产环境起到了很好的保证作用。

而振动利用的研究，也取得了丰硕成果，在工程领域中得到了广泛应用，出现了一批利用振动的振动机械，以及各种振动加工技术，并且由于近代科学发展和学科交叉，振动利用的研究和应用已经和许多学科结合跨出了工程领域，进人了社会经济领域及自然界振动利用领域的扩展，充实了振动工程学科的内涵，说明人们已经由认识振动，控制振动发展到利用振动来改造世界。

这是一个更为重要的转变，必将进一步推动振动工程的发展，更好地造福于人类。

关键词：

振动；机械；振动利用工程

Abstract

Usually,vibrationisaharmfulphenomenonthatwedon'tneedandshouldbeeliminatedinourlife.Butinmanycases,vibrationisbeneficialtousandshouldbeused.Alongwiththeprogressofmodernscienceandtechnology,vibrationreduction,vibrationisolation,noisereductionresearchhavegotarapiddevelopmentandalotofapplicationhavebeenusedinourlife.Thisplayagoodroleinimprovingproductqualityandprotectingtheenvironment.Andtheresearchofvibrationusinghavemadegreatachievements.Itgetawiderangeofapplicationsinengineeringfield.Thisresultinabatchofusingofthevibrationofmechanicalvibration,andvariousvibrationprocessingtechnology.Becauseofthemodernscientificdevelopmentandcoursecross,theresearchandapplicationofvibrationusinghavecombinedwithaculturalandengineeringfieldandexpandthevibrationfield.Thisenrichstheconnotationofthevibrationengineeringdisciplineandexplainspeoplehasrealizedthatwecanuseandcontrolthevibrationtochangeourworld.Thisisaveryimportantchangeandwillpromotethedevelopmentofvibrationengineeringtobenefitmankind.

Keywords:

vibration;machinery;vibrationusingengineering

目录

第一章振动利用工程简介-1-

1.1振动利用工程的发展-1-

1.2振动利用的分类-2-

1.2.1振动能量的利用-2-

1.2.2振动信号的利用-2-

1.3振动利用工程中的若干新工艺理论与技术-3-

1.3.1物料在振动平面上及振动锥体内运动的理论-3-

1.3.2物料筛分过程的理论-3-

1.3.3振动压实过程中振动摩擦的理论...............................................-3-

1.3.4利用非线性动力学理论研究了物料的结合质量和当量阻尼-3-

第二章压电式振动发电机的设计与分析-4-

2.1发电机结构设计与分析-4-

2.2有限元仿真-5-

2.3实验验证-8-

2.4小结-10-

第三章常用振动技术简介-11-

3.1振动利用机械技术-11-

3.1.1振动输送技术-11-

3.1.2振动破碎技术-11-

3.1.3振动时效工艺-11-

3.1.4超声波振动切削工艺-11-

3.1.5振动诊断技术-12-

3.2光导纤维技术-13-

3.3晶体振荡器技术-14-

3.4振动压路机技术-14-

4.结论和展望-16-

参考文献-17-

第一章振动利用工程简介

1.1振动利用工程的发展

自然界和人类社会中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。

振动学科曾经是物理学或力学的一个分支，原属于基础科学。

这一学科以力学和数学为基础，以现代测试技术、计算技术为手段,并从系统论、控制论及信息论等新兴学科吸取营养，而发展起来。

它面向工程实际，以振动学科的理论、知识和方法来解决工程中日趋复杂的各种动力学问题,作出了富有成效的贡献，且越来越成熟，终于由基础学科发展成为一门工程学科——振动工程。

由于在特定条件下，振动是有利的，并且在近二三十年来，振动与波利用技术在工程技术的各个部门及人类生活的各个方面的广泛应用，所以，对振动现象进行研究,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。

基此，“振动利用工程学科”应然而生，逐渐发展成为振动工程学与其他学科相结合的一门新学科。

目前“振动利用工程”正处在迅速发展的过程中。

例如，在医疗方面，利用振动超声波能够诊断、治疗疾病，彩超、医用CT和核磁共振等，都是振动与波动原理的实际应用；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；在石油开采上，还可利用振动提高石油产量；在许多工矿企业，可以利用振动完成许多工艺过程，或用来提高工作效率。

