论文部分内容阅读
摘 要：振动试验包括响应测量、动态特性参量测定、载荷识别以及振动环境试验等内容。本文主要介绍了响应测量、载荷识别以及振动环境试验。
关键词：响应测量;载荷识别;振动环境试验;减振措施
0 引 言
振动试验是评定元器件、零部件及整机在预期的运输及使用环境中的抵抗能力。
物体或质点相对于平衡位置所作的往复运动叫振动。振动又分为正弦振动、随机振动、复合振动、扫描振动、定频振动。描述振动的主要参数有：振幅、速度、加速度。单频正弦振动频率为f时，振幅单峰值为D，则其速度单峰值为 ，加速度单峰值为。
在现场或实验室对振动系统的实物或模型进行的试验。振动系统是受振动源激励的质量弹性系统，如机器、结构或其零部件、生物体等。振动试验是从航空航天部门发展起来的， 现在已被推广到动力机械、 交通运输、建筑等各个工业部门及环境保护、劳动保护方面，其应用日益广泛。振动试验包括响应测量、动态特性参量测定、载荷识别以及振动环境试验等内容。
1 振动试验的主要内容
1.1 响应测量
主要是振级的测量。为了检验机器、结构或其零部件的运行品质、安全可靠性以及确定环境振动条件，必须在各种实际工况下，对振动系统的各个选定点和选定方向进行振动量级的测定，并记录振动量值同时间变化的关系（称为时间历程）。对周期振动，主要测定振级（位移、速度、加速度或应变的幅值或有效值）和振动周期;对瞬态振动和冲击，主要测定位移或加速度的最大峰值和响应持续时间;对平稳随机振动，主要测定力和响应的时间历程的均值和方差等;对非平稳随机振动，可把时间划分为许多小段，测定各小段内时间历程的均值和方差，找出它们同时间的关系，并以此作为振级的度量。
许多机器的振动速度在很宽频率范围内几乎为常数，所以可用在机器上选定点测得的振动速度的最大有效值作为机器振动强烈程度（称为振动烈度）的指标。
为了设计和试制新机器或在改造旧机器时解决减振问题，以及为了提高振动机械的效率，必须了解系统的动态特性参量。动态特性参量很多，对于线性系统，最常用的为模态参量，包括各阶固有频率、振型、模态质量或模态刚度、模态阻尼比。模态参量可以换算出物理坐标（即几何坐标）中的力学参量，包括集中质量、刚度和阻尼矩阵。
动态特性参量的简易测定方法
在工程设计中，有时只需知道低阶（如一、二阶）固有频率、振型以及阻尼系数，可用简易方法测定这些参量：
① 固有频率测定。用敲击或突然卸载使系统产生自由振动，记录其衰减波形并与仪器中的时标信号比较，或将信号发生器产生的固定频率正弦波和衰减波形输入射线示波器，由示波器显示的利萨如图形求得一、二阶固有频率。如果有激振器或振动台，则可对系统进行步进频率激振或低速扫频激振以寻找共振频率，在小阻尼时共振频率近似等于固有频率。
② 振型测定。手持木质或铝质探针接触被测系统各点，由撞击声音（或凭手感）测定所有不振动点的位置，即节线位置。对水平放置的平板型系统，可在平板上撒上砂粒，振动时砂粒将聚集到节线上，由节线分布情况即可大致判断振型。
③ 阻尼测定。可采用衰减振动法、共振法和相位法。衰减振动法是用记录仪记录自由振动的衰减波形，由相邻同向的两次或数次的振幅的衰减率算出阻尼值;共振法是由共振时振幅和共振区频率带宽算出阻尼值;相位法是由共振区相位随频率变化关系算出阻尼值。
机械导纳方法
机械导纳是系统频域的特征参量（见机械阻抗）。大型复杂结构的固有频率多而密集，振型很复杂，无法用简易方法测定。然而可以先测试系统对激振力的响应，得到机械导纳，再用图解识别（即机械导纳的幅频、相频、实频、虚频或矢端图等图形识别）或计算机识別来确定模态参量或物理参量。
1.2 时域识别方法
