振动利用工程.doc

振动利用工程发展现状与应用前景摘要 阐述振动利用工程学科的形成、发展和振动利用的分类，以及当前研究与应用的情况。通过重点介绍振动利用工程领域近期崛起的具有发展前景的加工设备聚合物电磁动态塑化挤出机，指出了振动利用的显著特征及其发展趋势，最后进行了展望与总结。关键词：振动利用；研究现状；电磁动态加工原理；聚合物挤出机Abstract: This paper expatiates on the forms， developments of subject of vibration using engineering，the classification of vibration using and the study and application of it. By introducing the equipment-electromagnetism dramatic polymer mold extruder， which has a good foreground， it points out the marked character and the development trend of the using vibration. Prospect and conclusion are given in the end of this paper.Key Words: vibration using; research status; electromagnetism dramatic processing principle， polymer mold extruder 0引 言通常认为，某种量随着时间或大或小的不断变化即为振动，它是物质运动的一种带有普遍意义的重要形式。在工业技术领域，振动现象屡见不鲜各类振动机械、动力装置、仪器仪表和各种加工设备等，无一不存在振动问题。一般情况下，振动是有害的;但在一定的条件下，振动则是有利的。有害的振动需要抑制，而有利的振动则要充分利用。由此振动工程学科有两大分支振动抑制工程和振动利用工程。本文着重阐述振动利用工程问题。1振动利用工程学科的形成与分类振动利用技术是 20 世纪后半期发展起来的一种具有广泛应用价值的技术， 与工业生产及人类生活联系密切。伴随着现代电子与控制技术的不断发展， 振动利用技术的应用愈来愈广， 导致了新型工业的诞生， 引起了产业结构和社会经济的巨大变化。振动学科曾经是物理学或力学的一个分支，原属于基础科学。这一学科以力学和数学为基础，以现代测试技术、计算技术为手段，并从系统论、控制论及信息论等新兴学科吸取营养，而发展起来。它面向工程实际，以振动学科的理论、知识和方法来解决工程中日趋复杂的各种动力学问题，做出了富有成效的贡献，且越来越成熟，终于由基础学科发展成为一门工程学科振动工程。由于在特定条件下，振动是有利的，并且在近二三十年来，振动与波利用技术在工程技术的各个部门及人类生活的各个方面的广泛应用，所以，对振动现象进行研究，找出其内在规律，并进行有效的利用，就会对社会产生重大的社会效益与经济效益，为人类造福。基此，“振动利用工程学科”应然而生，逐渐发展成为振动工程学与其他学科相结合的一门新学科。目前“振动利用工程”正处在迅速发展的过程中。例如，在医疗方面，利用振动超声波能够诊断、治疗疾病，彩超、医用CT和核磁共振等，都是振动与波动原理的实际应用;在土建工程中，振动沉桩、振动拔桩以及混凝土灌注时的振动捣固等;在石油开采上，还可利用振动提高石油产量;在许多工矿企业，可以利用振动完成许多工艺过程，或用来提高工作效率。据不完全统计，目前用于工业生产中的振动机械有百余种之多。这些振动机械在各个工业部门已发挥了重要作用。