振動利用工程
內(nèi) 容 簡 介
本書主要論述作者所在科研團隊長期從事振動利用工程的科學研究工作所取得的理論與實際成果，同時也吸取了國內(nèi)外學者在該領域各研究分支上所取得的部分主要成果，是國內(nèi)外在該科學技術領域的第一部內(nèi)容全面而系統(tǒng)的專著。本書除建立了“振動利用工程”這一新學科的理論框架外，還從工藝理論的創(chuàng)新、振動機構(gòu)的創(chuàng)新、非線性動力學理論的創(chuàng)新，以及這些技術的工程應用等出發(fā)，詳細闡述了振動利用技術與設備工藝過程的理論、線性或近似于線性振動的利用、非線性振動的利用、波及波能的利用、電磁振蕩器的科學與工程應用，以及相關的線性與非線性動力學理論和試驗研究的結(jié)果。此外，還扼要舉例說明了研究自然界與人類社會中的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律利用的重要性及其意義。
本書可供從事振動工程，特別是從事振動利用工程的科技工作者及大專院校的研究生、高年級本科生閱讀，還可供企業(yè)和技術部門的科技人員參考。
第一作者簡介
聞邦椿 原籍浙江溫嶺，1930年9月生于浙江省杭州市。1957年東北工學院機械系研究生畢業(yè)。現(xiàn)為東北大學機械工程與自動化學院教授，機械電子工程研究所名譽所長，IFToMM(國際機器理論與機構(gòu)學聯(lián)合會)中國委員會委員，國際轉(zhuǎn)子動力學技術委員會委員，亞太振動會議指導委員會委員，中國振動工程學會名譽理事長，上海交通大學“振動、沖擊、噪聲”國家重點實驗室學術委員會名譽主任；曾任第六、七、八、九屆全國政協(xié)委員，國務院學位委員會第二、三、四屆機械工程學科評議組成員，中國振動工程學會理事長和《振動工程學報》主編等；現(xiàn)任或曾任全國20余所大學的兼職教授、顧問教授和名譽教授。1984年被評為全國第一批有突出貢獻的中青年專家，1991年當選為中國科學院院士。
他系統(tǒng)地研究和發(fā)展了振動學與機器學相結(jié)合的新學科“振動利用工程”，還研究了轉(zhuǎn)子動力學、機械系統(tǒng)非線性振動理論及應用、機械故障的振動診斷、機電一體化以及工程機械理論的某些問題。曾發(fā)表論文700余篇，其中SCI、EI和ISTP三大檢索系統(tǒng)論文150余篇，有專著和主編論文集10余部。
他曾指導了100余名研究生，已有61名研究生取得了碩士學位，43名研究生取得了博士學位，還曾指導博士后5名、俄羅斯和哈薩克斯坦訪問學者各一名。
他曾應邀去日本、德國、澳大利亞等國講學，參加過在美、英、日、澳、加、意、韓、保、匈、新、馬、芬、前蘇聯(lián)、西班牙等20余個國家召開的國際學術會議，宣讀論文50余篇，并多次應邀做大會報告，還曾訪問德、波、瑞士、瑞典、烏克蘭、拉脫維亞、泰國、朝鮮等國。他曾主持召開國際學術會議4次，主編國際學術會議論文集4種。
他完成廠數(shù)十項國家和橫向重大科研項目，包括國家自然科學基金重大項目、面上項目和973、863項目等，曾獲國際獎兩項，國家發(fā)明獎和科技進步獎3項，省、部、委級獎10余項，國家專利8項。有多項成果達到國際先進水平，取得廠重大經(jīng)濟效益和社會效益。
本書是作者及其領導的科研團隊30余年參與科學研究實踐所取得的重要科研成果之一。
前 言
“振動利用工程”是20世紀后半期逐漸形成和發(fā)展起來的一門新學科。目前，它正處在迅速發(fā)展過程中，由于該學科所涉及的技術與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類生活聯(lián)系得十分密切，它能為社會創(chuàng)造重大的效益，能為人類生活提供極大的方便和良好的服務，已成為人類生產(chǎn)活動與生活過程中一種不可缺少的手段與必要的機制。
振動利用工程最近30多年來的發(fā)展舉世矚目。就拿振動機械來說，目前已成功應用于工礦企業(yè)中的該類機器已達到數(shù)百種之多，在許多部門，如采礦、冶金、煤炭、石油化工、機械、電力、水利、土木、建筑、建材、鐵路、公路交通、輕工、食品和谷物加工、農(nóng)田耕作、生物工程、信息技術等部門以及在人類日常生活過程中，數(shù)以萬計的振動機器和振動儀器已成功用來完成許多不同的工藝過程。