据不完全统计，目前用于工业生产中的振动机械有百余种之多。

这些振动机械在各个工业部门已发挥了重要作用。

1.2振动利用的分类

振动利用主要分为:

振动能量的利用和振动信号的利用两类。

1.2.1振动能量的利用

各类振动机械均为对振动能量的利用,包括下面要论述的聚合物电磁动态塑化挤出机,是对振动力场的利用,因此它属于振动能量利用的范畴。

振动机械是由激振器、振动体或工作台面、平衡质体或隔振质体、弹性元件及阻尼元件等组成,按激振器的基本类型,振动机械可分为曲柄连杆式、惯性式、电磁式、液动式、凸轮式等。

1.2.2振动信号的利用

利用结构物、机器设备（及至自然物、生命体等）工作过程中产生的振动信号,借助测量、记录、分析、显示仪表,实现工作性能检验、施工质量分析、运转过程监控、故障预测和诊断等。

这方面的应用,正从机械工程领域向建筑工程、水利水电工程、农业工程、气象工程直至医疗保健、社会经济领域不断扩展。

例如,机械设备的故障诊断和过程监控就是利用设备运转中产生的振动信号的不同特征,对已知结构情况的设备进行故障诊断、故障预报和过程监控,是近十多年来发展起来的一种新技术。

1.3振动利用工程中的若干新工艺理论与技术

研究了振动利用工程中若干工艺理论,并将结果应用于生产中。

1.3.1物料在振动平面上及振动锥体内运动的理论

研究了直线运动、圆周运动及椭圆运动的各类振动工作面上及锥体内的物料滑行运动和抛掷运动的理论,进而提出了振动机运动学和动力学参数及工艺参数的计算方法。

1.3.2物料筛分过程的理论

结合中国企业部门的需要,研究了物料筛分过程的理论。

在此基础上,研究出了一种新的概率-等厚筛分的方法,并将其应用于新型筛分机械中,并在一些企业中获得了成功应用。

1.3.3振动压实过程中振动摩擦的理论

首先提出了带有间隙的滞回系统的新模型。

在振动情况下,物料与工件之间

摩擦、松散物料内部的摩擦都会明显的减小,在振动沉桩和振动压实过程中都是如此,因此,通过研究提出了振动摩擦的概念,并在这一问题的理论与试验的研究中,取得了一些初步的结果。

1.3.4利用非线性动力学理论研究了物料的结合质量和当量阻尼

在研究含分段惯性力的非线性振动系统理论的基础上,分析了物料在振动平面上的运动特性,进而计算出在该振动系统中物料的结合系数及当量阻力系数,这为振动机械产品设计提供了有用的参考。

第二章压电式振动发电机的设计与分析

2.1发电机结构设计与分析

本文提出多悬臂梁--单质量块结构的微型压电式振动发电机,其俯视图如图2.1所示。

该发电机由三根梁和一个质量块构成。

图2.1　多悬臂梁-单质量块结构

根据多自由度弹簧质量阻尼系统振动原理,系统运动方程如下

式中,K,M和C分别为系统的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵,y,

和

为位移、速度和加速度列阵;F为荷载列阵。

振动时,振幅不全为零,要求

展开这个行列式,可得结构的n阶谐振频率ω1、ω2......ωn.将解出的每一个频率值ω代入（K-ω2M）φ=0,可以确定各阶主振型φ1,φ2⋯φn。

对本文提出的结构,改变压电梁以及质量块的尺寸,结构的刚度矩阵和质量矩阵会发生改变,不仅可使结构谐振频率发生变化,而且可使结构二阶振动方向与一阶振动方向相接近。

采用振型叠加法求解系统动态响应,位移y表达式为

式中,振型坐标qi代表每一振型所占的比例大小,它是时间的函数。

从式（3）可以看出,在一阶与二阶频率之间任一频率下,结构振动位移y体现为一阶与二阶振型的线性叠加。

只要一阶频率与二阶频率处压电输出梁表现为在z方向的振动,处于两频率之间任一频率的压电梁振动方向也互相接近,从而可以实现一阶与二阶谐振频率之间任一频率下振动时,发电机均有较大输出,从而实现发电机频带宽度的扩展。