1.1振动利用的分类按其线性和非线性的特性可分为线性或似线性(近似于线性)及非线性两大类。在非线性振动机械和仪器设备中，有一部分是为了获得良好的工效有意识地采用系统的非线性特性，另有一部分则是非有意识地、而是在工作过程中自然地存在非线性的性质。振动利用主要还可以分为:振动能量的利用和振动信号的利用两类。1.1.1振动能量的利用各类振动机械均为对振动能量的利用，包括下面要论述的聚合物电磁动态塑化挤出机，是对振动力场的利用，因此它属于振动能量利用的范畴。振动机械是由激振器、振动体或工作台面、平衡质体或隔振质体、弹性元件及阻尼元件等组成，按激振器的基本类型，振动机械可分为曲柄连杆式、惯性式、电磁式、液动式、凸轮式等，其模型简图、特点、示例等见表1。1.1.2振动信号的利用利用结构物、机器设备(及至自然物、生命体等)工作过程中产生的振动信号，借助测量、记录、分析、显示仪表，实现工作性能检验、施工质量分析、运转过程监控、故障预测和诊断等。这方面的应用，正从机械工程领域向建筑工程、水利水电工程、农业工程、表1-1 常用的振动机械气象工程直至医疗保健、社会经济领域不断扩展。例如，机械设备的故障诊断和过程监控就是利用设备运转中产生的振动信号的不同特征，对已知结构情况的设备进行故障诊断、故障预报和过程监控，是近十多年来发展起来的一种新技术。2振动利用研究与应用现状目前非线性振动系统或非线性振动特性的利用技术得到了迅猛的发展，本文就对其进行简要介绍，其具体内容可做以下简单介绍。2.1具有分段摩擦或具有冲击和分段惯性力振动系统的利用在振动机械中，为了使机体中的物料对机体产生相对运动，即产生相对滑动或跳动，就必须使振动机的系统中产生分段摩擦力和分段质量的惯性力(滑行运动)或冲击力和分段质量的惯性力(抛掷运动)，这是保证振动机械实现正常工作的必要条件。这类振动机械有振动给料机、振动输送机、振动筛、振动离心脱水机和振动冷却机等。2.2光滑非线性振动系统的利用摩擦摆在正常工作区间，属于光滑非线性的振动系统。利用摩擦摆可以测定轴与轴销间的摩擦系数，常用的有两种方法：第一种方法直接利用复摆摆角每一振动周期的衰减值算出摩擦系数的大小；第二种方法利用Flode摆的工作原理对摩擦系数进行测量与计算。后一种方法更为准确。对于一些在共振情况下工作的振动机械，往往存在振幅不稳定的缺点，例如，电磁振动给料机、近共振型振动输送机和共振筛等。振幅不稳定会给机械的工作性能带来不良影响，为了消除前述缺点，可以采用具有光滑硬式非线性恢复力的振动系统。为了消除一般电磁振动给料机振幅不稳定的缺点，有的科技工作者提出，将主共振板弹簧的两端固接处做成带有曲线的形式，随着振幅的增大，板弹簧的工作长度将变短，因此，弹簧刚度将随振幅的增大而增加，从而可以增大该类振动机振幅的稳定性。此外，硬式光滑非线性振动系统，也可以用于车辆的隔振，由于车辆的负载时常变化，为了使车辆在负载变化情况下其固有频率不发生明显的改变，可以将隔振弹簧做成硬式光滑非线性的形式。此外，光滑非线性还有其他一些应用。2.3分段线性非线性振动系统的利用分段线性非线性系统在工程中得到了十分广泛的应用，在振动机械中这种形式的非线性系统应用十分普遍，如分段线性的非线性振动输送机、非线性共振筛、非线性振动离心脱水机、振动摇床和振动离心摇床等。分段线性非线性振动系统通常包括以下三种形式：(1)用权对称与不对称的硬式分段线性非线性振动系统；(2)对称与不对称的软式分段线性非线性系统；(3)复合或复杂形式的分段线性非线性系统。由于该种非线性振动系统具有若干优点，目前在工程中仍不断的推广之中，预计今后还会得到进一步的发展。2.4非线性滞回系统的利用具有弹塑性变形的振动系统属于这一振动系统。例如，振动成型机、振动压路机、振动夯土机、振动沉拔桩机等一些振动机械，其振动系统都属于带有滞回恢复力的非线性振动系统，滞回恢复力是的具体表示形式。