机械振动类型分析*

曾雪莲

（福建船政交通职业学院，福建 福州 350007）

在日常生活和工程实际中经常存在振动现象，如机床和刀具的颤动，飞行器、铁轨、船舶的振动，发动机的抖动等。机械振动不仅会导致机械产品质量下降，加工效率降低，生产成本提高，机器使用寿命缩短[1]，由此引起的噪声污染也会影响人们的身心健康。因此很有必要分析机械振动的类型和成因，以便采取必要的措施来消除或减小机械振动。

1 机械振动的含义

机械振动是指物体在其平衡位置附近做有规律的往复运动。一般用振动量来衡量振动的强弱，振动量又可以由振动位移、振动速度或振动加速度来衡量。通常简谐振动的表示方法如下：

式中，A为振幅（mm），ω为角频率（rad/s），φ0为初相角（rad）。

生活中处处可见振动的存在，有些振动是有害的，有些振动则是有益的。应该尽量控制有害振动，同时也要善于利用有益振动[2]。

1）有害振动。振动引起的动载荷一方面会导致机械零件过早损坏，影响机器的性能，增加零件表面粗糙度，降低机加工零件的精度[3-6]；另一方面，振动引起的噪声污染环境，影响人体的心理和生理健康，降低工作效率，甚至还可能引发严重事故。

2）有益振动。在一些场合可以利用机械振动服务生产和生活，利用机械振动提高工作效率，降低劳动强度[7]。如振动脱水、振动压实、振动输送、振动筛选、振动给料、振动破碎、振动诊断和检测等。

2 机械振动的类型

机械振动根据不同的特征进行分类[8]，如表1所示。

根据ISO 2372，以振动速度来衡量机械振动程度，振动速度峰值和有效值存在以下关系：

式中，ve为振动速度的有效值（mm/s）；vmax为振动速度的峰值（mm/s）；A为振幅（mm）；f为振动频率（Hz）。

我国和西欧国家多采用振动速度的有效值来评定振动特性。通常在垂直、纵向、横向三个方向进行振动的测量。在这三个方向的振动速度有效值的均方根表示机械振动烈度：

式中，∑vx、∑vy、∑vz分别表示在垂直、纵向、横向的振动速度的有效值；Nx、Ny、Nz分别表示在垂直、纵向、横向主要振点的各自测点数。

根据ISO 2372，把振动分为四级。A 级：良好，不会影响机器设备的正常工作；B 级：许可，允许范围的振动；C 级：可容忍，虽然振动是允许，但不满意，应设法降低；D 级：不允许，振动太大，机器无法正常运转。振动频谱表示方法如表2所示。

表2 振动频谱表示方法

3 机械振动的测量

3.1 机械振动测量的内容

机械设备核心零部件异常振动往往代表零部件存在内部缺陷，对机械设备核心零部件的振动和运动状态进行测量是预判故障的重要手段。机械振动测量的主要内容如下：

1）振动量。包括振动位移、振动速度、振动加速度以及振动频率、振动相位、振动时间历程、激振力等。

2）系统特征参数。包括系统的固有频率、系统刚度、系统阻尼和系统动态响应特性等。

3）机械结构的动力强度试验。在模拟环境下对机械设备进行振动试验或冲击试验，以检验产品的机械性能和耐振寿命。

4）机械设备的振动监测。对机械设备进行在线振动监测，测量振动信息预判故障，以保证机械设备的正常运行。

一个完整的振动测试系统，通常由传感器、信号转换装置、信号分析装置和信号显示装置组成。对于线性系统，无论施加的是确定性激励还是随机激励，振动系统产生的位移、速度及加速度之间存在这样的关系：

所以，线性系统只要测量振动位移、振动速度或振动加速度三者之一，就可以求出另外两个量。同样，如果已知振动激励和多点线性振动的时间历程，就可以通过分析得出振幅、频率、相位等参数。

3.2 机械振动测量的方法

机械振动测量的方法有多种，根据传感器与振动体是否接触分为接触式和非接触式[9]。接触式测量可能会因为传感器的安装导致附加质量，从而改变振动体原有的振动特性[10]，特别是微幅振动测量时会大大降低测量结果的精确度。非接触式测量不需要与振动体直接接触，目前常用的非接触式振动测量有激光干涉测量和机器视觉测量。根据振动信号的转换方式，机械振动的测量方法分为电测式、光测式、机械测振式。

1）电测式。利用电力传感器将被测体的振动参数转换成电参数，并通过电量测试仪进行判定。典型的电测式测振系统框图如图1 所示。这种方法的分辨率和灵敏度较高，动态线型范围和频率范围较宽，便于分析和遥测，但是容易受到电磁场干扰，是目前应用最广的测量方法。

图1 典型的电测式测振系统框图

2）光测式。利用光波干涉原理、光杠杆原理、激光多普勒效应等，将机械振动转变成光信号的测量方法。典型的光测式测振系统框图如图2 所示。这种测量方法速度快，精度高，且不受电磁场干扰，适用于对不便安装传感器的构件或者质量小的构件进行非接触测量，但价格较贵。主要用于精密测量和测振仪器标定。

图2 典型的光测式测振系统框图

3）机械测振式。利用杠杆原理将机械振动放大并记录下来。这种测量方法的动态线性范围和频率范围较窄，但抗干扰能力强。主要用于扭转振动和低频率大振幅的振动测量。

4 机械振动的控制

在生产生活中，有害的机械振动会影响生产质量和人体健康，甚至会导致灾难性破坏。为了提高产品质量和机器使用寿命，同时又不影响人体健康，在机械设计时可以从以下几方面来控制机械振动：

1）减小运动件的不平衡量，对回转件进行平衡，从振动的起源来控制振动。

2）采用振动隔离技术切断振动波的传递路径控制振动传播，比如采用高内阻材料、在设备表面涂覆阻尼层、增加运动件的相对摩擦等方式。

3）采用阻振、减振措施消耗或转移振动的能量；引进外部能量来抑制振动能量；改进设计提高机械的抗振能力，控制振动响应。

4）制定各种机械设备的允许振动量，形成行业标准。

5 小结

由于现代机械设备结构日益复杂，运动速度日益提高，振动危害也日益突出。本文介绍了机械振动的定义及作用，从振动产生的原因、振动的规律、振动系统的自由度数、振动系统结构参数和振动位移等方面进行分类，通过机械振动烈度公式将机械振动分为四级，并阐明了机械振动的测量内容、测量方法及减振措施，为机械振动相关研究提供理论参考。