理解强迫振动
强迫振动 是由作用于机械系统的外部周期性力引起的振荡运动。振动以施加力的频率（即激励频率）发生，其振幅与该力的大小成正比，并与系统在该频率下对运动的阻力成反比。绝大多数 振动 旋转机械中常见的振动问题是受迫振动，其主要原因通常包括 不平衡 （一种旋转离心力）， 错位 （耦合力）以及空气动力学或液压脉动。强制振动与 自激振动，即系统自行产生并维持振荡的情况，以及自由振动——即脉冲作用后出现的瞬态衰减。理解这些原理至关重要，因为它们解释了振动振幅与故障严重程度之间的关系，以及如何控制振动——无论是通过减小外力，还是通过调整系统的响应。
1. 强制振动的特点
频率匹配
- 振动频率等于激励频率——当系统受到30 Hz的激励时，其振动频率即为30 Hz。
- 这与自激振动不同，后者会锁定在 固有频率 无论激励频率如何。
- 因此，频率可直接根据外力源进行预测。
振幅成正比
- 振幅与外力大小成正比：外力加倍，（在线性系统中）振动幅度也会加倍。
- 一旦移除外力，振动就会停止——这正是它可控的原因。
相位关系
- 确实有 相位 力和响应之间的关系。
- 该相位取决于外力频率与固有频率之比：
- 低于共振： 振动与作用力基本上是同相的。
- 共振时 90°的相位滞后。
- 共振以上： 180°的相位滞后。
稳定
- 该系统是稳定的：振动是受限的，不会无限增长。
- 振幅由外力与系统响应共同决定——这与不稳定的自激振动恰恰相反，后者会持续加剧，直到非线性效应将其抑制。
2. 机械中的常见激励函数
不平衡 — 1× 激励
- 力量： 由质量偏心引起的旋转离心力。
- 频率： 每转一圈（1×轴转速）。
- 幅度： F = m·r·ω²，因此它随 正方形 的速度。
- 意义： 大多数旋转设备中的主要振动源。
这种与ω²相关的特性值得深入探讨：转速翻倍会导致不平衡力增加四倍，这就是为什么一个在低速时运转平稳的转子，一旦达到额定转速就会剧烈震动。您可以使用我们的 不平衡计算器产生的离心力.
其他主要来源
- 不对中 — 2× 激励： 由角向或平行偏移产生的耦合力，会产生频率为轴转速两倍的振动，且具有典型的高 轴向 组件。
- 空气动力学/水力学（叶片或导叶通过）： 由叶片数乘以转速产生的叶片与定子相互作用引起的压力脉动——这是由以下因素驱动的风扇、水泵和压缩机的特征： 空气动力 和 液压力.
- 齿轮啮合力： 齿轮啮合会在齿数乘以轴转速的频率下产生周期性载荷（该 齿轮啮合频率)，其大小取决于传递的扭矩和齿轮齿的质量。
- 电磁力： 电机和发电机中磁场在2倍电源频率处的脉动（60 Hz电源下为120 Hz，50 Hz电源下为100 Hz）——这与机械转速无关，属于异步激励。
3. 对强迫的响应：系统如何表现
同一外力产生的振幅会因外力频率相对于系统固有频率的位置不同而产生巨大差异。这可通过三种工况来描述。
低于固有频率（刚度控制）
在固有频率（共振）下
高于自然频率（质量控制）
4. 受迫振动与其他类型
受迫振动与自由振动
- 强制： 持续激励，振动持续，激励频率
- 自由的： 一种在固有频率下衰减的冲激响应。
- 例子： a 碰撞测试 产生自由振动；运转中的机器产生受迫振动。
外激振与自激振
- 强制： 一个外力，振幅与该力成正比，且振荡稳定。
- 自我激励： 一种内部能量源，其振幅仅受非线性限制，且不稳定。
- 例子： 不平衡是受迫振动； 油膜涡动 是自激的。
5. 控制与缓解
减少强迫（通常是最佳方案）
- 平衡： 可直接减少不平衡力，是最常见的纠正措施。
- 结盟： 减少错位力。
- 修复缺陷： 解决导致这些力的机械问题。
- 最有效 在源头消除或最大限度地减少强迫源。
调整系统响应，或避免共振
- 更改刚度或质量： 将固有频率偏离激励频率
- 增加阻尼： 削弱共振放大效应。
- 隔离： 减少向支撑结构传递的力。
- 避免共振： 应确保工作频率始终与自然频率保持距离，间隔幅度约为±20%–30%；该要求需通过设计阶段的分析进行验证，若无法避免冲突，则应通过限速措施加以强制执行。
6. 实际意义与诊断
由于几乎所有的机械振动都是受迫振动的——例如不平衡、对中不良、齿轮啮合等——因此这类振动也是可预测且可控的。平衡和对中等常规维护措施之所以有效，正是因为它们针对的是这些受迫振动源。相应的诊断方法也顺理成章：从频谱中识别受迫振动频率，将其与已知振动源（1×、2×、齿轮啮合、叶片通过等）进行匹配，诊断该振动源，并通过适当的维护措施来消除受迫振动。
这正是现场仪器大显身手之处。例如，一款便携式双通道分析仪 Balanset-1A 测量振动 振幅 并在运行速度下通过相位分析，使您能够读取频谱，从而将1×不平衡峰与2×错位峰区分开来，并且——在确定不平衡是主要驱动因素后——通过以下方式当场进行校正： 实地平衡 转子在其自身的轴承中旋转。测量相位和振幅是区分激励问题与共振问题的关键，因为随着转速的变化，两者的行为表现截然不同。
强迫振动是旋转机械中的一种基本振动类型，当外部周期性力作用于系统时就会产生。理解其原理——频率匹配、振幅成比例性，以及由刚度、阻尼和质量控制的响应区域——是正确诊断振动源、采取恰当的纠正措施（减小激励或调整响应），以及制定通过减小激励和避免共振来抑制振动的设计策略的基础。
