了解机械系统中的共振

定义：什么是共振？

谐振 是一种物理现象，当系统受到与其自身频率相匹配的周期性力时发生 固有频率当频率匹配发生时，系统开始以极大的振幅振动。输入力的能量非常有效地传递到系统，导致振动急剧增强。限制共振振幅的唯一因素是系统的 减震.

固有频率与共振之间的联系

要理解共振，首先必须理解固有频率。每个物体都有一组固有频率，当受到干扰时，它们会以这些频率振动。这些频率由物体的质量和刚度决定。当你以与物体固有频率完全相同的速率持续“推动”物体时，就会发生共振。

一个经典的比喻是推着荡秋千的孩子：

• 秋千上有孩子时，根据绳索的长度（硬度）和孩子的体重，秋千具有特定的固有频率。
• 如果你轻轻推一下秋千，它就会以其固有频率振荡，并最终由于阻尼（空气阻力和摩擦力）而停止。
• 如果你用力推的时机恰好与秋千的固有频率相匹配，那么每次推都会给秋千系统增加更多能量，秋千就会越荡越高。这就是共振。
• 如果您以错误的频率（太快或太慢）推，您的推力将与挥杆的动作不同步，并且您将无法建立大的振幅。

为什么共振是机械中的一个问题？

在旋转机械中，共振是一种极具破坏性和危险性的情况。这种“推力”是由机器运行产生的任何周期性力（例如不平衡力、错位力或叶片通过力）产生的。如果这些力的频率与机器转子、基础、支撑结构或连接管道的固有频率一致，则后果可能非常严重：

• 极端振动水平： 振幅可以放大 10 倍、50 倍甚至数百倍，具体取决于阻尼量。
• 高动态应力： 大的变形会对部件造成巨大的压力，从而导致快速疲劳。
• 灾难性故障： 共振会在很短的时间内导致轴破裂、轴承故障、焊缝断裂以及结构完全损坏。
• 噪音过大： 高振动水平会辐射出很大的噪音，而且通常是音调噪音。

共振的症状和识别

共振有一组非常明显的症状，有助于诊断：

• 高度定向振动： 振动通常在一个方向（例如水平方向）比其他方向高得多。
• 振动与速度的尖峰： 振动仅在非常窄的转速范围内才会较大。当机器加速或减速超过该转速范围时，振动会急剧下降。
• 180度相移： 当机器转速超过共振频率时，振动的相位将发生180度偏移。这可以明确确认共振的存在。
• 难以平衡： 尝试平衡共振运行的转子通常无效，甚至可能使问题恶化。平衡校正砝码会异常大或小，振动可能会转移到其他位置。

通过实验证实共振 冲击（或碰撞）试验 识别结构的固有频率，或通过执行 加速/减速测试 观察机器经过疑似共振时振幅和相位的变化。

如何解决共振问题

由于共振是一个频率匹配问题，因此解决方案总是涉及改变“推动者”或“被推动者”的频率：

1. 改变强制频率： 这通常意味着改变机器的运行速度。如果可行的话，这是最简单的解决方案。
2. 改变固有频率： 这是最常见的解决方案。
   • 至 增加 固有频率，你必须 增加刚度 共振部件（例如，通过添加支架或角撑板）。
   • 至 减少 固有频率，你可以 降低刚度 或 添加质量 到组件。
3. 添加阻尼： 在某些频率无法改变的情况下，增加阻尼（例如，使用粘弹性材料或专用阻尼器）可以将共振峰的幅度降低到可接受的水平。

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