自激振動
關注創建者：玉蝴蝶 創建時間：2018-08-15
自激振動的實例教程
什么是自激振動？ 我們身邊會遇到這樣的振動嗎？其實，生活中就有很多聲音都是自激振動產生的。
活中有許多因干摩擦產生的聲音，如弦樂器奏出的悅耳琴聲，不加潤滑的物體相互摩擦發出的嘎吱噪聲（粉筆與黑板等），其發聲原理均為自激振動。
自激振動與周期激勵的受迫振動相比，二者均為穩定的周期振動。自激振動也是靠外界能量的驅動形成，不同的是該驅動能量恒定不變，外力本身不直接給系統提供周期性變化的能量，系統振動能量的周期性變化是靠系統固有的自動調節機制，把非振蕩性能量轉換為交變激振力的。
自激振動是在單方向外力作用下產生的振動，它從振動中不斷吸取能量，補償阻尼的消耗以維持系統作穩定的等幅振動，由振動本身產生的阻尼力非但不阻止振動，反而進一步加劇該振動，因此自激振動又稱為負阻尼振動。油膜振蕩、卡門渦街都屬于自激振動。
干摩擦引起的自激振動可用下列物理模型來分析：
傳送帶以恒定速度v0前進，與另一端固定的彈簧k 相連的物體m 受傳送帶靜摩擦力的帶動向前移動；與此同時，彈簧被拉伸以更大的力向后拉物體。當彈簧拉力超過最大靜摩擦力時，物體突然向后滑動。于是彈簧縮短，向后拉力減小，直到傳送帶又能將它帶動向前為止。如此周而復始，形成振蕩。在該振蕩過程中彈簧是逐漸伸張，突然松弛的，屬于張弛型振動。
干摩擦引起的自激振動的頻率由彈簧和質量塊決定，與摩擦系數、滑動速度無關，但滑動摩擦系數越大，振動形態越接近簡諧波，這也是弦樂器能發出優美樂聲的物理原因。
來源：觀為監測MHCC設備健康診斷中心公眾號（ID：MHCC-Guanwei）
展開 油膜失穩故障的三維譜圖
油膜失穩故障的三維譜圖
一階臨界轉速約為4500r/min,除了油膜振蕩外,還發生了碰摩故障,由于轉速超過一階臨界轉速,故障特征以低頻為主,所以低頻成分以油膜振蕩成分和碰摩引起的低頻為主,此時主要發生是軸承碰膜故障,屬于自激振動的范疇.當把潤滑減小,稍微調整試驗條件,油膜振蕩不在發生,此試驗不具有重復性.
以下是摘錄的書中原話:
大機組自激振動時有發生,如軸瓦油膜振蕩, 密封流體激振,氣流激振,摩擦渦動, 轉子配合松動,或轉子材料彈性滯后自激等.據國內外文獻報導,這些自激振動有如下特點:
1 隨機性. 因能引發自激的激勵(大于阻尼力的失穩力)一般都是耦然因素引起的,沒有一定規律可循.
2 振動系統非線性特征較強,即系統存在非線型阻尼元件(如油膜的粘溫特性,材料內摩擦).非線性剛度元件(柔性轉子,結構松動等)才足以引發自激振動,使振動系統所具有的非周期能量轉為系統振動能量.
3 自激振動與轉速不成比例,一般低于轉子的工作頻率,與轉子第一臨界轉速相符合.只是需要注意,由于系統的非線性,系統的固有頻率會有一些變化.
4 轉軸存在異頻渦動
5 振動波形在暫態階段有較大的隨即振動成分,而在穩態時波形是規則的周期振動,這是由于振值過大非線性所致,與一般強迫振動近似的正弦波有區別.