在振動利用技術中，除利用線性振動原理和非線性振動原理外，波動與波能在許多部門也得到了廣泛的應用。例如，在工程地質(zhì)部門，利用振動所發(fā)生的應力波進行檢測和地質(zhì)勘探；在石油開采中，利用振動所引發(fā)的彈性波來提高原油產(chǎn)量；在海洋工程方面，海浪波動的能量可以用來發(fā)電；在醫(yī)療方面，利用超聲波等診斷和治療疾病，彩超、醫(yī)用CT和核磁共振等，都是對振動與波動原理的實際應用；在電子和通信工程方面，電視機和收音機中的振蕩電路、門鈴、電話機、光導纖維通信技術、錄音機、電視機、收音機、程控電話等諸多電子器件以及電子計時裝置和通信系統(tǒng)使用的諧振器等都是通過振動才能有效地工作。
從廣義的角度來看，在自然界及宇宙中到處存在著振動，月亮的圓缺、潮汐的漲落、樹木的年輪等，對這些振動和波動現(xiàn)象進行研究，找出其內(nèi)在規(guī)律，并進行有效的利用，無疑會產(chǎn)生重大的社會效益與經(jīng)濟效益，并造福于人類。
在社會與經(jīng)濟生活中，如人口的增長與衰減、農(nóng)作物蟲災發(fā)生的周期性現(xiàn)象、股市的漲跌和振蕩、社會經(jīng)濟發(fā)展過程中速度的增長與衰減等，都可以歸納為不同形式的振動。
振動按其類型大致可分為：線性振動與近似于線性的振動、非線性振動、波動(水波、應力波、聲波、超聲波、紅外波、可見光波、紫外波、各種射線波等)及電磁振蕩等。因此，可將振動利用工程技術分為線性與近似于線性的振動的利用、非線性振動的利用、波動和波能的利用、電磁振蕩器在工程技術中的應用、自然界和人類社會中的振動現(xiàn)象與規(guī)律及其利用等。
隨著我國經(jīng)濟建設和科學研究事業(yè)的進一步發(fā)展，新用途的振動利用技術將會不斷出現(xiàn)，它們在各個部門中的使用也將日益增多，并將發(fā)揮越來越重要的作用。為了使這類技術獲得更有效的使用并促進其進一步的發(fā)展，對它們的工作理論與設計計算方法進行較系統(tǒng)和詳細的敘述無疑是十分必要的。特別是隨著現(xiàn)代科學技術，諸如非線性動力學理論與方法、現(xiàn)代設計理論與方法和計算機技術的迅速發(fā)展，應用最新的科學技術，構(gòu)建起“振動利用工程”新學科的理論框架，并對振動利用技術和設備進行全面、系統(tǒng)的闡述，為該種技術與設備提供研究、設計的理論與方法，將是研究與開發(fā)出新的技術與設備，以及保證該類機械可靠和有效運行的重要措施和必要手段。
本書是聞邦椿教授及其所領導的科研團隊經(jīng)過30多年的努力所取得的科研成果的總結(jié)，其中提出的創(chuàng)造性成果有：
1)構(gòu)建了“振動利用工程”新學科的理論框架，這不僅在國內(nèi)，而且在國際上也是首次提出的。
2)在工藝理論與技術創(chuàng)新方面，介紹了作者從事振動利用工程研究在工藝理論與實際應用方面所取得的成果。例如，提出了概率—等厚篩分的理論，各類工作面上物料滑行和拋擲運動的理論，以及篩分過程的理論等，并將其應用于振動機械的工作過程中。
3)在機構(gòu)創(chuàng)新方面，提出了多種新的振動機構(gòu)。例如，激振器偏轉(zhuǎn)式自同步振動機構(gòu)、特殊形式的非線性慣性共振式振動機構(gòu)等，獲多項國家專利。
4)在非線性動力學理論創(chuàng)新方面，總結(jié)作者長期對振動與波動利用技術及設備工作理論方面所進行的系統(tǒng)研究和試驗，為振動利用工程學的多個分支(如振動同步與控制同步理論的應用、非線性振動的利用、波及波能的利用等分支)創(chuàng)建了理論基礎。例如，各類振動機械的動力學理論、振動機械系統(tǒng)等效質(zhì)量和等效阻尼的計算方法、振動機械與設備的二次隔振的理論與計算方法、雙電機或多電機驅(qū)動振動機的振動同步理論和方法、非線性振動機械的動力學分析與動力學參數(shù)計算方法、振動機械及其主要零部件的動態(tài)設計方法等，書中許多內(nèi)容都是國內(nèi)外參考文獻中未曾見到過的。
5)在設計理論與方法的創(chuàng)新方面，提出了較為系統(tǒng)的振動機械動態(tài)設計理論與方法，特別是非線性振動機械的動態(tài)設計理論與方法，以及以動態(tài)優(yōu)化、智能優(yōu)化與可視優(yōu)化為內(nèi)容的綜合設計法，為高質(zhì)量的該類產(chǎn)品的設計，特別是新產(chǎn)品的研究與開發(fā)提供廠理論參考及依據(jù)。
