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            共振的基本知識及實踐中的運用
             日期:2022/1/24 14:47:11    來源:

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            人們對共振的最初印象,來源于一個歷史故事。在拿破侖軍隊入侵西班牙時,一支法國小分隊踢著整齊的正步經過一座鐵鏈懸橋,沒想到大橋忽然倒塌,致使多人死亡。后人猜測這次事故發生的主要原因就是“共振”。

            那么,共振到底是什么?為什么它的威力這么大?

             



            什么是共振

            一個物體或者一個系統,在沒有外力影響下的情況下,會傾向于某個頻率的振動,這個頻率就是“ 固有頻率”,而當兩個物體的固有頻率相同或者相近時,它們的振動幅度就會疊加,即產生增幅作用。以聲波擊碎玻璃杯的實驗為例,由于聲音的頻率恰好與玻璃杯的固有頻率重合,就會迫使玻璃杯劇烈振動,最終破碎。這當中能量累積的原理就像我們小時候玩的蕩秋千,每次蕩回來到最高點時,輕輕推一下,雖然力氣不大,但是積累幾個頻率周期,就可以讓秋千蕩得很高。由此可見共振的威力不容小覷。

             

            物理學上,共振指物體發生振動后,由于其本身的構成、大小、形狀等物理特性,會逐漸固定在某一頻率上振動,這個頻率叫該物體的固有頻率。當人們從外界給這個物體一個驅動力時,物體的振動頻率等于驅動力的頻率,而與固有頻率無關。但是如果驅動力的頻率與該物體的固有頻率正好相同,則物體的振幅達到最大,這種現象稱為共振。

             

            也可以表述為:振動體在周期性的外力作用下,當外力的頻率和振動體固有頻率很接近或者相等時,振動的幅度就會急劇增大。固有頻率可以理解為物體做自由振動時,其位移隨時間按正弦或余弦規律變化。例如一個單擺,在單位時間內周期變化的次數,就是他的固有頻率。固有頻率與初始條件無關,而僅與系統的固有特性有關(如質量、形狀、材質等)。

             

            通俗地說,一個物體發生振動引起其他物體的振動,在共振頻率下,很小的周期振動就可以產生很大的振動幅度。

             

            針對振動篩或者兆豐公司生產的其他周期性運動產品,在市場上因為共振出現損壞,造成篩體局部開裂的現象,可以解釋為:固定振動篩的鋼架有自身的固有頻率,振動篩運時,對鋼架產生激振力。每一個工程的鋼架的固有頻率不同,如果振動篩運行產生的激振力頻率與鋼架的固有頻率接近時,鋼架連同振動篩的振動幅度就會急劇增大,對鋼架、設備,均產生嚴重的損壞。

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            共振的普遍意義

             

             

             

             

             在機械共振中,常見的原因有直接作用的交變力、支撐或地基的振動、旋轉件的不平衡慣性力等。共振時,激勵輸入機械系統的能量最大,系統出現明顯的振型稱為位移共振。此外還有在不同頻率下發生的速度共振和加速度共振。

             

            共振不僅在物理學上運用頻率非常高,而且,也可以說是一種宇宙間最普遍的和最頻繁的自然現象之一,在某種程度上甚至可以這么說,是共振產生了宇宙和世界萬物,沒有共振就沒有世界。共振現象在生活中也被廣泛應用,蕩秋千暫且不論,我們每天看的電視,上的網絡,甚至是我們眼睛看到的一切事物,都是根據共振原理而接受信號的。

             

            一般來說,一個系統(不管是力學的、熱學的還是電子的)有多個共振頻率,在這些頻率上振動比較容易,在其它頻率上振動比較困難。假如引起振動的頻率比較復雜的話(比如是一個沖擊或者是一個寬頻振動),一個系統一般會“ 挑出” 其共振頻率隨此頻率振動,事實上一個系統會將其它頻率過濾掉。

             

            振蕩強度是振幅的平方。物理學家一般稱這個公式為洛倫茲分布,它在許多有關共振的物理系統中出現。也是一個與振蕩器的阻尼有關的系數。阻尼高的系統一般來說有比較寬的共振頻率帶,共振頻率帶也稱為帶寬。

             

            共振時的激勵頻率稱為共振頻率,近似等于機械系統的固有頻率。對于單自由度系統,共振頻率只有一個,當對單自由度線性系統作頻率掃描激勵試驗時,其幅頻上出現一個共振峰。對于多自由度線性系統,有多個共振頻率,激勵試驗時相應出現多個共振峰。對于非線性系統,共振區出現振幅跳躍現象,共振峰發生明顯變形,并可能出現超諧波共振和次諧波共振。共振時激勵輸入系統的功同阻尼所耗散的功相平衡,共振峰的形狀與阻尼密切相關。

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            共振的危害和作用

             

             

             


             一般情況下,共振是有害的,它會引起機械和結構很大的變形和動應力,甚至造成破壞性事故,工程史上不乏實例。

            機床運轉時,運動部分總會有某種不對稱性,從而對機床的其他部件施加周期性作用力引起這些部件的受迫振動,當這種作用力的頻

             

            率與機床的固有頻率接近或相等時,會發生共振,從而影響加工精度,加大機械鋼鐵的疲勞破壞,加大機械的損害力度。

             

            機械共振的主要危害有:

            1)產生噪音 ;

            2)周期性疲勞,降低設備的強度,容易損壞 ;

            3)浪費能源,消耗無用的功去產生振動篩。

             

            另一方面,共振狀態包含有機械系統的固有頻率、最大響應、阻尼和振型等信息。在振動測試中常人為地再現共振狀態,進行機械的振動試驗和動態分析。利用共振原理的振動機械,可用較小的功率完成某些工藝過程,如共振篩等。

             

            共振也被巧妙地利用在生活中的方方面面,神奇的地震儀、彈奏的弦樂器,收聽的電臺節目、使用的微波爐等等都離不開共振的原理。

             

            共振也在各行各業發揮著積極作用,古代戰爭時期,人們靠陶土罐的回聲來判斷敵軍的人馬距離和多少,現代靠高頻電磁波加熱食物,各種信號的傳輸,固定聲波加快血液流動等。

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            預防和應用

            防止共振措施有:改進機械結構或改變直接作用力,使機械固有頻率改變;采用減震裝置;啟動或停機時快速通過共振區。

             

            機械共振的預防方法包括:

            1)振動源與支撐件之前加緩沖減震材料或裝置;

            2)從振動源處理,當有減速機、傳送帶、傳送齒輪時,通過改變傳動比等,可以將振動頻率改變,從而與固有頻率錯開;

            3) 降低固有頻率,對固定支撐件進行加強或者改變布局結構, 從而與振動頻率錯開。

             

            針對我們公司生產的往復振動設備,預防共振的方法具體包括:

             

            改進結構:例如,常見的振動篩或回轉篩設備支撐鋼架很結實,還是震動大,加斜撐、立柱后鋼架震動減小,就是通過改變鋼結構的固有頻率的方法;

            減震裝置:機動車輛加減震裝置可通過減緩受力,通過降低車身運動頻率,避免因共振所形成的破壞。類似的原理運用于振動設備,可以改變橡膠彈簧的彈性模量,或者在機架與鋼架之間加緩沖裝置,以吸收能量;

            快速通過共振區:往復振動或回轉類設備啟停時的游動就是共振引起的,會對零部件產生一定的破壞。通過通過增加變頻器等裝置,使篩體的運動快速通過共振區。

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