摘自 大型回轉機械診斷現場實用技術
[ 本帖最后由 malong 于 2006-8-4 14:24 編輯 ]
圖片附件: [三維譜振圖] Image00013.jpg (2006-8-4 14:18, 90.11 K)
圖片附件: [軸心軌跡圖] Image00011.JPG (2006-8-4 14:18, 79.68 K)
展開 非線性轉子的低頻振動失穩機理分析
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陳予恕 丁 千 孟 泉
(天津大學 天津 300072)
摘 要
包括兩部分內容: 1) 材料內阻作用下轉子自激振動的局部分岔分析; 2) 考慮湍流
因素的滑動軸承油膜力作用下轉子軸承系統油膜失穩機理的全面分析。結果表明, 非
線性轉子的自激振動表現出復雜的動力學現象, 這些低頻振動現象的揭示, 為工程上
轉子故障的識別和預防提供了理論依據。
關鍵詞: 非線性轉子; 低頻自激振動; 材料內阻尼; 油膜力; 分岔
非線性轉子的低頻振動失穩機理分析.pdf
展開 研究范圍包括振動、動態響應、穩定性、動平衡、軸承特性、密封特性、強度、疲勞、可靠性、狀態監測、故障診斷和控制等方面，尤其是研究接近或超過臨界轉速運轉狀態下轉子的各種動力學問題。
DyRoBeS軟件中某渦輪增壓器模型
首先看一下轉子動力學分析的一些基本概念。
1. 振動形式，按轉子-軸承系統的輸入，即振動原因可分為：
強迫振動
系統受外界持續激擾作用下所產生的振動，比如轉子不平衡產生的周期性的激振力下的轉子振動。
特點：振動的頻率與激振頻率相關，一般由不平衡量引起的振動為1X振動，即振動頻率與轉速頻率一致。
DyRoBeS軟件中某轉子強迫振動計算結果
自激振動
由系統自身的交叉耦合剛度引起的振動形式，當有一個初始振動，不需要外界向振動系統輸送能量，振動即能保持下去。這種振動與外界激勵無關，完全是自己激勵自己，故稱為自激振動。比如軸瓦自激振動（半速渦動，油膜振蕩），大容量汽輪機高壓轉子上的間隙自激振動。
特點：振動的頻率與轉速無關，而與其自然頻率相關。
DyRoBeS軟件中某轉子自激振動計算結果
2. 按轉子—軸承系統的動力學參數的特性可分為：
線性轉子動力學分析
通過線性化處理系統，包括軸承的剛度與阻尼等，分析系統的穩態響應，能用常系數線性微分方程描述的振動。
非線性轉子動力學分析
系數的阻尼力或彈性恢復力具有非線性性質，只能用非線性微分方程來描述。比如，所有的軸承作用力均為非線性力，嚴格來講，與滑動軸承油膜力相關的轉子動力學問題均為非線性轉子動力學；還有裂紋轉子的動力學分析等也屬于非線性領域。
3. 按振動位移的特征可分為：
橫向振動
轉子只作垂直軸線方向的振動。
扭轉振動
轉子繞其縱軸產生扭轉變形的振動。
縱向振動
轉子只作沿軸線方向的振動。
展開 所謂自激振動，就是振動系統能從單向激勵中自行有控地吸收能量，將單向運動能量轉化成周期性振蕩的能量。這種轉化不是線性系統所能完成的，所以自激振動是非線性振動。例如，樹梢在狂風中的呼嘯，琴弦上奏出的音樂，自來水管突如其來的喘振等，都是自激振動的實例。
2. 外在的非線性影響
一種情況是非線性阻尼的影響。例如，當振子在介質中的振速過大時，受到的阻力將是速度的非線性函數，即fr = -k1v - k2v 2 - k3v 3 - ···；另一種情況是策動力為位移或速度的非線性函數，即F = F (x, x 2, x 3 , ··· , v, v 2, v 3, ···)。
只要存在以上所說的一種非線性因素，系統的振動就是非線性的。因此，非線性振動是一種統稱，針對具體不同的非線性因素，系統的振動形式是完全不同的。此外，線性振動與非線性振動的最大區別在于：線性振動滿足疊加原理，而非線性振動不滿足疊加原理。
非線性振動研究的方法及意義
如閱讀材料“時空對稱性和守恒定律”所述，非線性微分方程是個性極強的數學方程，有解析解的極少。因此，對非線性振動研究的方法基本上是近似簡化、圖解及計算機處理。
當微分方程中非線性項與線性項相比很小時，可采用近似簡化的方法求解。盡管所得解不甚精確，但已能反映非線性振動的主要特征。