为了使振动成型或振动压实过程能有效地进行，塑性变形是不可缺少的，而且必须尽可能地加速大滞回曲线中的面积。在工程中这种振动系统十分普遍地存在。在该类振动系统中大体可有以下多种形式：含对称的平行四边形的滞回恢复力的非振动系统；含光滑封闭曲线的滞回恢复力的非线性振动系统；不对称滞回恢复力的振动系统；带有间隙的滞回恢复力的振动系统。2.5非线性自激振动系统的利用在工程中，自激振动得到广泛的应用。例如，采矿工业中应用的气动式与液压式凿岩机与碎石机，采煤用的风镐，铸造车间清理铸件的风铲，锻造车间使用的蒸汽锤，选煤厂应用的气动无活塞跳汰机，蒸汽机的工作过程也属于自激振动，由液压阀控制的往复油缸或活塞驱动的各种机件所组成的系统等。在无线电通讯及仪器仪表工业部门，如无线电收音机和电视机中的电子振荡器，各种仪器仪表中广泛采用的振荡器和不同形状波形发生器，各种恒温容器采用的开关型温度调节器等。日常生活中所必需的手表和挂钟，依赖琴弦演奏的各种乐器等。人体内心脏的跳动也是一种自激振动。2.6冲击非线性振动系统的利用利用冲击来完成工艺过程的振动机械有蛙式夯土机、振动锤锻机、冲击桩机、带有冲击的振动落砂机和振动钻探机等。冲击式振动机械是非线性振动机一个特例。根据理论计算与试验都可以证明，冲击情况下物体瞬间所产生的加速度较一般线性振动机的最大加速度大几倍、几十倍，甚至几百倍。利用冲击可以产生很大的冲击力，这对压实土壤，沉桩、使物体产生塑性变形、岩石发生破坏或碎裂、促使铸件上的型砂剥落都是十分重要的。2.7慢变参数振动系统能利用在工程中，许许多多自J工作过程都属于慢变参数系统。例如，对旋转机械的振动进行控制，其工作过程是慢变的。慢变过程的速会直接影响所控制的振幅，所以，可以利用控制过程慢变的速度来达到最优的控制效果。例如：对具有慢变参数的转子系统在启动和制动过程中，激励频率慢变使系统共振曲线产生波动并影响稳定性，转子刚度慢变会使不平稳的共振曲线产生偏移。对于慢变支承刚度的转子系统，适当选择刚度慢变速度，可以有效地抑制通过共振区时的振动。因此，慢变参数系统可以在工程中获得应用。2.8频率俘获原理的应用在工程中，频率俘获现象已得到广泛的应用，由两台感应电动机分别驱动的并装于同一振动系统中的两个偏心转子激振器，就是利用这一原理而进行工作的。目前在工业部门中应用的数以万计的自同步振动机基于这一原理。试验曾指出，当两台激振电动机单独运转时，其转数分别为962rmin和940rrain，而当同时运转时，其转数同为950rrain，这就是所谓的频率俘获。2.9分岔解的利用研究非线性系统分叉解目前已引起科学技术工作者普遍重视和广泛注意。在非线性方程式的分叉解中有一些可以被利用的，而有一些不可能加以利用。因此，研究分叉解具有工程意义。例如，蛙式夯土机的有效工作区是在周期运动的冲击速度最大区域，即周期运动的分岔解。在振动输送机中物料的运动会出现多种形式的分叉解，等周期跳动、2倍周期跳动、3倍周期跳动、n周期跳动和非周期跳动等，从这些分叉解中选择出最为理想或者说工艺指标和其他综合评价指标最佳的运动形式，即最佳的分叉解，这是一个具有重要实际价值的研究课题。2.10混沌的工程应用混沌有着广泛的用途。例如，利用冲击消振器振动空穴中的钢球的混沌运动来消除镗床镗杆的振动；在振动混料机中利用多种物料的混沌运动来加速物料的混合；再如有人曾设法利用混沌来加快对两种的混合。近来混沌在中在通信保密系统工作中也获得了十分成功的应用。此外，由于一些非线性振动系统在工作中会出现有害的不稳定振动，在这种情况下，设法使这种不稳定的振动过渡到较之有利的混沌运动，这自然也是利用混沌运动一种可开发的途径。但是否还有比混沌运动更为有效的其他措施，这仍然是一个值得研究的问题。