6)在工程應用方面，30年來作者將所取得的理論成果與應用成果推廣應用于工程實際。例如，大型激振器偏轉(zhuǎn)式自同步振動篩、慣性共振式概率篩、新結(jié)構(gòu)的振動破碎機、新結(jié)構(gòu)的振動冷卻機等，并成功應用于工業(yè)部門，取得了重大的經(jīng)濟效益與社會效益，獲國家發(fā)明獎、國家科技進步獎及省部級獎10余項。
本書在總結(jié)作者所取得成果的基礎上，還吸取了國內(nèi)外科技工作者在這一領域所取得的部分最新重要研究成果，使本書的內(nèi)容更為充實。
本書共分8章。第1章為概論，介紹振動利用工程學的形成與發(fā)展；第2章介紹振動與波利用工程領域的若干重要成果；第3章講述振動利用技術與設備工藝過程的理論；第4、5章討論線性或近似于線性的和非線性振動的利用；第6章討論波及波能的利用；第7章介紹電磁振蕩器的理論及應用；第8章簡略介紹自然界與人類社會中的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用。
參加本書著述和撰寫的有聞邦椿、李以農(nóng)、張義民、宋占偉等教授。在編寫過程中，還吸取了本科研團隊其他同志長期研究工作所取得的成果，他們是關立章、張國忠、任立義、紀盛青、劉樹英、文成秀、段志善、劉杰、張?zhí)靷b、何勍、曾海泉、徐培民、芮延年、嚴世榕、袁惠群、韓清凱等教授，范儉、戚靖洋、趙春雨、王鳳蘭、宿蘇英、李鴻光、熊萬里、彭世德等副教授，林向陽、駱明飛、劉永熙、宮照民、張泓、徐天寧、孔慶華、王華君、馬乃慶等高級工程師，以及李鶴、姚紅良、劉子和、魏海燕博士等。在本書編寫與審稿過程中，我們還得到黃文虎院士、楊叔子院士、高金吉院士、陳予恕教授、鄭兆昌教授、胡海巖教授、王殿忠教授等的幫助，博士研究生陳宏、張曉偉、李小彭、宋雪萍、王黎、于濤、孫偉、馬輝、毛居全等也給予了協(xié)助，此外，還得到了東北大學機械電子工程研究所、徐州工程機械集團、首都鋼鐵公司、洛陽礦山機械設計研究院、鞍山礦山機械股份有限公司、河南威猛振動機械股份有限公司、朝陽振動機械廠、海安振動機械廠、鐘祥機電制造有限公司等有關兄弟單位同志們的大力支持和協(xié)助，在此特向他們致以衷心的謝意。
應該特別提出，本書編入的研究成果中相當一部分取自我們承擔的國家自然科學基金項目(項目編號：59475005，50075015，59075175，59875010)、兩項博士點基金項目，以及其他科研項目；本書的出版還得到了科技部出版基金委員會出版基金的資助；在此一并向他們表示衷心的感謝。
書中難免會有不妥甚至錯誤之處，懇請廣大讀者給予批評指正。
目 錄
前 言
第1章 振動利用工程學的形成與發(fā)展-------------------------------------1
1．1 引言--------------------------------------------------------1
1．2 振動機械與振動儀器及其才目關技術的應用與發(fā)展----------------4
1．3 非線性振動利用技術的應用與發(fā)展------------------------------6
1．4 波動與波育巳利用技術的應用和發(fā)展----------------------------9
1．5 電、磁、光的振蕩器在工程技術中的應用-----------------------13
1．6 自然界中的振動現(xiàn)象與振動規(guī)律及其利用-----------------------14
1. 7 人類社會中的振動現(xiàn)象與振動規(guī)律及其利用---------------------15
1．8 展望-------------------------------------------------------15
第2章 振動與波利用工程領域的若干重要成果----------------------------17
2．1 振動輸送技術的應用-----------------------------------------18
2．2 振動篩分技術的應用-----------------------------------------19
2．3 振動離心脫水技術與選分技術的應用---------------------------22
2，4 振動破碎與磨碎技術的應用-----------------------------------24
2．5 振動壓實與振動成型技術的應用-------------------------------26
2．6 振搗技術的應用---------------------------------------------28
