振動(dòng)利用工程作業(yè)

1、 論 文 作 業(yè) 振動(dòng)利用工程的認(rèn)識及應(yīng)用舉例作者姓名：指導(dǎo)教師：學(xué)校：東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院學(xué)科類別：工科學(xué)科專業(yè)名稱：機(jī)械評閱人：東 北 大 學(xué)2012年11月 摘 要振動(dòng)是在日常生活和工程實(shí)際中普遍存在的一中現(xiàn)象，也是整個(gè)力學(xué)中最重要的研究領(lǐng)域之一。所謂機(jī)械振動(dòng)，是指物體（或物體系）在平衡位置（或平均位置）附近來回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械振動(dòng)過程中，表示物體運(yùn)動(dòng)特征的某些物理量（如位移、速度、加速度等）將時(shí)而增大、時(shí)而減小地反復(fù)變化。在工程實(shí)際中，機(jī)械振動(dòng)是非常普遍的，鐘表的擺動(dòng)、車廂的晃動(dòng)、橋梁與房屋的振動(dòng)、飛行器與船舶的振動(dòng)、機(jī)床與刀具的振動(dòng)、各種動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)等，都是機(jī)械振動(dòng)。關(guān)鍵

2、詞：機(jī)械振動(dòng)；振動(dòng)利用工程；體外沖擊波碎石機(jī) 目 錄1.1 振動(dòng)系統(tǒng)模型31.2振動(dòng)的分類31.3振動(dòng)利用的應(yīng)用與發(fā)展41.3.1 振動(dòng)機(jī)械與振動(dòng)儀器及其根關(guān)技術(shù)41.3.2 非線性振動(dòng)利用技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展42.5 波動(dòng)與波能利用技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展7參考文獻(xiàn)14致 謝16 1.機(jī)械振動(dòng)概述振動(dòng)是在日常生活和工程實(shí)際中普遍存在的一中現(xiàn)象，也是整個(gè)力學(xué)中最重要的研究領(lǐng)域之一。所謂機(jī)械振動(dòng)，是指物體（或物體系）在平衡位置（或平均位置）附近來回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械振動(dòng)過程中，表示物體運(yùn)動(dòng)特征的某些物理量（如位移、速度、加速度等）將時(shí)而增大、時(shí)而減小地反復(fù)變化。在工程實(shí)際中，機(jī)械振動(dòng)是非常普遍的，鐘表的擺動(dòng)

3、、車廂的晃動(dòng)、橋梁與房屋的振動(dòng)、飛行器與船舶的振動(dòng)、機(jī)床與刀具的振動(dòng)、各種動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)等，都是機(jī)械振動(dòng)。1.1 振動(dòng)系統(tǒng)模型模型就是將實(shí)際事物抽象化而得到的表達(dá)。例如，力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)、剛體、梁、板、殼、質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)等都是模型。振動(dòng)系統(tǒng)模型按系統(tǒng)的不同性質(zhì)可分為：離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)、常參數(shù)系統(tǒng)與變參數(shù)系統(tǒng)、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、確定系統(tǒng)與隨機(jī)系統(tǒng)等。1) 離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)。2) 常參數(shù)系統(tǒng)與變參數(shù)系統(tǒng)。3) 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)。4) 確定系統(tǒng)與隨機(jī)系統(tǒng)。1.2振動(dòng)的分類機(jī)械振動(dòng)有不同的分類方法。按產(chǎn)生振動(dòng)的原因可分為自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)；按振動(dòng)的規(guī)律可分為簡諧振動(dòng)、非諧周期振動(dòng)和隨

4、機(jī)振動(dòng);按振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性可分為線性振動(dòng)和非線性振動(dòng)；按振動(dòng)位移的特征可分為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和直線振動(dòng)。1) 自由振動(dòng)。2) 受迫振動(dòng)。3) 自激振動(dòng)。1.3振動(dòng)利用的應(yīng)用與發(fā)展1.3.1 振動(dòng)機(jī)械與振動(dòng)儀器及其根關(guān)技術(shù)線性和非線性振動(dòng)利用技術(shù)多數(shù)是通過能產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)械設(shè)備或儀器，即振動(dòng)機(jī)械會經(jīng)或振動(dòng)儀器來完成的，振動(dòng)機(jī)械或振動(dòng)儀器作為一種特殊的設(shè)備或裝置已在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。振動(dòng)機(jī)械或儀器有著廣泛的用途，例如給料和輸送、篩分和烘干、破碎和清理、成型和壓實(shí)、振搗和打拔、試驗(yàn)和測示、監(jiān)測和診斷以及其他用途等。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，振動(dòng)機(jī)械和儀器的用途和種類已達(dá)百余種，它們在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及人類生