3应用实例聚合物电磁动态塑化挤出机振动利用在聚合物加工中的应用挤出成型和注塑成型是聚合物成型的主要方法，据统计，塑料的加工成型有45%是通过挤出成型实现:从塑料门窗到塑料给排水管都是挤出制品;而光碟和许多电子产品的外壳则是通过注塑成型。挤出成型所用的设备是螺杆挤出机，而注塑成型所用的设备是注塑机。挤出机及注塑机的性能不但对制品质量有直接影响，而且直接关系到成型生产效率、成本以及环境等一系列问题，长期以来，人们对其原理和结构进行了深入的研究，出现了新的挤出机和注塑机。华南理工大学瞿金平教授将振动引入到聚合物塑化挤出的全过程，发明了聚合物电磁动态塑化挤出机。此项发明是聚合物加工史上的里程碑。3.1机器的原理和结构各种传统挤出设备都是采用电机驱动，外加热元件加热，采用外加热源与机械剪切联合作用的稳态塑化挤出机理，采用多系统分立的结构型式，它们一直存在着能量利用率低、能耗大、噪声大、体积质量大、制造成本高、挤出制品质量提高困难等缺陷。令人鼓舞的是，华南理工大学瞿金平教授发明了聚合物电磁动态塑化挤出机，一改传统挤出机的毛病，将电磁场引起的机械振动引入聚合物塑化挤出的全过程，是聚合物加工发展史的里程碑。图1是聚合物电磁动态塑化挤出机的原理结构示意图。1螺杆 2料筒 3电机转子 4电机定子 5机座 6料斗图3-1 聚合物电磁动态塑化挤出机由图可见，在该机器中，塑料的塑化挤出部分被全部植入驱动电机转子的内腔之中，让电机转子直接参与聚合物的塑化挤出过程，并利用转子的转动和振动，直接将电磁功率转化成电能、压力能及动能，完成物料的输送、塑化挤出成型。这样便将电磁场引起的机械振动场引入聚合物塑化挤出全过程，实现了物料动态塑化挤出、直接电磁换能及结构的集成化。由于其全部塑化挤出部件均置于转子内腔，故其结构相当紧凑，体积及质量只有原来的30%，制造成本也降低50%。同时，由于它将电机内电磁场的能量直接的利用来对物料进行塑化，而整个工作机构又紧凑地置于机器的中心部分，因此，其效率特别高，实验表明，在相同产量下，其能耗仅是传统挤出机的50%。除这些外，它还有噪声低、对物料适应性好、塑化混炼效果好、挤出温度低等一系列优点。3.2引入振动力场后的挤出机理整部机器从侧面观察相当于一个铁磁体转子异步电动机，气隙中脉振磁场不仅在转子上产生热耗，同时使转矩产生脉动，转子产生轴向振动，这对聚合物的塑化挤出过程产生巨大影响。振动场对固体物料输送影响很大，在振动状态下，物料沿螺旋槽输送的同时，还被周期性的压缩、释放，瞬时变化的压力将使物料快速压实。固体输送效率提高，排气效果提高，物料从松散到压实所需要的运动路径缩短。振动场对物料的熔融塑化也有影响，在振动场作用下，物料中产生应力与应变。由于应变滞后于应力，在物料中产生了耗散热，这一热能正是聚合物熔融塑化所需要的。另一方面，振动场使物料中产生瞬变压力，加速了聚合物分子链的解缠、取向及重排列，在宏观上加速了聚合物的转化，表现出转化温度降低的现象。振动场还对熔融体的输送及计量有影响，熔融体中动态应力幅超过某一极限后，熔融体表观粘度将减小，同时弹性也减小。这就使挤出成型过程受影响，挤出特性发生变化。4趋势4.1新的工作原理的采用自同步原理在振动机械中的使用。在振动机械中，主要有两种振动运动形式，一种为直线运动;另一种为圆运动。而广泛应用的直线振动运动，一般需要两组偏心块作同步运转，产生直线往复激振力，以前较多采用强迫同步的传动方式，即通过一对相同直径和相同齿数的齿轮来实现两组偏心块的同步运转;但近些年来利用力学原理，使两组偏心块无强迫联系地实现同步运转，这样的传动方式大大简化了机构，免去了同步齿轮，也简化了润滑要求。目前很多惯性振动给料机，直线振动筛等采用自同步原理驱动，获得了很大的发展。