机械振动力学在现代工业中的应用

徐震 朱封涛

摘要：机械振动力学是一门非常重要的基础课，在现代工业中具有十分广泛的应用。本文指出了机械振动力学在汽车道路模拟试验中的应用，包括如何借助道路模拟试验进行整车的开发、设计、制造，机械振动力学在机器运动状态监测中的应用以及机械振动控制在汽车和土木建桥工程中的应用。本论文对于更好的了解机械振动力学的相关知识以及如何有效的借助机械振动力学的相关知识去解决工程实际问题提供了参考。

关键词：机械振动;基本原理;现代工业;汽车;应用

中图分类号：TH113                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）09-0210-02

0  引言

机械振动是机械学科一门十分重要的基础课程，即在某一位置附近进行的往复运动。在日常的生活中具有许许多多的振动现象，例如车辆行驶过程中的振动，发动机转动时的振动，演奏乐器时乐器的振动等等。振动具有两面性，既有有利的一面，例如振动筛、振动牙刷，同时也有有害的一面，例如地震、发动机的振动造成零件发生疲劳破坏、车床在加工零件时车刀的振动使得零件的加工精度下降等等。对于许多的结构振动问题，人们更为关心的是由于振动而造成的结构各个部件之间的干涉，例如汽车的主梁常常由于路面的不平而产生巨大的振动，从而使得主梁的寿命大大降低，如果主梁在出现裂纹之后不能及时的发现，就会直接影响到行车的安全。对于轿车或者客车，其剧烈的振动常常导致巨大的噪声，不利于乘客的乘坐舒适性，不能满足当前国民的需求。因此在汽车的设计过程中必须有效的考虑其振动问题，这样才能设计制造出更高质量的汽车。实际生活中，我们做到公交车的后排常常会感觉比较头晕，而做到公交车的前排就不会出现头晕的现象，这个也是和机械振动力学具有十分密切的关系的。当前的公交车绝大多数为后置后驱的方式，发动机安装在后部就导致后部的振动较大，特别是在一些颠簸的路面上，就会出现过大的颠簸，容易导致乘客出现头晕的现象。本论文针对机械振动学的基本原理进行总结，同时给出机械振动力学在现代工业中的应用，从而更加客观的认识机械振动现象，利用机械振动有利的一面，避免机械振动有害的一面，更好的促进当前现代工业的快速、健康发展。

1  在现代工业中应用的一般步骤

伴随着现代科学技术的快速发展，机械振动力学在现代工业中具有十分广泛的应用，例如汽车在形式过程中出现批量的后视镜破碎问题给企业造成了巨大的经济损失，如何有效的去解决这些问题成为了企业备受关注的话题。通过机械振动力学去应用于现代工业一般包括四个步骤，具体如图1所示。

对于一个实际问题，其建立数学模型至关重要，只有建立科学的数学模型，才能使得其分析的结果更加的客观、真实、准确，对于实际应用具有十分重要的作用。对于同样的问题，由于其分析的目的不同，其建立的数学模型往往是不一样的，必须结合分析的目的来更加客观的、真实的建立数学模型，这样才能使得分析得到的結果更加的具有指导意义。

控制方程的推导是至关重要的，通过相关的力学知识来获得控制方程，很多的实际问题往往是十分复杂的，其控制方程的推动也就变得十分的困难。控制方程反映了系统的固有属性，是对于系统参数进行识别的过程。对于简单的问题，其控制方程的推动相对比较的困难，常常可以借助于牛顿第二定律、达朗贝尔、拉格朗日方程等来进行推动。

控制方程的求解是十分困难的，特别是对于连续体系统，其推导的控制方程往往是偏微分方程，其复杂问题去求数值解几乎是不可能的。常常通过数值求解的方法来获得控制方程的解，从而研究振动的规律。

对于结果的分析主要是分析位移、速度、加速度的变化规律，通过分析找出振动的一般规律，从而为有效的解决各种工程问题提供参考。工程的问题包含有很多种不同的方法，往往是将研究的对象看做一个黑匣子，即一个振动系统，将外界的激励力称之为该系统的激励或者也被称之为该系统的输入，将系统所产生的反映称之为响应，或者也被称之为该系统的输出。根据一个系统包含的三个基本的对象，即激励、系统和相应，可以归纳为三类问题，具体如表1所示。

2  汽车道路模拟试验中的应用

汽车道路模拟试验在现代企业中具有十分广泛的应用，通过道路模拟试验可以有效的缩短产品的研发周期。以某轿车为例，分析机械振动力学在整车开发过程中的应用。根据产品的需要设计出一款新车型，将该车型送到北京交通部试验场进行试验，在可靠性试验的过程中出现了主梁断裂问题。振动主梁出现断裂，其问题有很多种，如强度不足而造成的破坏，或者疲劳破坏等等。为了更好的找出其原因，该公司派技术人员采集了相应的道路载荷谱，通过该载荷谱在找出问题的原因。首先是将试验车开到公司的整车道路模拟试验台上，通过施加白噪声激励使得该车的相关振动参数被识别，这就是参数识别的过程，即已知激励为白噪声，通过相关的数据采集仪器来测试获得整车的响应，进而就可以得到整车整个振动系统的状态参数;然后将采集得到的载荷谱数据作为输入，施加到已经识别的振动系统中，那么就可以有效的再现整个系统在试验场的状态，这样就做到了在实验室内再现原来的破坏状态。通过在实验室内不仅仅缩短了产品开发的周期，同时也在很大程度上控制了许多不可控的因素;最后是根据试验台上整车出现的故障和北京交通部试验场出现的故障进行对比，分析其不同的原因，同时有效的改进设计，确保上市的产品具有更好的质量，使得其在激烈的市场竞争中处于有利的地位。机械振动力学在汽车道路模拟试验中的应用是当前实施产品开发的关键，如果不能很好的借助机械振动力学去进行道路模拟试验，那么将使得产品的研发周期大大的延长，不能很好的满足当前快速化的市场需求。