5、活的各個(gè)方面發(fā)揮著重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用振動(dòng)的新工藝不斷出現(xiàn)，下面舉出若干應(yīng)用實(shí)例：1) 振動(dòng)破碎機(jī)的應(yīng)用。2) 振動(dòng)攤鋪及振動(dòng)壓路。3) 振動(dòng)成型與整形工藝。1.3.2 非線性振動(dòng)利用技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展在前面列舉的振動(dòng)機(jī)械與儀器中，按其線性和非線性的特性可分為線性或似線性(近似于線性)及非線性兩大類。在非線性振動(dòng)機(jī)械和儀器設(shè)備中，有一部分是為了獲得良好的工效有意識地采用系統(tǒng)的非線性特性，另有一部分則是非有意識地、而是在工作過程中自然地存在非線性的性質(zhì)。目前非線性振動(dòng)系統(tǒng)或非線性振動(dòng)特性的利用技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，其具體內(nèi)容可做以下簡單介紹。1) 具有分段摩擦或具有沖擊和分段慣性力

6、振動(dòng)系統(tǒng)的利用。2) 光滑非線性振動(dòng)系統(tǒng)的利用。3) 分段線性非線性振動(dòng)系統(tǒng)的利用。4) 非線性滯回系統(tǒng)的利用。5) 非線性自激振動(dòng)系統(tǒng)的利用。6) 沖擊非線性振動(dòng)系統(tǒng)的利用。7) 慢變參數(shù)振動(dòng)系統(tǒng)能利用。8) 頻率俘獲原理的應(yīng)用。9) 分岔解的利用。10) 混沌的工程應(yīng)用。2.振動(dòng)利用工程概述 振動(dòng)與波是20世紀(jì)后半期發(fā)展起來的一種具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的科學(xué)技術(shù),目前還正處在迅速發(fā)展過程中，由于該種技術(shù)與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系十分密切,能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益,并能為人類生活提供良好的服務(wù),現(xiàn)今已成為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人民日常生活必要的機(jī)制。 2.1振動(dòng)利用工程”的概念由于“振動(dòng)利用工程”牽涉面很廣,涉

7、及的領(lǐng)域及其相關(guān)的學(xué)科較多,應(yīng)用范圍及其分布十分零散。因此,給它的系統(tǒng)和深入的研究帶來較大難度,這也可能是目前其他國家未能對這一學(xué)科進(jìn)行系統(tǒng)研究與總結(jié)的主要原因。中國首先提出了“振動(dòng)利用工程”學(xué)科的新概念并進(jìn)行了綜合與總結(jié)。振動(dòng)利用工程是研究振動(dòng)與波利用的理論、技術(shù)及設(shè)備的一門新興的學(xué)科。它是機(jī)械振動(dòng)學(xué)三個(gè)主要分支（機(jī)械振動(dòng)的理論基礎(chǔ)、機(jī)械振動(dòng)的控制和機(jī)械振動(dòng)的利用）中與人類生活和生產(chǎn)聯(lián)系十分密切的一個(gè)分支，振動(dòng)利用工程是融機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電工學(xué)與電子學(xué)、控制理論等為一體的交叉學(xué)科，是一門面向工程實(shí)際的技術(shù)科學(xué)。在人類生活與生產(chǎn)等各個(gè)方面均獲得廣泛應(yīng)用，并已擴(kuò)展到生物工程與社會經(jīng)濟(jì)等眾多領(lǐng)域，目

