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機(jī)械不穩(wěn)定是一種自激振動現(xiàn)象,發(fā)生在機(jī)械加工、制造和過程工業(yè)中。雖然不常見,但不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致破壞性振動水平和高成本損失。
其他類型的自激振動問題包括:航空機(jī)械(顫振)、旋翼功率(失速、分離)、氣動熱功率(火焰不穩(wěn)定性)和反饋網(wǎng)絡(luò)(電機(jī)、液壓、氣動)。
自激振動問題開始自發(fā)產(chǎn)生振動,其突出特點是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動與過程或結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件的振蕩之間的反饋機(jī)制。當(dāng)這個反饋回路不穩(wěn)定時,振幅隨時間增加,有時達(dá)到破壞性水平。
失穩(wěn)的識別機(jī)械失穩(wěn)的識別需要結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)振動特性。機(jī)械不穩(wěn)定性會產(chǎn)生以下異常振動特征:
1.間歇性高振動
相對于“正常”水平,不穩(wěn)定性產(chǎn)生非常高的振動攻擊。在不穩(wěn)定狀態(tài)下,運行振動可能比穩(wěn)定狀態(tài)下高幾百倍,通常表現(xiàn)為振動“開”或“關(guān)”。
2.沒有定期激勵。
因為不穩(wěn)定性是自發(fā)的,它們通常發(fā)生在沒有周期性振動源的情況下。維持不穩(wěn)定性的交變力是由不穩(wěn)定性本身產(chǎn)生的,不需要外力。沒有周期性激勵源表明它可能是一個不穩(wěn)定問題。
3.振幅隨時間變化很大。
不穩(wěn)定性通常會產(chǎn)生較大的振幅變化,振幅可能會相對較快地增加或減少一個數(shù)量級。例如,在不穩(wěn)定狀態(tài)下運行時,系統(tǒng)的振動在不到5秒的時間內(nèi)從1.27mm/s上升到76.2mm/s。
4.異步純音振動頻率
不穩(wěn)定性通常發(fā)生在系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速的非整數(shù)倍時,但并不總是如此(例如壓光機(jī)條紋)。異步振動可能表明問題不是共振激發(fā)。
5.振動對速度、負(fù)載或其他過程參數(shù)很敏感。
不穩(wěn)定性對工作條件極其敏感,包括轉(zhuǎn)速。僅通過改變過程變量的百分之幾就可以觸發(fā)或終止不穩(wěn)定性。
6.主振動頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率
失穩(wěn)通常與結(jié)構(gòu)的固有頻率有關(guān),因為當(dāng)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的主要強(qiáng)迫作用是動力柔度時,最容易發(fā)生失穩(wěn)。因為固有頻率導(dǎo)致動態(tài)柔性,所以在相似的頻率下會出現(xiàn)不穩(wěn)定性。
7.有一個機(jī)械反饋機(jī)制。
穩(wěn)定不需要反饋。所有的機(jī)械不穩(wěn)定性在結(jié)構(gòu)振動和過程的關(guān)鍵部件的變化之間具有固有的反饋機(jī)制。有時,這種反饋機(jī)制不是立即明顯的,這將需要對工藝和設(shè)備進(jìn)行深入研究。如果有這樣的機(jī)制,很可能是不穩(wěn)定的。
上述不穩(wěn)定性和共振的一些特征是不穩(wěn)定性所特有的,例如存在反饋機(jī)制和沒有激發(fā)源的高純音振動。然而,不穩(wěn)定性和共振有一些共同的特點,例如,它們都對工作條件(如轉(zhuǎn)速)敏感,并且都發(fā)生在結(jié)構(gòu)的固有頻率附近。盡管有這些相似之處,但不穩(wěn)定性和共振是完全不同的現(xiàn)象,我們將對它們進(jìn)行比較。共振是由以結(jié)構(gòu)的自然頻率或接近自然頻率運行引起的高振動。
假設(shè)系統(tǒng)是線性的,振幅直接影響激振力的大小。因此,如果力增加一倍,振動幅度也會增加一倍。類似地,振幅與激勵頻率下的柔度函數(shù)的振幅成正比。如果系統(tǒng)的柔性增加一倍(即系統(tǒng)的剛度減少一半),振幅就會增加一倍。
相比之下,雖然不穩(wěn)定性通常與固有頻率有關(guān),但它不是由固有頻率引起的。不穩(wěn)定的根源是反饋機(jī)制的存在,反饋機(jī)制在系統(tǒng)中建立了不穩(wěn)定的反饋回路。穩(wěn)定性并不總是包括反饋機(jī)制,可以用下圖來表示。
對于不穩(wěn)定性,振幅主要是系統(tǒng)穩(wěn)定性的函數(shù)。振幅不必受激勵力的存在、大小或靈活性的影響。問題是系統(tǒng)是否穩(wěn)定。在不穩(wěn)定狀態(tài)下,振幅可以比穩(wěn)定狀態(tài)下高幾百倍。
共振是一個強(qiáng)迫振動問題,它需要一個交變力,該交變力具有相當(dāng)大的能量,接近結(jié)構(gòu)的固有頻率。這個力是獨立于運動的,當(dāng)運動停止時,它仍然存在。如果激勵源的頻率與自然頻率充分分離,共振可以消除。
不穩(wěn)定性是自激的,維持運動的交變力是由運動本身產(chǎn)生和控制的。當(dāng)運動停止時,力就消失了。穩(wěn)定不需要能量,但能量的頻率成分并不重要。減少或消除激勵源對問題影響不大,因為不穩(wěn)定性不是由外部交變力引起的。