直接利用振动的时间历程来求系统的模态参量。对自由振动，可以通过自由振动和脉冲响应函数（系统的时域特性参量之一，其傅里叶变换即机械导纳）的关系直接计算模态参量。对受迫振动，可以用数字时间序列分析方法或其他方法（如随机减量法、滤波法等）来计算模态参量。时域识别方法的优点是能利用运行状态下机器的振动信号，适用于不能在实验室测试的大型结构;缺点是天然振源的激振力往往无法测定和控制，而仅能由响应值来识别，故精度较低。
1.3载荷识别
载荷识别是指分析和确定振源的性质（是有规律的还是随机的？是定力还是定运动？等等）、传播途径及振源施加在系统上的载荷谱（即载荷的时间历程）。载荷识别也叫环境预测，它可为分析系统的动力响应和振动原因等提供数据。大型结构承受的载荷非常复杂，很难直接测定，但可以通过结构的响应信号和系统已知的数学模型来反推系统承受的载荷，再根据各种工况下得出的数据进行统计和综合，最终得到载荷谱。振源的性质和传播途径可以用功率谱分析或相关分析方法得出。
1.4振动环境试验
为了了解产品的耐振寿命和性能指标的稳定性，录找可能引起破坏或失效的薄弱环节，对系统在模拟实际环境的振动、冲击条件下进行的考核试验。定型产品的试验规范通常已经标准化，新产品要制定合适的试验方法。试验方法分两大类：①标准试验，包括耐预定频率试验、耐共振试验、正弦扫描试验、宽带随机振动试验、冲击试验、声振试验和运输试验等;②非标准试验，包括瞬态波形振动试验、窄带随机振动试验、随机波再现试验、正弦波和随机波混合试验等。
振动试验数据处理和分析：试验得到的大量原始数据必须经过各种处理，才能作为工程设计计算的依据资料。试验的原始记录数据是参量的时间历程（位移、速度或加速度等量值同时间的关系），通过直观分析可将数据分为瞬态的、周期的、随机或非随机持续非周期的三种，进而在时域（包括时差域，即自变量为两信号的时间差）、频域和幅值域三大域中进行统计分析、相关分析和谱分析，从而得到表征时间历程特征的各种函数。处理方法可分为模拟量处理法和数字量处理法。前者设备简单，但精度较差，处理时间长;后者需将原始记录的模拟量变换为数字量后用数字计算机处理，由于精度很高，速度极快，所以随着各种功能齐全的专用数据处理机（如快速傅里叶分析仪）的出现，数字量处理法已逐渐取代了模拟量处理法。
2减振的概念及措施
减振是工程上防止振动危害的主要手段。减振可分为主动减振和被动减振。主动减振是在设计时就考虑消除振源或减小振源的能量或频率，在精密仪器、航空航天设备、大型汽轮发电机组及高速旋转机械中应用较多，但费用昂贵，普通工程机械中应用较少。被动减振有隔振和吸振等。隔振又可分为主动隔振和被动隔振。
为了防止或限制振动带来的危害和影响，现代工程中采用了各种措施，归纳起来有以下几条原则：
2.1 减弱或消除振源（主动减振）
这是一项积极的治本措施。如果振动的原因是由于转动部件的偏心所引起的，可以用提高动平衡精度的办法来减小不平衡的离心惯性力。对往复式机械如空气压缩机等也需要注意惯性力的平衡。
2.2 远离振源（被动隔振）
这是一种消极的防护措施。如精密仪器或设备要尽可能远离具有大型动力机械、压力加工机械及振动机械的工厂或车间，以及运输繁忙的铁路、公路等。
2.3 提高机器本身的抗振能力（主动减振）
衡量机器结构抗振能力的常用指标是动刚度，动刚度在数值上等于机器结构产生单位振幅所需的动态力。动刚度越大，则机器结构在动态力作用下的振动量越小。
2.4 避开共振区
根据实际情况尽可能改变系统的固有频率（主动减振）或改变机器的工作转速（被动减振），使机器不在共振区内工作。
2.5 适当增加阻尼（阻尼吸振）
阻尼吸收系统振动的能量，使自由振动的振幅迅速衰减，对于强迫振动的振幅有抑制作用，尤其在共振区内甚为显著。
2.6 动力吸振（被动吸振）
对某些设备上的测量或监控仪表，采用在仪表下安装动力吸振器的方法可稳定仪表的指针，提高测量精度。
2.7 采取隔振措施
用具有弹性的隔振器，将振动的机器（振源）与地基隔离，以便减少振源通过地基影响周围的设备，这就是主动隔振或积极隔振;或将需要保护的精密设备与振动的地基隔离，使不受周围振源的影响，这就是被动隔振。