通过该道路模拟试验台可以开展许许多多的试验，例如客车的后视镜出现破碎，那么就可以通过该试验台来解决该问题。针对出现后视镜破碎的客户行驶的道路进行实地调查，通过实地调查初步的分析其原因，同时派技术人员去采集用户道路的载荷谱，将用户道路载荷数据进行载荷谱编辑，同时通过白噪声来识别该客车的状态参数，将用户道路载荷谱数据和客车的状态参数有机的结合起来，那么就可以很好的找出后视镜出现破碎的原因。

3  机器运行状态监测中的应用

机器运行状态监测是当前的热点问题，对于大多数的机械设备而言，如果设计比较合理，那么就不会引起太过于剧烈的振动;如果设计不合理，那么就会引起过于剧烈的振动，从而引起机器的破坏。但是对于许多的大型设备，其很难通过肉眼去观察其破坏，需要通过专门的设备检测装置去实时的检测，这样才能更好的了解机器实时的运行状态，确保机器安全的工作。对机器进行实时的检测技术需要利用机械振动力学知识，通過检测设备易破坏点的运行状态，更好的了解机器的运行状态。当前对于机械设备运行状态的检测技术主要包括听、看、运行变量观察、温度观察、磨损碎屑的观察以及振动的观察等。例如对于有经验的工程师，其通过听发动机的声响就可以判断发动机工作是否正常，但是对于没有经验的工程师，其就很难做到通过听去判断发动机的运行是否正常，同时通过听就可以有效的判断发动机的运行是否正常常常是出现在比较明显的故障中且运行的机械设备相对比较简单。通过看、温度、磨损碎屑等也常常是针对一些比较简单的机械设备，但是对于复杂的机械设备而言，其必须对于振动状态进行检测，从而才可以更加客观、更加准确的去了解设备的运行状态。

当前对于机器运行状态进行检测的方法主要包括三个步骤：首先是测试监测点的信号，通过监测点的信号来更好的分析设备的故障信息;其次是对于实测的信号由于测试仪器、测试环境等影响，其常常包含有大量的噪声信息，如果不进行降噪处理，那么很多的故障信息常常被淹没在噪声中，使得故障信息无法被有效的提取，因此需要对其进行降噪处理。当前对于振动信号进行降噪处理的方法一般为基于傅里叶变换的频域分析方法，该种方法可以很好的对平稳信号进行降噪处理，但是对于非平稳信号的降噪处理效果并不理想。伴随着当前小波技术的快速发展，对于故障信号的处理常常是借助于小波分析的方法，通过小波方法来对实测的非平稳信号进行降噪处理，从而更好的获得真实的信号。最后是通过计算降噪后的故障信号的分形维数来确定故障信息，进而实时的了解设备可能出现的故障。对于大型的机械设备，一旦出现故障将会造成很大的经济损失，借助于机械振动力学相关的知识去实时的进行检测，这样可以及时的发现可能出现的各种故障信息，从而避免出现更大的故障，给企业的生产造成巨大的损失。

4  机械振动的控制

振动和噪声是联系在一起的，对于振动的控制可以有效的降低噪声。当前对于振动的控制方式主要有四种方式，即通过控制系统的固有频率，避免外激励作用下的共振。例如汽车在运行过程中汽车后视镜发生破坏，其根本原因在于汽车后视镜的固有频率和其固定处的激励力的频率相近，从而导致出现疲劳破坏。采用机械振动的知识去解决该问题的思路为首先了解当前该汽车后视镜固定处的载荷数据，通过对该数据的分析可以了解其频率信息，这样就可以了解其后视镜的固有频率;然后是借助有限元方法对汽车后视镜进行模态分析，找出其当前的固有频率和模态，借助数学优化的知识对汽车后视镜进行优化处理，从而可以得到优化后的汽车后视镜结构;最后是对优化后的汽车后视镜安装到实车上，对实车进行可靠性试验，从而更好的验证优化后的结构的有效性。对于机械振动的控制在当前的机械设备、土木工程设备、航空航天设备等均具有十分广泛的应用，例如在汽车大桥中常常是安装后减震垫，通过减震垫可以起到隔振的目的，这样避免由于汽车在大桥上形式而产生巨大的振动载荷，从而导致桥梁出现坍塌。机械振动的控制在汽车发动机的安装上也具有十分广泛的应用，在汽车发动机和汽车车架安装部位常常安装后橡胶块，通过橡胶块来减少发动机的振动传递到车架上的力，避免由于发动机的振动而导致车架振动过大，从而出现破坏。因此机械振动力学的相关知识对于有效的预防相关的振动问题具有十分广泛的意义。

参考文献：

[1]赵志宏.基于振动信号的机械故障特征提取与诊断研究[D].北京交通大学，2012.

[2]张超.基于自适应振动信号处理的旋转机械故障诊断研究[D].西安电子科技大学，2012.

[3]楼建忠.大型旋转机械振动监测系统的研究[D].浙江大学，2005.

作者简介：徐震（1982-），男，陕西西安人，本科，工程师，研究方向为非标自动化和管道检测研发;朱封涛（1989-），男，陕西西安人，本科，助理工程师，研究方向为产品设计、工艺改进。