机械加工中的振动分析及控制措施

机械加工中的振动分析及控制措施

摘要：伴随着社会的科技经济飞速发展，各种的机械被广泛的应用在日常生活与实际生产中。随之而来的是充斥在生活和生产环境中的机械振动与噪声其影响着人们的正常生活和身体的生理活动。振动与噪声对人体的危害有两方面:一是振动噪声危害、二是产生振动病。振动还会产生共振对建筑和机械也有危害。本文仅就机械振动与噪声的危害作用于人的一些现象和问题加以阐述，探究其发生条件和机理，并针对性的提出预防和治理方法加以控制以期引起人们重视进而采取必要措施避免或消除机械振动与噪声带来的危害改善生活环境和生产条件保证人们的生活安全和生命健康。

关键词：机械振动振动病预防和治理

中图分类号：TH113.1 文献标识码： A

引言：振动和噪声是工程机械工作时的两大公害。发动机是工程机械主要振动源。发动机振动的传播直接影响到工程机械的整机可靠性和使用寿命，同时也使司机的乘坐舒适性变差，降低工作效率。必须采用一些有效方法来减少振动。

一、振源控制

振源控制贯穿于设计，制造乃至使用的全过程，体现在诸如改善发动机平衡性能、动力学性能、零部件的加工与装配精度等。发动机在工作中产生振动的形式是多样的，主要原因有：发动机重心周期性移动，往复运动件沿气缸上下作用的惯性力，所有旋转运动件的离心惯性力，气体压力交替作用引起曲轴回转周期变化等。这些不平衡力和力矩通常可以通过附加平衡轴和安装平衡块来消除或削弱，还待以通过改变发动机结构设计参数来调整系统的固有频率，避免结构共振，改进系统振动特性。如通过对机体的模态分析和有限元计算，来研究机体的固有频率的振型等。

削弱激振源和避免共振首先应从设计阶段考虑，要在整体设计中贯穿系统工程思想，充分应用现代设计方法，如有限元设计，可靠性设计，稳健设计，优化设计，计算机辅助设计以及智能系统和专家系统设计。

二、机械振动的分类

机械加工过程中，工艺系统常常会发生振动，即在工件和刀具的切削刃之间，除了名义上的切削运动外，还会出现一种周期性的相对运动。产生振动时，工艺系统的正常切削过程便受到干扰和破坏，从而使零件加工表面出现振纹，降低了零件的加工精度和表面质量，频率低时产生波度，频率高时产生微观不平度。强烈的振动会使切削过程无法进行，甚至造成刀具“崩刃”。为此，常被迫降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分的发挥，限制了生产率的提高。振动还影响刀具的耐用度和机床的寿命，发出噪声，恶化工作环境，影响工人健康。振动按其产生的原因来分类有三种：自由振动、受迫振动和自激振动。受迫振动和自激振动都是不能自然衰减而且是危害较大的振动。

（一）受迫振动产生的原因

机械加工中的受迫振功，是一种由工艺系统内部或外部周期交变的激振力(即振源)作用下引起的振动。机械加工中引起工艺系统受迫振动的激振力，主要来自以下几方面

1．机床上高速回转零件的不平衡。以机床上高速回转的零件较多，如电动机转子、带轮、主轴、卡盘和工件、磨床的砂轮等，由于不平衡而产生激振力F(即离心惯性力)。

2．机床传动系统中的误差。如机床传动系统中的齿轮，由于制造和装配误差而产生周期性的激振力。此外，皮带接缝、轴承滚动体尺寸差和液压传动中油液脉动等各种因素均可能引起工艺系统受迫振动。

3．切削过程本身的不均匀性，即切削过程的间歇特性，如铣削、拉削及车削带有键槽的断续表面等，由于间歇切削而引起切削力的周期性变化，从而激起振动。

4．外部振源。由邻近设备(如冲压设备、龙门刨等)工作时的强烈振动通过地基传来，使工艺系统产生相同(或整倍数)频率的受迫振动。

（二）减少受迫振动的途径

受迫振动是由于外界周期性干扰力引起的，因此为了消除受迫振动，应先找出振源，然后采取适应的措施加以控制。

1．减小或消除振源的激振力。如对转速在600r/min以上的零件必须经过平衡,特别是高速旋转的零件,如砂轮,因其本身砂粒的分布不均匀和工作时表面磨损不均匀等原因,容易造成主轴的振动,因此对于新换的砂轮必须进行修整前和修整后的两次平衡；提高齿轮的制造精度和装配精度，特别是提高齿轮的工作平稳性精度，从而减少因周期性的冲击而引起的振动，并可减少噪声；提高滚动轴承的制造和装配精度，以减少因滚动轴承的缺陷而引起的振动；选用长短一致、厚薄均匀的传动带等。