8、前它正處在迅速發(fā)展過程中，由于該學(xué)科所涉及的有關(guān)技術(shù)與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類生活聯(lián)系十分密切，已正真成為人類生產(chǎn)活動(dòng)與生活過程中一種不可缺少的手段與必要的機(jī)制。振動(dòng)（包括波動(dòng)）按其類型可分為：線性與近似于線性的振動(dòng)、非線性振動(dòng)、波動(dòng)以及電磁振蕩等，因此，相應(yīng)地可把振動(dòng)的利用劃分為在這些方面的應(yīng)用。振動(dòng)與波不僅已廣泛應(yīng)用工程技術(shù)部門，目前正在向信息技術(shù)、生物工程、社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域以及人類日常生活的各個(gè)方面，預(yù)計(jì)它還會得到更進(jìn)一步的發(fā)展。2.2振動(dòng)利用工程的理論框架通過對“振動(dòng)利用工程”的研究，將該學(xué)科劃分為：線性與近似于線性振動(dòng)的利用、非線性振動(dòng)的利用、波及波能的利用、電磁振蕩原理的應(yīng)用，以及振動(dòng)與波在生

9、物工程和社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域及氣象學(xué)中的利用等，為“振動(dòng)利用工程”學(xué)科構(gòu)建起了理論框架（圖1）。 圖 1 線性與非線性振動(dòng)與波的應(yīng)用領(lǐng)域2.3完善了該學(xué)科某些分支的理論通過研究，對“振動(dòng)利用工程”學(xué)科的多個(gè)分支提出了相應(yīng)的理論，這些理論在聞邦椿院士撰寫的6部著作及相關(guān)的300余篇論文中已有敘述，為該學(xué)科奠定了理論基礎(chǔ)。目前聞邦椿課題組研究取得的有些理論和成果，已編入機(jī)械工程手冊機(jī)械振動(dòng)篇、機(jī)械振動(dòng)手冊和振動(dòng)與沖擊手冊等手冊中。2.4研究出多種新型振動(dòng)機(jī)構(gòu)下面僅舉出 6 種新型振動(dòng)機(jī)構(gòu)： 圖2 慣性共振式概率篩 圖3 慣不對稱彈性力的非線性彈簧搖床 圖4 軟式與硬式組合的非線性共振動(dòng)篩 圖5 內(nèi)外圓錐組

10、成的用于破碎的振動(dòng)機(jī)構(gòu) 圖6 二次隔振偏轉(zhuǎn)式雙激振器自同步冷礦振動(dòng)篩的工作機(jī)構(gòu) 圖7 兩軸反向回轉(zhuǎn)的自同步振動(dòng)機(jī)2.5 波動(dòng)與波能利用技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展波動(dòng)與波能的利用是近十幾年來振動(dòng)利用工程領(lǐng)域中獲得廣泛發(fā)展的一個(gè)新方向，國內(nèi)外在這一方面作了大量的研究，許多成果已用于實(shí)際，還有不少問題正處在研究與發(fā)展過程中。下面列舉一些典型的應(yīng)用實(shí)例。波的類型用途儀器設(shè)備名稱海浪與潮汐(水的波動(dòng)與波能)的利用海浪發(fā)電、潮汐發(fā)電、潮汐運(yùn)輸?shù)群＠税l(fā)電設(shè)備、潮汐發(fā)電站、潮汐運(yùn)輸裝置與船舶等彈性波(應(yīng)力波)的利用振動(dòng)采油、振動(dòng)勘探、樁基檢測、結(jié)構(gòu)健康診斷等振動(dòng)采油設(shè)備、地質(zhì)勘探機(jī)或勘探車、樁基檢測用激振器及附屬設(shè)備等

11、次聲波與聲波的利用設(shè)備與結(jié)構(gòu)的診斷等次聲波發(fā)生器超聲波的利用超聲電機(jī)、超聲油水混合、超聲醫(yī)療(彩超、超聲粉碎結(jié)石)、超聲診斷等超聲電機(jī)、超聲油水混合裝置、超聲醫(yī)療儀、彩超、超聲粉碎結(jié)石機(jī)、超聲清洗機(jī)等紫外波與微波的利用紫外波殺菌、微波加熱、微波通信等紫外波發(fā)生器、微波爐、微波通信設(shè)備可見光波的利用加熱、激光技術(shù)、光導(dǎo)纖維技術(shù)等熱水器、激光加工、光導(dǎo)纖維通信等紅外波的利用加熱、成像、醫(yī)療、軍事監(jiān)察等加熱器、熱成像技術(shù)、紅外醫(yī)療儀、紅外軍事監(jiān)察設(shè)備等X射線波、Y射線波與射線波的利用醫(yī)療、診斷等X射光機(jī)、醫(yī)用CT、工業(yè)CT、射線治療儀及其他檢測與診斷設(shè)備 表1 3. 體外沖擊碎石機(jī)3.1定義： 沖擊

