曾雪蓮

（福建船政交通職業(yè)學院，福建 福州 350007）

在日常生活和工程實際中經(jīng)常存在振動現(xiàn)象，如機床和刀具的顫動，飛行器、鐵軌、船舶的振動，發(fā)動機的抖動等。機械振動不僅會導致機械產(chǎn)品質(zhì)量下降，加工效率降低，生產(chǎn)成本提高，機器使用壽命縮短[1]，由此引起的噪聲污染也會影響人們的身心健康。因此很有必要分析機械振動的類型和成因，以便采取必要的措施來消除或減小機械振動。

1 機械振動的含義

機械振動是指物體在其平衡位置附近做有規(guī)律的往復運動。一般用振動量來衡量振動的強弱，振動量又可以由振動位移、振動速度或振動加速度來衡量。通常簡諧振動的表示方法如下：

式中，A為振幅（mm），ω為角頻率（rad/s），φ0為初相角（rad）。

生活中處處可見振動的存在，有些振動是有害的，有些振動則是有益的。應該盡量控制有害振動，同時也要善于利用有益振動[2]。

1）有害振動。振動引起的動載荷一方面會導致機械零件過早損壞，影響機器的性能，增加零件表面粗糙度，降低機加工零件的精度[3-6]；另一方面，振動引起的噪聲污染環(huán)境，影響人體的心理和生理健康，降低工作效率，甚至還可能引發(fā)嚴重事故。

2）有益振動。在一些場合可以利用機械振動服務生產(chǎn)和生活，利用機械振動提高工作效率，降低勞動強度[7]。如振動脫水、振動壓實、振動輸送、振動篩選、振動給料、振動破碎、振動診斷和檢測等。

2 機械振動的類型

機械振動根據(jù)不同的特征進行分類[8]，如表1所示。

根據(jù)ISO 2372，以振動速度來衡量機械振動程度，振動速度峰值和有效值存在以下關系：

式中，ve為振動速度的有效值（mm/s）；vmax為振動速度的峰值（mm/s）；A為振幅（mm）；f為振動頻率（Hz）。

我國和西歐國家多采用振動速度的有效值來評定振動特性。通常在垂直、縱向、橫向三個方向進行振動的測量。在這三個方向的振動速度有效值的均方根表示機械振動烈度：

式中，∑vx、∑vy、∑vz分別表示在垂直、縱向、橫向的振動速度的有效值；Nx、Ny、Nz分別表示在垂直、縱向、橫向主要振點的各自測點數(shù)。

根據(jù)ISO 2372，把振動分為四級。A 級：良好，不會影響機器設備的正常工作；B 級：許可，允許范圍的振動；C 級：可容忍，雖然振動是允許，但不滿意，應設法降低；D 級：不允許，振動太大，機器無法正常運轉(zhuǎn)。振動頻譜表示方法如表2所示。

表2 振動頻譜表示方法

3 機械振動的測量

3.1 機械振動測量的內(nèi)容

機械設備核心零部件異常振動往往代表零部件存在內(nèi)部缺陷，對機械設備核心零部件的振動和運動狀態(tài)進行測量是預判故障的重要手段。機械振動測量的主要內(nèi)容如下：

1）振動量。包括振動位移、振動速度、振動加速度以及振動頻率、振動相位、振動時間歷程、激振力等。

2）系統(tǒng)特征參數(shù)。包括系統(tǒng)的固有頻率、系統(tǒng)剛度、系統(tǒng)阻尼和系統(tǒng)動態(tài)響應特性等。

3）機械結構的動力強度試驗。在模擬環(huán)境下對機械設備進行振動試驗或沖擊試驗，以檢驗產(chǎn)品的機械性能和耐振壽命。

4）機械設備的振動監(jiān)測。對機械設備進行在線振動監(jiān)測，測量振動信息預判故障，以保證機械設備的正常運行。

一個完整的振動測試系統(tǒng)，通常由傳感器、信號轉(zhuǎn)換裝置、信號分析裝置和信號顯示裝置組成。對于線性系統(tǒng)，無論施加的是確定性激勵還是隨機激勵，振動系統(tǒng)產(chǎn)生的位移、速度及加速度之間存在這樣的關系：

所以，線性系統(tǒng)只要測量振動位移、振動速度或振動加速度三者之一，就可以求出另外兩個量。同樣，如果已知振動激勵和多點線性振動的時間歷程，就可以通過分析得出振幅、頻率、相位等參數(shù)。

3.2 機械振動測量的方法

機械振動測量的方法有多種，根據(jù)傳感器與振動體是否接觸分為接觸式和非接觸式[9]。接觸式測量可能會因為傳感器的安裝導致附加質(zhì)量，從而改變振動體原有的振動特性[10]，特別是微幅振動測量時會大大降低測量結果的精確度。非接觸式測量不需要與振動體直接接觸，目前常用的非接觸式振動測量有激光干涉測量和機器視覺測量。根據(jù)振動信號的轉(zhuǎn)換方式，機械振動的測量方法分為電測式、光測式、機械測振式。

1）電測式。利用電力傳感器將被測體的振動參數(shù)轉(zhuǎn)換成電參數(shù)，并通過電量測試儀進行判定。典型的電測式測振系統(tǒng)框圖如圖1 所示。這種方法的分辨率和靈敏度較高，動態(tài)線型范圍和頻率范圍較寬，便于分析和遙測，但是容易受到電磁場干擾，是目前應用最廣的測量方法。

圖1 典型的電測式測振系統(tǒng)框圖

2）光測式。利用光波干涉原理、光杠桿原理、激光多普勒效應等，將機械振動轉(zhuǎn)變成光信號的測量方法。典型的光測式測振系統(tǒng)框圖如圖2 所示。這種測量方法速度快，精度高，且不受電磁場干擾，適用于對不便安裝傳感器的構件或者質(zhì)量小的構件進行非接觸測量，但價格較貴。主要用于精密測量和測振儀器標定。

圖2 典型的光測式測振系統(tǒng)框圖

3）機械測振式。利用杠桿原理將機械振動放大并記錄下來。這種測量方法的動態(tài)線性范圍和頻率范圍較窄，但抗干擾能力強。主要用于扭轉(zhuǎn)振動和低頻率大振幅的振動測量。

4 機械振動的控制

在生產(chǎn)生活中，有害的機械振動會影響生產(chǎn)質(zhì)量和人體健康，甚至會導致災難性破壞。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和機器使用壽命，同時又不影響人體健康，在機械設計時可以從以下幾方面來控制機械振動：

1）減小運動件的不平衡量，對回轉(zhuǎn)件進行平衡，從振動的起源來控制振動。

2）采用振動隔離技術切斷振動波的傳遞路徑控制振動傳播，比如采用高內(nèi)阻材料、在設備表面涂覆阻尼層、增加運動件的相對摩擦等方式。

3）采用阻振、減振措施消耗或轉(zhuǎn)移振動的能量；引進外部能量來抑制振動能量；改進設計提高機械的抗振能力，控制振動響應。

4）制定各種機械設備的允許振動量，形成行業(yè)標準。

5 小結

由于現(xiàn)代機械設備結構日益復雜，運動速度日益提高，振動危害也日益突出。本文介紹了機械振動的定義及作用，從振動產(chǎn)生的原因、振動的規(guī)律、振動系統(tǒng)的自由度數(shù)、振動系統(tǒng)結構參數(shù)和振動位移等方面進行分類，通過機械振動烈度公式將機械振動分為四級，并闡明了機械振動的測量內(nèi)容、測量方法及減振措施，為機械振動相關研究提供理論參考。