2.2有限元仿真

材料参数设置如下表1～表4所示。

多悬臂梁-单质量块结构的ANSYS仿真模型如图2所示,其中压电梁为三层结构,上下PZT层以及中间金属层。

材料属性设置如表1～表4,我们选定铜梁长度L1=L2=11mm,铜梁宽度6.4mm;

图2.2　结构仿真模型

压电梁PZT厚度139μm,压电梁中间金属层厚度102μm,压电梁宽度6.4mm。

改变压电梁长度L3从13mm到18mm。

对结构进行模态分析,得到一二阶谐振频率与压电梁长度的关系曲线,如图2.3所示。

图2.3　频率-L3长度曲线

从图2.3可以看出,压电梁长度L3增加,一阶频率缓慢下降,二阶频率下降较快。

从而可以实现结构二阶谐振频率与一阶谐振频率接近。

考虑系统体积因素,本文选定压电梁长L3=17mm。

此时,模态分析可得系统前两阶谐振频率分别为122.47Hz和148.15Hz。

前两阶振动频率下,结构形变如图2.4所示,可见压电梁在一阶与二阶谐振频率下,振动方向都主要表现为在z方向上的振动。

图2.4　梁的结构形变

对上述结构微型发电机进行谐响应分析,其单层PZT表面的电压幅频特性曲线如图2.5所示。

从图2.5电压幅频特性曲线可以看出,系统在一阶与二阶频率处均出现峰值,在一阶谐振频率处,电压峰值为7.8V,二阶频率处电压峰值为3.4V,两阶频率之间最小电压约为2.1V。

考虑电路损耗40%,从图5可以看出,当外部激励频率在115Hz～150Hz范围内,其双层输出电压可以达到2.5V以上。

图2.5　发动机电压-频率特性曲线

2.3实验验证

为验证以上仿真模型,采用微组装技术制作了一个多悬臂梁-单质量块结构的压电振动发电机,将其固定在支座上,然后将支座安装在振动台上进行实验。

其结构如图2.6所示。

其中,梁1、梁2采用铜梁,梁3采用压电梁。

各尺寸参数同仿真设置。

图2.6　固定于振动台的发动机模型

实验测得开环输出电压与频率的关系曲线如图7所示。

其一阶与二阶谐振频率分别为119Hz以及144Hz。

在一阶谐振频率处,电压峰值为31996V,二阶频率处电压峰值为5.5V,两阶频率之间最小电压约为2.64V。

图2.7　发动机开环输出电压-频率特性曲线

将输出端接100kΩ电阻,测试发电机输出功率,得到其功率-频率特性曲线如图8所示。

在一阶谐振频率处,结构输出功率为68.91μW,在二阶谐振频率处,输出功率达到155.71μW。

图2.8　发动机输出功率-频率特性曲线

一阶与二阶谐振频率之间,最小输出功率为37.56μW,单位体积功率最大可达到54μW/cm3,与单悬臂梁-单质量块结构（单位体积密度70μW/cm3）相比,仍旧有较大输出功率密度,且此结构微型发电机频带宽度达到42Hz。

2.4小结

本设计针对目前压电式振动发电机频带宽度过窄的问题,提出多悬臂梁-单质量块结构的压电式振动发电机。

对结构进行了理论分析,利用ANSYS软件建立了微型发电机仿真模型,对结构参数进行了分析。

组装了实验模型,实验结果表明,本文设计的多悬臂梁-单质量块结构的压电式振动发电机发电机工作频率范围为113Hz～155Hz,带宽达到42Hz,可以更好地适应振动频率波动的振动环境。