2．避免激振力的频率与系统的固有频率接近，以防止共振。如采取更换电动机的转速或改变主轴的转速来避开共振区；用提高接触面精度、降低结合面的粗糙度；消除间隙、提高接触刚度等方法，来提高系统的刚度和固有频率。

三、机械加工中的自激振动

当系统受到外界或本身某些偶然的瞬时的干扰力作用而触发自由振动时，由振动过程本身的某种原因使得切削力产生周期性的变化，并由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动，使振动系统补充由阻尼作用所消耗的能量，这种类型的振动称为自激振动。切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振。

自激振动的特点：

1．自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起周期性变化的力，此力可从非交变特性的

能源中周期性地获得能量的补充，以维持这个振动。

2．自激振动频率等于或接近系统的固有频率，即由系统本身的参数决定。

3．自激振动振幅大小取决于每一振动周期内系统获得的能量与消耗能量的比值。当获得的能量大于消耗的能量时，则振幅将不断增加，一直到两者能量相等为止。反之振幅将不断减小。当获得的能量小于消耗的能量时，自激振动也随之消失。到目前为止尚无完全成熟的理论来解释各种情况下发生自激振动的原因。目前克服和消除机械加工中的自激振动的途径，仍是通过各种实验，在设备、工具和实际操作等方面解决。

四、振动的隔离

（一）橡胶隔振

传统的发动机采用弹性支承降低振动，隔振装置结构简单，成本低，性能可靠。橡胶支承一般安装在车架上，根据受力情况分为压缩型、剪切型和压缩-剪切复合型等。压缩型结构简单，制造容易，应用广泛，且由于自振频率较高，一般限于垂直方向上使用。剪切型自振频率较低，但强度不高。压缩-剪切复合型综合了前面两种结构的优点，可以满足耐久性和可靠性要求。这是目前国内外最广泛采用的。

（二）螺旋钢丝绳隔振

钢丝绳作为减振元件具有低频大阻尼的高频低刚度的变参数性能，因而能有效地降低机体振动。与传统的橡胶减振器相比，具有抗油、抗腐蚀、抗温差、抗高温、耐老化以及体积小等优点。隔振效果主要取决于它的非线性迟滞特性。

（三）液压隔振

液压支承系统是传统橡胶支承与液压阻尼组成一体的结构，在低频率范围内能提供较大的阻尼，对发动机大幅值振动起到迅速衰减的作用，中高频时具有较低的动刚度，能有并行地降低驾使室内的振动与噪声。

五、工程机械发动机振动的控制

工程上有时无法避免共振，因此，常用增大系统阻尼或用动力吸振器来减少振动响应。动力吸振器属于窄频带控制，采用粘弹性阻尼材料是在宽带频率下抑制振动的有效方法。高分子粘弹性阻尼材料具有很高的能量损耗，当振动传到阻尼材料时，在材料内部产生拉伸，弯曲，剪切等变形，从而消耗大量的振动能量，使振动衰减。采用阻尼技术减振的主要优点是不必改变原结构，不需增加辅助设备，不需要外部能源，占用有效空间少，是一种很有前途的减振降噪措施。

传统的减振系统无论如何优化设计都不可能在全频率范围内对发动机振动实施有效抑制。自20世纪年代以来，工业发达国家开始研究基于振动控制的减振系统。振动控制系统有被动控制、半主动控制和主动控制三类。

（一）被动控制系统

被动控制是无人为的外部能量，结构简单，成本低，是最常用的振动控制系统。其中，液压减振系统性较好。被动液压减振系统的结构类型有两室式（包括简单式、惯性贯通式，解耦式，液压共振式和多室式）之分。由于这种控制系统在工作过程中不能调节阻尼大小，可抑制的振动频率范围较窄，因此减振效果有限。

（二）半主动控制系统

半主动控制是指根据输入信号（如发动机激励，路况，行驶状态和载荷等）利用低功率作动器调节系统参数，来优化系统动力学特性，实现最佳减振。半主动控制常用开环控制系统，应用开关式控制或分段式控制策略，因而在发动机的随机激励和其他外界激励的作用下使得减振系统具有较强的非线性动力特性。

（三）主动控制系统

主动控制系统是指控制单元利用作动器来抑制响应点产生的振动，以实现最佳效果。主动控制减振系统应用线性实时优化调节技术，采用闭环控制。目前大多采用流体传动控制或伺服电机驱动控制。提出了一种主动控制吸振技术，并成功地应用在4135G型柴油机上。根据内燃杨振动特点与规律研制了一种电磁式有源控制吸振器，提出一种有源吸振器与被动隔振技术相结合的新型控制系