[科普中国]-自激振动

简述

自激振动在自然界里和生活中是很常见的。例如，树梢在狂风中呼啸，提琴奏出悠扬的小夜曲，自来水管突如其来的喘振，夜深人静时听到墙上老式挂钟持续地发出滴答滴答的摆动声，这些无不是各式各样的自激振动。用车、铣、刨、磨等机床加工时，搞得不好，刀具自激振动起来，会在工件表面上啃出波浪式的纹路，严重地影响了加工的光洁度和机床的寿命。所以，自激振动是一种相当普遍的现象。1

自激振动(self-excited vibration)是一种由系统本身产生的激励所维持的非线性振动。自激振动系统除具有振动元件外，还具有非振荡性的能源、调节环节和反馈环节。因此，不存在外部激励时它也能产生一种稳定的周期性振动。维持自激振动的交变力是由运动本身产生的，并且由反馈和调节环节所控制。运动本身一旦停止，其交变力随之消失，自激振动也随即停止。

自激振动是工程中除自由振动和受迫振动之外大量存在的另一种振动形式。自激振动靠系统外的能源补充能量，但区别于受迫振动的是，自激振动的能源是恒定的。2

自激振动和受迫振一样也是在自然界和工程中最常见的一种振动，但它的产生机理却复杂得多，又经常和非线性系统联系在一起。常见的自激振动有：内燃机或蒸汽机的活塞的往复运动；切削工件时引起的机床振动；机械式钟表中摆轮的振动；飞机机翼由于气流引起的颤振；拉提琴时琴弦的振动和拉手风琴时簧片的振动等。3

产生条件自激振动的发生需要两个条件：第一，系统在平衡点附近的不稳定性；第二，迫使系统的工作点略微偏离平衡点的外界扰动。由此可见，自激振动并非不需要外界的激励。其实，应该说自激振动是一种“扰激振动”，因为它总是发端于某一个偶然的外界扰动。只是由于这个扰动的大小与形式无关，且现实的世界中又总是充满了各种各样的扰动，因此上述第二个条件总是满足的。这样，只要第一个条件一旦形成，即只要系统本身在平衡点附近的不稳定性一旦形成，则完全无须等待，立即就会有某个偶然扰动闯过来，引发急剧上升的振动。正因为如此，对于自激振动进行研究的着眼点和方法就与对自由振动和强迫振动的研究不同：无须研究引发振动的那个偶然扰动的大小和形式，也无须探讨这种扰动与它所激起的振动之间的关系，而是要着重研究形成系统自身不稳定性的机理与规律。4

特点①自激振动是一种不衰减的振动，振动过程本身能引起某种力的周期性变化，振动系统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性地获得能量补充，从而维持振动。外部振源可能在最初激发振动时起作用，但它不是产生振动的内在原因。

②自激振动的频率等于或接近于振动系统的固有频率，即它由振动系统本身的参数决定。

③自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个振动周期内获得和消耗能量的对比情况。若获得能量大于消耗能量，则振幅将会不断变化，直到两者能量相等为止；若获得能量小于消耗能量，则自激振动不会产生。5

避免方法由实际经验总结，避免自激振动的方法可归纳为几个方面：

(1)引入外阻以提高失稳转速，例如采用挤压油膜阻尼器；

(2)提高转子系统的临界转速使在最大工作转速以上，例如提高转子刚性或支承刚度；

(3)消除具体引起失稳的原因。

下面再分别归结各类自激振动的消除方法。

对于转子上零件间的摩擦激起的失稳。可以首先检查转子或联轴器的某些零件之间是否有轴向摩擦痕迹。如果存在摩擦痕迹，消除此失稳的方法就是消除和减小摩擦。如果是松动套齿连接，可引入滑油。此外可改变转子结构或支承刚性，从而使零件在发生次同步进动时，无局部轴向滑动从而没有摩擦力产生。

滑动轴承、篦齿或环形封严装置等激起的自激振动失稳，进动比为0.15～0.48。如果是滑动轴承，可采用可倾瓦轴承。如果是封严装置，可以在静止件上加进口防旋片，或改用蜂窝封严结构，或使封严装置静止件内圆面粗糙，或使用毛刷状外环。

转子中积液引起的自激振动，进动比为0.5～1.0，更多地为0.7～0.9。可在转子上适当部位开小孔排液以避免此种自激振动。

轴流叶轮叶尖间隙不均引起的自激振动和离心叶轮、螺旋桨等引起的自激振动，进动比取决于流体力的大小，与转速无关。应尽量设法清除或减小叶轮的偏心旋转运动，可用加强叶轮刚度或在叶轮附近设置刚度较大支承等方法来实现。

干摩擦激起的自激振动失稳，其振动形式是摆动或反进动与前述各种原因引起的失稳不同。出现这种失稳当可检查出周向摩擦痕迹。按具体情况消除发生干摩擦的可能性即可消除这种失稳。2