12、波：是一種不連續(xù)鋒在介質(zhì)中的傳播，這個(gè)鋒導(dǎo)致介質(zhì)的壓強(qiáng)、溫度、密度等物理性質(zhì)的跳躍式改變。通常指核爆炸時(shí),爆炸中心壓力急劇升高,使周圍空氣猛烈震蕩而形成的波動(dòng)。沖擊波以超音速的速度從爆炸中心向周圍沖擊,具有很大的破壞力,是核爆炸重要的殺傷破壞因素之一。 3.2分類： 液電式?jīng)_擊波 （最常用） 壓電式?jīng)_擊波波源 電磁式?jīng)_擊波波源3.3應(yīng)用： 3.3.1體外沖擊碎石機(jī)治療尿路結(jié)石具有創(chuàng)傷小、費(fèi)用低、治療效果好等優(yōu)點(diǎn)從而廣泛應(yīng)用于臨床。尿路結(jié)石是泌尿系統(tǒng)的常見病之一，國外統(tǒng)計(jì)，在發(fā)達(dá)國家其發(fā)病率在成人人群中為2%-3%，僅美國每年因尿路癥住院者達(dá)30萬以上，約10萬人以上接受手術(shù)治療。在體外沖擊碎石

13、術(shù)(Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy，EswL)的誕生之前尿路結(jié)石唯一有效的治療方法是手術(shù)取石。 圖8 腎結(jié)石 體外沖擊波碎石機(jī)主要由體外沖擊波發(fā)生源、沖擊波的觸發(fā)系統(tǒng)、沖擊波與人體的耦合、結(jié)石定位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制操作系統(tǒng)和治療床組成。體外沖擊波碎石機(jī)是利用碎石機(jī)產(chǎn)生的沖擊波在體外聚焦擊碎體內(nèi)的結(jié)石，使之隨尿液排出體外，以治療尿路結(jié)石的裝置。而沖擊波屬于機(jī)械波，同時(shí)，聲波也是一種通過介質(zhì)傳播的機(jī)械波，壓力脈沖可被視為脈寬極短的聲波，如圖2.2所示。醫(yī)用碎石機(jī)沖擊波的脈沖寬度的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需要小于等于1s。在一定范圍內(nèi)，沖擊波脈沖寬度越小，其碎石效果越好

14、，目前我國國產(chǎn)主流醫(yī)用碎石機(jī)的沖擊波脈沖寬度小于等于0.8s。 3.3.2體外碎石機(jī)原理 沖擊波發(fā)生（液電）的基本原理是通過高電壓、大電流、瞬間放電，在放電通道上形成一個(gè)高能量密度的高溫、高壓等離子區(qū)，將電能迅速轉(zhuǎn)換為熱能，光能、力能和聲能，放電過程中放電通道急劇膨脹，在水介質(zhì)中形成壓力脈沖，也就是沖擊波。除液電沖擊波源外，尚有電磁波源、壓電晶體波源等沖擊波源。 電磁沖擊波發(fā)生源它產(chǎn)生沖擊波的原理是電磁感應(yīng)。通過充電的高壓電容器對一個(gè)電感線圈放電, 產(chǎn)生的脈沖電流形成一個(gè)很強(qiáng)的脈沖磁場, 使線圈上覆蓋的振膜感應(yīng)產(chǎn)生磁場, 振膜磁場與線圈磁場相互作用產(chǎn)生排斥力, 在水介質(zhì)中振膜的另一面形成沖擊波

