机械振动控制技术研究

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摘要：针对工程上常见的较为复杂的机械振动现象，介绍了多种振动控制策略。在介绍三大振动控制技术的基础上，详细阐述了应用动力吸振器的吸振技术，重点讨论了传统动力吸振器与主系统构成的二自由度系统吸振控制基本原理。建立二自由度系统运动微分方程，研究了机械振动控制策略。

关 键 词：机械振动；振动控制；动力吸振；二自由度；

中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：

0 前言

在现代机械设计中，除了要考虑强度、刚性等静态性能外，还必须考虑到机械在动态载荷作用下的动态性能问题。特别是随着对节能环保性能要求的提高，轻量化设计尤其显得重要，过去的那种偏于厚重的刚性结构设计正在向节能省料的轻薄的柔性结构设计转变。但是轻量化往往会带来更多的振动噪声等问题，从而对产品的使用性能和市场竞争性能带来不利的影响。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动量如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时会导致零、部件的早期失效。例如，透平叶片因振动而产生的断裂，可以引起严重事故。由于现代机械结构日益复杂，运动速度日益提高，振动的危害更为突出。反之，利用振动原理工作的机械设备，则应能产生预期的振动。振动是一种常见的自然现象，一些有害的振动给人们的生产和生活带来了许多麻烦和危险。随着科学技术的日益进步,人们对安全和舒适度的要求越来越高，这对减振技术提出了更高的要求。

1 振动控制技术

从机理来讲，振动控制主要有以下三大类技术：降低共振振幅的阻尼技术、切断振动传递的隔振技术和应用动力吸振的吸振技术。而在每种技术中，又可以从有无外部能源供给的角度，分类为被动控制的方法和主动控制的方法。

作为事后对策，阻尼技术是减振降噪的有效方法。由于一般金属材料的内部阻尼非常小，对其表面进行阻尼处理，可以提高整个结构的阻尼系数。常用的阻尼处理方法是在金属表面粘弹性材料，这种方法称为自由阻尼层处理。当振动时，粘弹性材料发生弯曲变形，由材料内部的摩擦作用把一部分振动能量转化为热能消耗掉。

隔振措施主要是为了切断振动能量的传播途径。精密仪器的隔震台就是为了不让周围环境的振动传到仪器上来。相反，发动机的橡胶坐垫则是不让发动机的振动传到车身上去。

动力吸振器也是常用的吸振控制方法。在原有系统上安装一个由质量-弹簧-阻尼元件组成的附加振动系统（子系统），适当的调节子系统的固有频率及其阻尼特性，可以大大降低原来系统在频率处的振动。这种把原有系统的振动能量转换到子系统中并消耗掉的吸振手段是控制单频或窄带振动的有效方法。

2 二自由度振动模型研究

动力吸振器是一个安装在主振动系统上的子振动系统。通过适当地调节子系统的振动特性，把主系统的振动能量转移到子系统上，并消耗在其中的阻尼环节上。图1为常用的研究动力吸振器的二自由度振动模型。其中作为振动控制对象的主系统由质量和弹簧组成，其固有振动角频率为。为简单起见，在此不考虑主系统的阻尼。动力吸振器是由质量、弹簧以及阻尼所组成的一个附加的振动系统，通常，其固有振动角频率为。

二自由度系统的振动由以下运动方程决定

考虑简谐激励力的情况，，则相应可以表示为

可以推导出：

应用的关系，可以推导出主振动系的振幅为

上式中各项除以，并引入以下各项：质量比，阻尼比，静变形，强迫振动频率比：，固有频率比，整理可得

上式即为动力吸振器作用下的主振动系的振幅频率。在给定质量比和固有频率比的情况下，就可以算出振幅。

3 结论

当阻尼无限大时，相当于动力吸振器被固定在主振动系上，从而变成一个无阻尼单自由度系统的振动，共振振幅为无限大；当阻尼为0时，动力吸振器的作用是把原系统的共振频率分解为两个新的共振频率，振幅仍为无限大。在之间，必然存在一个最优阻尼值。

参考文献：

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