关键词：响应测量;载荷识别;振动环境试验;减振措施
0 引 言
振动试验是评定元器件、零部件及整机在预期的运输及使用环境中的抵抗能力。
物体或质点相对于平衡位置所作的往复运动叫振动。振动又分为正弦振动、随机振动、复合振动、扫描振动、定频振动。描述振动的主要参数有：振幅、速度、加速度。单频正弦振动频率为f时，振幅单峰值为D，则其速度单峰值为 ，加速度单峰值为。
在现场或实验室对振动系统的实物或模型进行的试验。振动系统是受振动源激励的质量弹性系统，如机器、结构或其零部件、生物体等。振动试验是从航空航天部门发展起来的， 现在已被推广到动力机械、 交通运输、建筑等各个工业部门及环境保护、劳动保护方面，其应用日益广泛。振动试验包括响应测量、动态特性参量测定、载荷识别以及振动环境试验等内容。
1 振动试验的主要内容
1.1 响应测量
主要是振级的测量。为了检验机器、结构或其零部件的运行品质、安全可靠性以及确定环境振动条件，必须在各种实际工况下，对振动系统的各个选定点和选定方向进行振动量级的测定，并记录振动量值同时间变化的关系（称为时间历程）。对周期振动，主要测定振级（位移、速度、加速度或应变的幅值或有效值）和振动周期;对瞬态振动和冲击，主要测定位移或加速度的最大峰值和响应持续时间;对平稳随机振动，主要测定力和响应的时间历程的均值和方差等;对非平稳随机振动，可把时间划分为许多小段，测定各小段内时间历程的均值和方差，找出它们同时间的关系，并以此作为振级的度量。
许多机器的振动速度在很宽频率范围内几乎为常数，所以可用在机器上选定点测得的振动速度的最大有效值作为机器振动强烈程度（称为振动烈度）的指标。
为了设计和试制新机器或在改造旧机器时解决减振问题，以及为了提高振动机械的效率，必须了解系统的动态特性参量。动态特性参量很多，对于线性系统，最常用的为模态参量，包括各阶固有频率、振型、模态质量或模态刚度、模态阻尼比。模态参量可以换算出物理坐标（即几何坐标）中的力学参量，包括集中质量、刚度和阻尼矩阵。
动态特性参量的简易测定方法
在工程设计中，有时只需知道低阶（如一、二阶）固有频率、振型以及阻尼系数，可用简易方法测定这些参量：
① 固有频率测定。用敲击或突然卸载使系统产生自由振动，记录其衰减波形并与仪器中的时标信号比较，或将信号发生器产生的固定频率正弦波和衰减波形输入射线示波器，由示波器显示的利萨如图形求得一、二阶固有频率。如果有激振器或振动台，则可对系统进行步进频率激振或低速扫频激振以寻找共振频率，在小阻尼时共振频率近似等于固有频率。
② 振型测定。手持木质或铝质探针接触被测系统各点，由撞击声音（或凭手感）测定所有不振动点的位置，即节线位置。对水平放置的平板型系统，可在平板上撒上砂粒，振动时砂粒将聚集到节线上，由节线分布情况即可大致判断振型。
③ 阻尼测定。可采用衰减振动法、共振法和相位法。衰减振动法是用记录仪记录自由振动的衰减波形，由相邻同向的两次或数次的振幅的衰减率算出阻尼值;共振法是由共振时振幅和共振区频率带宽算出阻尼值;相位法是由共振区相位随频率变化关系算出阻尼值。
机械导纳方法
机械导纳是系统频域的特征参量（见机械阻抗）。大型复杂结构的固有频率多而密集，振型很复杂，无法用简易方法测定。然而可以先测试系统对激振力的响应，得到机械导纳，再用图解识别（即机械导纳的幅频、相频、实频、虚频或矢端图等图形识别）或计算机识別来确定模态参量或物理参量。
1.2 时域识别方法
直接利用振动的时间历程来求系统的模态参量。对自由振动，可以通过自由振动和脉冲响应函数（系统的时域特性参量之一，其傅里叶变换即机械导纳）的关系直接计算模态参量。对受迫振动，可以用数字时间序列分析方法或其他方法（如随机减量法、滤波法等）来计算模态参量。时域识别方法的优点是能利用运行状态下机器的振动信号，适用于不能在实验室测试的大型结构;缺点是天然振源的激振力往往无法测定和控制，而仅能由响应值来识别，故精度较低。
