自激振动的概念 (DEMO)

自激振动的概念

自激振动又称为亚同步振动。其振动频率低于转子的回转频率。由于这种差异而在转子和定子中产生交变应力，并且这种振动常常在某个转速下（大于临界转速）突然发生，因而对回转机械具有极大的危害性。

一、两个基本概念：

自激振动是在没有外部激励作用下的情况下，由系统自身激发所产生的一种振动，简称自振。自激振动只能在特定的系统中产生，能产生自激振动的系统简称为自振系统。

二、自振系统的组成与特征：

自振系统和一般的振动系统不同，除振动体外，还必须包括能源和控制调节作用的环节。它是由能源、控制调节环和振动系统三部分组成的。

能源供给自激振动所消耗的能量，但它不一定是振荡性的，调节环将振动系统的交变运动量变换为交变力，并反馈回振动系统，以维持振动持续进行。在自振系统中，振动体的运动控制着调节环的作用，调节环所产生的交变力又控制着振动体的运动，它们之间相互联系和作用，形成了一个具有反馈特性的闭环系统。

将自激振动和受迫振动相互比较，可以看出自激振动的一些主要特征。没有外部激励的作用，就不会产生受迫振动，而自激振动却是在没有外部激励作用的条件下产生的。受迫振动的激励是独立地作用在振动系统上的，它的作用和系统的振动运动无关。采用减振或隔振等措施，受迫振动会停止，而激励依然存在；但自激振动一旦停止，在自振过程中自行产生的，维持振动的交变力也必然同时消失。受迫振动的振幅和频率与外部激励有关，而自激振动的振幅和频率则完全由系统本身的参数决定。当自振系统的非线性较小时，自激振动的频率接近于近似线性系统的固有频率之一，波形也接近于正弦波。但是，随着系统非线性的增加，无论是频率还是波形都逐渐离开近似的线性系统。当非线性很大时，振动呈现为张弛振动形式，振动的一个周期分成运动完全不同的几个区间，在各区间的边界上，振动位移和速度产生跃变。

自激振动与强迫振动的特性比较：

项目 比较自激振动强迫振动

频率与转速的关系频率与转速无关而大体固定(低于转速

振频为转频n或1/n倍

频率又称亚同步振动是产生于转子和

静子之间的振动)

振幅与转速的关系转速的变化对振幅的影响小某转速下出现峰值以转速n倍表示振幅大小与异常程度的关系振幅值基本一定(与异常程度无关)振幅的大小随异常程度而变

发生的频率为转轴组件的固有频率转频或n、1/n倍、或为固有频率

典型原因油膜振荡、磁滞抖动、摩擦、中空轴内不平衡、不同轴、周期变化的强制

流入流体力引起的振动

其它 1.再现性不好

2.微小力即可抑止振动1.振幅共振曲线再现性好

2.抑止需较大的力、过渡状态期

短

防止办法限定转速在自振振动以下减少不稳定

因素，减振提高自振转速

避开危险转速、减少外力

转子振动的激振力：

由引起转子产生振动的激振力可分为强迫振动和自激振动；转子强迫振动的激振力有转子不平衡，离心力和气体激振力等，转子自激振动的激振力对轴产生作用力，密封产生的气动力等。强迫振动的激振力和自激振动的激振力的区别在于，强迫振动的激振力的大小与轴的位移无关，例如：不平衡离心力的大小仅与转子的重心偏移和转速有关；而自激振动的激振力的大小与位移有关并构成F=f(x.y)函数关系，位移越大，这种自激力也越大。

自激振动主要是由系统本身的动力特性及系统工作过程所决定的振动。产生自激振动的系统称为不稳定系统。

一、自激振动的基本特性

自激振动是一种比较特殊的振动现象，它不同于受迫振动，因为并没有固定周期性交变的外干扰力作用在系统上，而且自激的频率基本上取决于系统的固有特性。它不同于自由振动，因为自激振动并不随着时间增大而衰减，系统振动时，维持振动的能量不像自由振动时一次输入，而是象受迫振动那样地持续输入。实际上，一个系统要产生自激振动，也必须有一个能源，但这个能源并不像受迫振动时通过周期性作用对系统输入能量，而是对系统产生一个持续的作用，这个非周期性作用只有通过系统本身的振动才能变为周期性的作用，也只有成为周期性作用后，能量才能不断输入振动系统，从而维持或发展系统的自激振动。

总之，自激振动系统通过系统的初始振动将持续作用能源转化为周期性作用的能源，从而引入外界能量以维持或发展系统的振动。这样的振动称为自激振动，也可简称为自振。

自激振动系统通常由三部分组成：一是基本振动系统；二是持续作用能源；三是控制能源变化的反馈系统。基本振动系统在一定的初始条件下，可以产生自由振动，而这一自由振动通过反馈系统将振动系统和能源系统联系起来，产生自激振动。因此，自激振动和受迫振动还有一个重要区别：在受迫振动时，系统没有初始运动也会产生受迫振动，在自激振动情形下，系统没有初始运动就不会引起自激振动，而且当基本振动系统的振动停止后，自激振动也就不再产生。

基本振动系统和反馈控制系统之间的联系，可以是机械联系（如钟表机构），也可以是力学联

系（如切削加工）。

反馈

能源控制系统振动系统

二、工程中常见的自激振动

1、由机械控制的自激振动

这类振动中比较典型的有钟表、电铃等。

2、由摩擦力维持的自激振动

这类振动常见的有琴弦的振动、切削自振（切削加工）等等。

三、自激振动的力学模型和数学模型

自激振动中比较典型的是所谓摩擦自振或负阻尼自振。

一个自激振动系统在静平衡位置附近振动时，输入能量一定要大于消耗能量，否则自激振动将无法发生。但在振幅大到一定数值后，输入能量一定要等于耗散能量，否则振幅将无限增大，而不能保持定常振动。无论初始振幅大小，振动最终必然趋向于定常振幅。

如从稳定性的角度来研究自激振动，显见自激振动系统的静平衡位置必然是稳定平衡位置，否则初始振动就无法产生。但是系统的静平衡位置又必须是动力不稳定的位置，否则系统在任何微小初始振动下将不会发展自激振动，而是衰减下去。因此，一个能够发生自激振动的系统，它的平衡位置必须是静力稳定而动力不稳定的位置。

很多工程技术中的自激振动问题，将不是去求振动的振幅，而是探讨自激振动发生的条件，进而设法避免它。因而对可能发生自激振动的系统进行运动稳定性的研究是很有意义的。

自激振动：所谓自激振动是指因振动系统本身的固有频率所引起的明显振动现象。这类振动的频率数与旋转速度和外力是无关的．与强制振动相比较，其发生的次数并不多．主要发生在长跨度的高速旋转体上，一般来说，这种异常振动的再现性差．每次都会有不同的数据，其振动波形也不象强制振动波形那样正规，这就是常说的不稳定现象。油膜振荡、高频振动以及干性摩擦振动等是自激振动的典型例子。