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自激振動的最新內容
具體而言，彈性體的葉片在氣動力作用下形成的氣彈耦合的自激振動，稱為顫振。隨著無人機葉片性能的不斷提高，氣動極限負荷增大，葉片往往設計得薄而長，剛性下降，這導致葉片顫振發作的幾率增多。
無人機葉片顫振的影響
葉片顫振一旦發作，會產生大振幅的劇烈振動，這種振動對葉片的影響主要有以下幾個方面：
疲勞損壞：大振幅的振動會使葉片在短時間內裂斷，這是葉片顫振最直接也是最嚴重的后果。
航空發動機設計過程中，為了提高推重比，風扇輪盤、壓氣機輪盤、渦輪輪盤、加強密封盤等各輪盤往往設計的很輕，輪盤可能變得很薄，這不僅使輪盤本身易于振動，而且由于輪盤變薄，其剛度有時幾乎與葉片的剛度相近，從而使輪盤的振動對葉片的振動特性有較大的影響，并且會產生輪盤—葉片的耦合振動，這種振動有時能和非定常氣流相互作用，使得氣流中的能量誘發輪盤—葉片系統自激振動
可傾瓦軸承與上述軸承相比，其優點是每一塊瓦均能自由擺動，在任何情況下都能形成最佳油楔，高速穩定性好，不易發生油膜振蕩（旋轉的軸頸在滑動軸承中，帶動潤滑油高速流動，在一定條件下高速油流反過來激勵軸頸，產生一種強烈的自激振動現象）問題。多應用于高速輕載工業汽輪機。近年來在高速透平機械上主要采用了可傾瓦軸承。可傾瓦軸承主要由軸承殼、兩側油封和可以自由擺動的瓦塊構成。
顫振是指在氣流中運動的結構，在空氣動力、慣性力和彈性恢復力的相互作用下而產生的一種自激振動。當結構的飛行速度低于顫振速度時，振動是衰減的；等于顫振速度時，保持等幅振動；大于顫振速度時，振動系統從氣流中吸取的能量大于結構阻尼力引起的能量耗損，會發生動力響應耦合、氣動彈性耦合，結構會由于振幅不斷擴大而迅速破壞，從而誘發顫振。
深溝球軸承的沖壓保持架較薄，在徑向和軸向平面內的彎曲剛度較低，整體穩定性差，軸承高速旋轉時就會因彎曲變形而產生自激振動，從而引起"蜂鳴聲"。保持架噪聲特點如下∶
①沖壓保持架及塑料保持架均可產生；
②不論是稀油還是脂潤滑均會出現；
③當外圈承受彎矩時最容易發生；
④徑向游隙大時容易出現。
平衡舵在零位附近可自行平衡水動力，有利于降低操舵裝置輸出功率，減小操舵系統噪聲，但平衡舵易發生顫振和自激振動。為優化舵葉布置形式，美軍“弗吉尼亞”級潛艇的艉升降舵采用了內外大小舵面設計，如圖3所示[10]。采用大小舵面后可運用不平衡舵，降低顫振風險；低航速僅操縱小面積舵，輸出功率小；小面積舵對螺旋槳流場影響小，降低了螺旋槳發生空化的風險。
當速度變化不大時，還會發生鎖頻自激振動。甚至有時唱音還會不同頻段發生，例如某螺旋槳300-400Hz、550-600Hz和650-700Hz。弱唱音產生的機理是來源于后緣產生的渦旋，這些渦旋引起的結構振動僅僅增強了渦旋強調和調節渦脫落頻率，也就是前面提到的渦旋噪聲和邊緣噪聲，其表征的是聲輻射能量不僅集中在葉片固有振動頻率上，而且還存在于附件區域，它隨著流速變化比較平緩。
案例：汽車擾流板的渦激振動優化（流固耦合)
柔性擾流板位于汽車的尾跡區，當外流場的激勵頻率接近柔性體的固有頻率時，會發生比較大的自激振動現象
氣動彈性顫振是由于正反饋回路而產生的，使飛行器陷入自激振動的循環。隨著每個循環的振動幅度增加，結構失效的風險增加。這是由于振動幅度超過結構限制的風險。
根據飛機的幾何形狀和氣流條件，顫振可能會以不同的速度發生，這使其成為一個主要的安全問題。因此，氣動彈性顫振分析在設計階段至關重要，可以預測產生的載荷和避免顫振問題所需的結構完整性。
航空發動機設計過程中，為了提高推重比，風扇輪盤、壓氣機輪盤、渦輪輪盤、加強密封盤等各輪盤往往設計的很輕，輪盤可能變得很薄，這不僅使輪盤本身易于振動，而且由于輪盤變薄，其剛度有時幾乎與葉片的剛度相近，從而使輪盤的振動對葉片的振動特性有較大的影響，并且會產生輪盤—葉片的耦合振動，這種振動有時能和非定常氣流相互作用，使得氣流中的能量誘發輪盤—葉片系統自激振動，從而導致大量葉片迅速破壞或多個榫頭或榫槽出現裂紋