15、。 壓電沖擊波發(fā)生源它產(chǎn)生沖擊波的原理是壓電效應(yīng)。在球形盤的內(nèi)表面安置許多個(gè)壓電晶體塊, 組成一系列壓電發(fā)送器。每當(dāng)壓電晶體塊上輸入高頻脈沖電壓時(shí), 壓電晶體就發(fā)生變形,晶體的高頻變形引起周圍水介質(zhì)產(chǎn)生沖擊波。3.3.3 醫(yī)用碎石機(jī)要達(dá)到粉碎結(jié)石的目的 必須滿足三個(gè)條：(1)能產(chǎn)生一定強(qiáng)度而且可以聚焦的沖擊波；(2)經(jīng)過一定的傳播介質(zhì)，盡量無損耗地將沖擊波送到結(jié)石部位；(3)使沖擊波的聚焦焦點(diǎn)與結(jié)石的位置很好地重合在一起。 因此，碎石機(jī)由波源發(fā)生系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、水系統(tǒng)、三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)構(gòu)成。 圖9 外形圖 圖10 原理圖 3.3.4 用醫(yī)院的B超機(jī)對人體進(jìn)行掃描，要求B超圖像縱向分辨力

16、小于等于2mm ;橫向分辨力小于等于3mm,探測深度20cm，碎石機(jī)還會配備定位裝置，通過距離傳感器，顯示B超探頭與結(jié)石間的距離。在調(diào)試安裝碎石機(jī)的過程中，要確保B超探頭的中心線與波源的第二焦點(diǎn)相交 3.3.5 沖擊波波源定位實(shí)圖 圖11 沖擊波波源定位實(shí)圖 圖12 液電沖擊波波源圖3.4應(yīng)用設(shè)想日本一個(gè)教授研究的一項(xiàng)技術(shù)（具體細(xì)節(jié)不太清楚） 圖13 實(shí)驗(yàn)裝置 一個(gè)很有趣的裝置，當(dāng)放電以后，蘋果拿出來可以插上一個(gè)吸管直接喝蘋果汁了。原因是放電以后產(chǎn)生的巨大的沖擊波把蘋果內(nèi)的細(xì)胞打碎了，細(xì)胞破裂，因此會出現(xiàn)這樣的神奇現(xiàn)象。 而受到這個(gè)小發(fā)明的啟發(fā)，導(dǎo)師有這樣的一個(gè)研究方向就是將沖擊波應(yīng)用到污泥破

17、解中去，大體的思路是這樣的： 污泥 圖14 破解污泥設(shè)想把污泥中細(xì)菌用沖擊波打碎。 4.作業(yè)總結(jié) 振動(dòng)利用工程課程是我在機(jī)械領(lǐng)域的一個(gè)延伸與拓展，是為我各方面綜合素質(zhì)的一個(gè)融會貫通的過程。在為期7周的課程學(xué)習(xí)里，學(xué)到了很多東西，也為以后走實(shí)踐應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)，在本科的四年里內(nèi)，使我感覺到一切所學(xué)知識都是死的，只知道它的基本理論，但不知如何運(yùn)用。通過與那里老師的學(xué)習(xí)我學(xué)會了如何真正動(dòng)手查找相關(guān)文獻(xiàn)以及善于思考的本領(lǐng)，在設(shè)計(jì)過程中需要把理論和實(shí)踐相結(jié)合。對這一點(diǎn)我深有體會。 獨(dú)立思考能力提高：通過具體任務(wù)的鍛煉，對振動(dòng)學(xué)習(xí)過程的了解，以及在設(shè)計(jì)過程中遇到的困難的解決，達(dá)到了了具體問題具體分析和充分發(fā)揮自己觀點(diǎn)這一方面得到了很大的提高。 知識面的開闊：通過此次振動(dòng)利用工程的學(xué)習(xí)，我接觸到了以前沒學(xué)到的東西，一切靠自己的能力完成解決。是自己對機(jī)械振動(dòng)部分有了一個(gè)完整的認(rèn)識，把一切學(xué)過的東西有機(jī)結(jié)合一個(gè)整體。同時(shí)使自己的自學(xué)能力有了很大的提高。 參考文獻(xiàn)1 聞邦椿、李以農(nóng)、張義民、宋占偉. 振動(dòng)利用工程. 北京：科學(xué)出版社 20052 聞邦椿、趙春雨、蘇東海、熊萬里. 機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)同步與控制同步. 北京：科學(xué)出版 社 20033 聞邦椿、劉樹英、何勍. 振動(dòng)機(jī)械的理論與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001