第三章常用振动技术简介

3.1振动利用机械技术

3.1.1振动输送技术

松散物料在输送过程中会产生扬尘,危害操作工人的身体健康。

带式和刮板式等传统输送机的工作机体很难实现完全封闭,不符合清洁生产要求。

而振动输送机可以将工作机体封闭起来,达到防尘目的。

电磁振动给料机利用可控硅调节振幅和控制给料量,因其重量轻、体积小、制造成本低、易于实现生产流程自动化等优点,为给料机械设备带来了重大变革。

3.1.2振动破碎技术

物料破碎是工矿企业应用广泛的工艺过程。

传统破碎方法在物料抗压强度极限到达2×108Pa时,破碎过程耗能较高,或难以破碎,或使物料过磨,导致设备复杂。

惯性振动圆锥破碎机利用偏心块产生的离心力来破碎矿石或其他物料,利用挤压和冲击作用,破碎比远高于普通圆锥破碎机,克服了传统工艺的缺陷。

3.1.3振动时效工艺

振动时效就是通过对工件施加周期性应力,迫使工件在其共振频率范围内产生振动。

这种周期性动应力反复推动金属内部结构中的金属原子错位和晶格滑移,使内应力松驰和均化。

振动时效可在一定程度上消除金属构件内部残余应力,稳定工件加工后的尺寸和形状。

与热时效相比,振动时效具有易于操作、减少运输、变形小、缩短生产周期和节约能源等优点,是一项节能新工艺。

3.1.4超声波振动切削工艺

振动切削降低了切削力和切削热,具有普通切削无法比拟的工艺效果。

超声波振动切削是超声频率的脉冲切削方式,镗杆水平方向受力由普通切削的切削力变为高频脉冲切削力。

超声振动切削每一个周期T内只有tc时间在切削,有T-tc时间脱离工件,使切削液能充分地进入到切削区,冷却润滑充分,刀具散热条件改善,切削温度大幅度降低。

超声切削刀具和工件材料非连续接触,刀具和工具亲和机会减少,温度又低,切削液润滑又充分,加上超声振动之刀具会带动其周围切削液超声振动,切削液对刀具和工件材料不会发生粘结。

由刀具材料和工件材料不同而引起的加工表面粗糙度差异在超声切削时可以减少到最低限度,提高了加工精度和效率。

超声波振动加工为特殊零件的精加工开辟了新的有效途径。

3.1.5振动诊断技术

从19世纪产业革命时期起,人类就开始研究设备故障诊断技术,起初依靠感觉器官获取信息,凭经验作出判断。

可靠性理论的应用,使人们能够依靠事先对材料寿命的分析与估计以及对设备性能的部分检测来完成诊断任务,而利用振动信号的不同特征对机械和结构的故障进行诊断,是近十多年来发展起来的一种新技术。

目前,利用模糊理论、灰色理论或神经网络方法对振动信号进行分析与诊断,在各工业领域已经得到了广泛应用。

在性能测量中,利用振动热成像技术进行复合材料无损检测,业已获得成功。

（1）桩基础及地下工程的检测

桩基础在高层建筑中被大量采用,深人土层中的桩身质量,对于基础的承载性能影响极大,对桩基础进行振动激励时,其响应波形中包含有桩身完整性和混凝土质量的丰富信采用适当的仪器系统,对于桩的激励及响应进行分析,就能对桩进行无损检测,判断桩基础的质量。

同样的方法也可用于其它地下工程的质量检测中,对于防止“豆腐渣”工程的出现,起到了重要的作用。

（2）机械设备的故障诊断和过程监控

利用设备运转中产生的振动信号的不同特征,对已知结构情况的设备进行故障诊断、故障预报和过程监控,是近十多年来发展起来的一种新技术。

利用模糊理论、灰色理论或神经网络方法对振动信号进行分析与诊断,在工业企业中已经得到了广泛的应用相应的仪器系统和应用软件,国内产品已日渐成熟,新型的传感材料与传感器、分析处理软硬件系统还在不断出新。

（3）振动热成象技术

在红外热成象无损检测法中,已经成功地利用振动热成象技术对于复合材料进行无损检测,它的基本原理是：

受到振动激励的材料,其内部的应力分布与材料缺陷有关,在红外热成象图形中,可以清晰地了解应力的正常与异常分布,从而进行材料无损检测。

（4）人体疾病的诊断

自20世纪40年代发现超声（高频振动波）可以用来检查人体进行诊断后,短短几十年,发展非常迅速人体的各个器官、组织在正常与有疾病时对超声的吸收不同,由此产生的反射规律也不同,利用这一原理,出现了B超以致彩超等一类检查诊断设备,对维护人体健康起了很大的作用，类似的还有心电仪、脑电仪等检查诊断设备,它们利用了振动诊断的基本原理,通过专门设备,分析人的心电波形或脑电波形,从而对人体疾病进行诊断,目前已经得到了广泛应用。

