了解机械振动中的阻尼

定义：什么是阻尼？

减震 是指动态系统中振动能量耗散或转化为其他形式（主要是热量）的现象。这种机制使得振动在激励源移除后衰减并最终停止。简而言之，阻尼是对振动施加阻力的一种运动阻力。现实世界中的每个机械系统都具有一定程度的阻尼；如果没有阻尼，结构一旦以其固有频率受到激励，就会以无限大的振幅振动。

阻尼在机械动力学中的关键作用

阻尼是机械工程和振动分析中一个基本且至关重要的特性。它的主要作用是 控制共振时的振动幅度当机器的运行速度接近其固有频率之一（临界转速）时，阻尼是限制振动发展到破坏性水平的唯一因素。阻尼良好的系统能够以可控的振动峰值通过临界转速，而阻尼较差的系统则可能出现灾难性的故障。

充分阻尼的主要好处包括：

• 防止灾难性共振： 它是防止临界速度下失控振动的主要保障。
• 提高系统稳定性： 在转子动力学中，阻尼有助于防止油膜涡动和油膜振荡等自激振动。
• 减少稳定时间： 它可以让系统在受到冲击或瞬态事件后更快地恢复到平衡状态。
• 最大限度地减少噪音和疲劳： 通过降低整体振动水平，阻尼可以降低噪音辐射并减少机械部件的疲劳应力。

阻尼机制的类型

能量可以通过多种方式耗散，从而产生不同类型的阻尼：

1.粘性阻尼

这是最常见的阻尼建模类型。当物体在流体中运动时，阻尼力与物体的速度成正比。典型的例子是汽车悬架中的减震器。在旋转机械中， 流体膜轴承中的油膜 是粘性阻尼的主要来源，对于高速转子的稳定性至关重要。

2.结构阻尼（滞后阻尼）

这种阻尼是由于材料变形时内部产生的摩擦。当材料受到周期性应力时，每次循环都会有一些能量以热量的形式损失。虽然这种内部阻尼通常很小，但它是所有材料的固有特性，在具有许多接头和紧固件的组合结构中可能非常重要。

3.库仑阻尼（干摩擦）

这种阻尼是由两个干燥表面之间的摩擦产生的。阻尼力恒定，且始终与运动方向相反。例如，刹车片与转子之间的摩擦。

4. 气动阻尼

这是空气或其他气体对运动物体产生的阻力。它通常只对大型、快速运动的结构（例如涡轮叶片或风扇叶轮）有显著影响。

如何测量和量化阻尼？

阻尼通常很难根据第一原理计算，通常通过实验确定。它使用几个相关术语来量化：

• 阻尼比（ζ – zeta）： 最常见的无量纲测量指标。它是系统实际阻尼与系统达到“临界阻尼”（恢复平衡而不振荡）所需阻尼量的比值。典型的机械结构阻尼比可能为 0.01 到 0.05（临界阻尼为 1/3T 到 5/3T）。
• Q 因子（品质因数）： 衡量系统欠阻尼程度的指标。它表示共振时振动的放大率。Q 值高意味着阻尼低，共振峰非常尖锐且振幅高。(Q ≈ 1 / 2ζ)。
• 对数衰减： 一种根据自由振动衰减率计算阻尼比的方法，例如在“振铃”或“碰撞”测试期间。

识别和了解机器中的阻尼来源对于解决共振问题和确保长期运行稳定性至关重要。

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