1.3载荷识别
载荷识别是指分析和确定振源的性质（是有规律的还是随机的？是定力还是定运动？等等）、传播途径及振源施加在系统上的载荷谱（即载荷的时间历程）。载荷识别也叫环境预测，它可为分析系统的动力响应和振动原因等提供数据。大型结构承受的载荷非常复杂，很难直接测定，但可以通过结构的响应信号和系统已知的数学模型来反推系统承受的载荷，再根据各种工况下得出的数据进行统计和综合，最终得到载荷谱。振源的性质和传播途径可以用功率谱分析或相关分析方法得出。
1.4振动环境试验
为了了解产品的耐振寿命和性能指标的稳定性，录找可能引起破坏或失效的薄弱环节，对系统在模拟实际环境的振动、冲击条件下进行的考核试验。定型产品的试验规范通常已经标准化，新产品要制定合适的试验方法。试验方法分两大类：①标准试验，包括耐预定频率试验、耐共振试验、正弦扫描试验、宽带随机振动试验、冲击试验、声振试验和运输试验等;②非标准试验，包括瞬态波形振动试验、窄带随机振动试验、随机波再现试验、正弦波和随机波混合试验等。
振动试验数据处理和分析：试验得到的大量原始数据必须经过各种处理，才能作为工程设计计算的依据资料。试验的原始记录数据是参量的时间历程（位移、速度或加速度等量值同时间的关系），通过直观分析可将数据分为瞬态的、周期的、随机或非随机持续非周期的三种，进而在时域（包括时差域，即自变量为两信号的时间差）、频域和幅值域三大域中进行统计分析、相关分析和谱分析，从而得到表征时间历程特征的各种函数。处理方法可分为模拟量处理法和数字量处理法。前者设备简单，但精度较差，处理时间长;后者需将原始记录的模拟量变换为数字量后用数字计算机处理，由于精度很高，速度极快，所以随着各种功能齐全的专用数据处理机（如快速傅里叶分析仪）的出现，数字量处理法已逐渐取代了模拟量处理法。
2减振的概念及措施
减振是工程上防止振动危害的主要手段。减振可分为主动减振和被动减振。主动减振是在设计时就考虑消除振源或减小振源的能量或频率，在精密仪器、航空航天设备、大型汽轮发电机组及高速旋转机械中应用较多，但费用昂贵，普通工程机械中应用较少。被动减振有隔振和吸振等。隔振又可分为主动隔振和被动隔振。
为了防止或限制振动带来的危害和影响，现代工程中采用了各种措施，归纳起来有以下几条原则：
2.1 减弱或消除振源（主动减振）
这是一项积极的治本措施。如果振动的原因是由于转动部件的偏心所引起的，可以用提高动平衡精度的办法来减小不平衡的离心惯性力。对往复式机械如空气压缩机等也需要注意惯性力的平衡。
2.2 远离振源（被动隔振）
这是一种消极的防护措施。如精密仪器或设备要尽可能远离具有大型动力机械、压力加工机械及振动机械的工厂或车间，以及运输繁忙的铁路、公路等。
2.3 提高机器本身的抗振能力（主动减振）
衡量机器结构抗振能力的常用指标是动刚度，动刚度在数值上等于机器结构产生单位振幅所需的动态力。动刚度越大，则机器结构在动态力作用下的振动量越小。
2.4 避开共振区
根据实际情况尽可能改变系统的固有频率（主动减振）或改变机器的工作转速（被动减振），使机器不在共振区内工作。
2.5 适当增加阻尼（阻尼吸振）
阻尼吸收系统振动的能量，使自由振动的振幅迅速衰减，对于强迫振动的振幅有抑制作用，尤其在共振区内甚为显著。
2.6 动力吸振（被动吸振）
对某些设备上的测量或监控仪表，采用在仪表下安装动力吸振器的方法可稳定仪表的指针，提高测量精度。
2.7 采取隔振措施
用具有弹性的隔振器，将振动的机器（振源）与地基隔离，以便减少振源通过地基影响周围的设备，这就是主动隔振或积极隔振;或将需要保护的精密设备与振动的地基隔离，使不受周围振源的影响，这就是被动隔振。