（5）农业及杜会经济领域中的振动诊断

广义的振动指自然界和人类社会中的某种量随时间或大或小的不断变化,因此,农业中谷物及果树产量变化的周期性位口大小年等,虫口数量的增减及虫灾发生的周期性,灾害性天气对农作物产量影响的周期性经济领域中产品的积压与脱销,商品价格的涨跌,股市的振荡和股价的涨跌,市场的活跃与疲软,金融危机发生的周期性。

社会生活中人口增长率的变化及其周期性,某些疾病发生的周期性等等,都属于振动现象了解这些振动的规律,可以使振动特性向着有利于人类社会的方向发展,其实际意义甚至大于工程技术界对振动的有效利用。

目前出现的股票分析软件等,就是社会生活中利用振动信息,判断市行情,采取相应对策的一种形式。

3.2光导纤维技术

随着人们生活方式的变化,通信产业成为社会发展的中坚力量,而利用光导纤维对信息进行传输是通信领域的一次革命。

光纤通信是以激光为光源,以光导纤维为传输介质进行的通信,具有传输容量大、抗电磁干扰能力强等突出优点,是构成未来信息高速公路骨干网的主要通信方式。

光在光导纤维中连续反射过程,是一种典型的振动过程。

在光纤网络中,光信号的各种存取方式都不同程度地依赖于电子振荡器产生的标准频率、脉冲及光比特信号。

在过去的20年,光纤通信传输速率几乎是每隔10年就增加上百倍,现在世界上大约有60%～80%的通信业务经光纤传输,光纤已在长途主干线上完全取代了电缆。

一条2.5Gbit的光纤线路,可传送3万多个话路;用一对细如发丝的光导纤维,可满足48万人同时通话。

同样,光缆网络已经占到全球Internet网络的30%。

据统计,全球每年通信设备产值约7000亿美元,光缆网络约占2000亿美元。

若光缆网络每年以30%～35%的速度增长,未来将会有更大的发展前景。

况且,人类目前仅仅利用了光纤潜力的千分之一,可以说,光纤通信技术正方兴未艾。

3.3晶体振荡器技术

机械钟表主要利用摆振进行计时,计时部分是擒纵调速器,由擒纵机构把原动系的能量传递给振动系统,维持振动系统做等幅运动,并把振动次数传递给指示机构,达到计量时间的目的。

擒纵调速器的准确性影响走时精度。

电波钟表是在石英电子钟表内增加了接收无线电长波信号、数据处理、自动校正的功能结构,这样就能接收地面发射站以长波发送的标准时间信号,每只电波钟表在接收到这一精确的时码后,经数据处理器处理,即可自动校正石英电子钟表的走时误差,使每只电波钟的走时都受统一精确的时码控制,从而实现了所有电波钟高精度的计量时间和显示时间的一致性。

电波钟表的出现开拓了时间计量的新里程,将对世界经济的发展产生重大的影响。

自1986年第一只商业用电波钟诞生后,包括中国在内的很多国家将其列为重点研发方向,目前电波钟在欧洲钟表市场的占有率已达30%。

3.4振动压路机技术

自上世纪80年代末以来,我国引进了先进的筑路机械与筑路工艺,显著提高了建设高等级公路、铁路、机场、港口、水库等基础设施的能力,为提高工程速度与质量提供了有力的技术保障。

振动摊铺机和振动压路机是现代筑路作业的关键设备,也是振动技术在筑路工程中的应用典例。

振动摊铺机工作时,先将物料撒布在整个宽度上,再利用熨平机构的激振器对被摊铺物料进行压实,振动机构是决定物料摊铺效率和密实效果的关键系统之一。

振动压路机是依靠安装在连接板上的振动马达,带动偏心轴正反高速旋转产生离心力,使振动碾作受迫运动,从而压实路面。

振动压实过程是一种典型的