等厚筛原理和概率筛分原理的采用，使筛分机的处理能力提高了一倍以上，而概率筛分原理的使用，不仅提高了筛分机的处理能力，还解决了难筛物料的近似筛分问题。4.2大型振动设备的发展由于矿山规模的不断扩大，大型振动给料机得到了很大的发展，国内已使用了1 800t/h和2 500t/h的大型给料机，这样在生产系统中减少了给料机的安装台数，简化了生产流程。目前大型筛分机也在不断发展，宽度为3.6m，长度为6m和7.3m的筛分机，已有不少矿山使用;国内使用最大筛分机的规格宽度达4.2m，长度达9.13m;这样为筛分系统的简化创造了有利的条件。振动离心脱水机是煤矿必备的脱水设备。目前TWZ1300的振动离心脱水机处理能力达200t/h;最新的CMI-1400振动离心脱水机，处理能力已达到300 t/h，产品水分达到5%9%，而噪声低于80dba。较大规格的振动磨矿机，其容积为1 800L，功率为5565kW，已在很多地方使用。据称最大规格的容积已达3 000L，传动功率达110kW。4.3振动机械参数的强化为了提高振动机械的工作效率，国内外有些振动设备制造公司在提高设备结构强度的基础上，提高振动机械的参数。例如国外圆振动筛振幅达12mm(双振幅)，直线振动筛的振幅达16mm(双振幅)，振动频率超过1 000r/min。振动磨机的最大振幅达1214mm，但结构强度方面的问题较多，正在探讨之中。4.4新材料新工艺的采用(1)非金属减振元件的采用，如橡胶弹簧、复合弹簧，大大提高了振动机械的运转稳定性。(2)非金属筛面的采用，提高了筛分机筛面的使用寿命和筛分性能。(3)环槽铆钉的采用，大大提高了振动筛筛箱、振动输送机机体的结构强度，从而大大提高了设备运转的可靠性。5展望振动利用的显著特征及发展趋势由聚合物电磁动态塑化挤出机可知，它是振动工程与机械学、电机学、电磁学、材料学、自动控制等诸多学科紧密结合的结晶。同时也会带动材料科学、机械学、电机学、电磁学等学科向纵深领域发展。事实上，随着科技的发展，振动利用的研究和应用早已跨出了机械工程领域，扩展到了建筑工程、矿业工程、化学工程、材料加工工程等诸多工程领域，并将经典力学、非线性力学、振动学与机械学、电机学、材料学、自动控制、信号分析、图像处理等诸多学科紧密结合，由此形成了多学科互相交叉渗透的局面。由于振动现象的广义化，振动利用更延伸到了生物、农业以及社会经济领域，使得振动利用的范围大大扩展，诸多工程学科的结合体又将与生物学、农业科学、医学、经济学等学科在更大的范围形成交叉互动。因此，振动利用最显著的特征在于它的广泛性及其与多学科互相交叉渗透，并带动各学科向更大的范围、更深层次方向发展。振动利用工程科学在更宽的视野以及更深的层次与其它学科交叉渗透，将是21世纪振动利用发展的主要趋势。6结语(1)由于振动机械的发展和提高在工业发展中占有很重要的地位，振动机械的新技术和新产品的开发和应用，仍是今后非常值得重视的问题。(2)大型振动机械的发展，尚需在结构强度方面进行更深入的探讨，以提高其运转的可靠性。(3)新材料新工艺，特别是高性能材料的采用方面要进一步研究，以减轻振动机械的重量，提高其产品的质量。(4)随着环境保护要求的提高，对振动机械的降噪问题要更深入地研究和采取必要的措施，以便使噪声得到控制。参考文献1 范朝阳.振动机械的发展与展望，矿业快报，2004年2月第2期，10-11.2 张斌. 振动基础理论的发展与现状， 松辽学刊，1997.7，第3期，91-94.3 张益群，李永福. 振动利用的广泛性和多学科性， 昆明理工大学学报， 200l年10月第26卷第5期，119-120.4 韦建召，杨立新，李志霞. 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