2．7 振動夯土技術與振動沉拔樁技術的應用-------------------------30
2．8 振動診斷技術的應用-----------------------------------------31
2．9 同步理論的應用---------------------------------------------33
2．10 共振理論的應用--------------------------------------------34
2．11 滯回系統(tǒng)的應用--------------------------------------------36
2．12 沖擊原理的應用--------------------------------------------37
2．13 慢變參數(shù)系統(tǒng)的應用----------------------------------------38
2．14 混沌的應用------------------------------------------------39
2．15 分段慣性力的應用------------------------------------------40
2．16 分段恢復力的應用------------------------------------------41
2．17 水波及風波的應用------------------------------------------42
2．18 應力波或彈性波的應用--------------------------------------42
2．19 超聲理論與技術的應用--------------------------------------43
2．20 光導纖維技術與激光技術的利用------------------------------44
2．21 各種射線波的利用------------------------------------------45
2．22 振蕩理論與技術的利用--------------------------------------46
2．23 氣象領域的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用------------------------48
2．24 社會經(jīng)濟領域的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用--------------------48
2．25 生物工程及醫(yī)療設備中振動原理的利用------------------------49
第3章 振動利用技術與設備工藝過程的理論------------------------------51
3．1 直線運動振動機械物料運動的理論及工藝參數(shù)計算---------------51
3．2 圓運動和橢圓運動振動機械物料運動的理論及工藝參數(shù)計算-------79
3．3 非諧和振動機械物料運動的基本特征---------------------------89
3．4 振動離心脫水機物料運動的理論-------------------------------92
3．5 物料篩分過程的概率理論------------------------------------102
3．6 篩分方法的種類及概率厚層篩分法----------------------------112
3．7 振動機械工藝過程的動力學理論------------------------------119
第4章 線性或近似于線性的振動的利用---------------------------------122
4．1 平面運動單軸慣性式非共振型振動機械的動力學----------------122
4．2 空間運動單軸慣性式非共振型振動機械的動力學----------------128
4．3 雙軸慣性式非共振型振動機械的動力學------------------------130
4，4 多軸慣性式非共振型振動機械的動力學------------------------135
4．5 慣性式近共振型振動機械的動力學----------------------------139
4．6 單質(zhì)體彈性連桿式近共振型振動機械的動力學------------------144
4．7 雙質(zhì)體彈性連桿式近共振型振動機械的動力學------------------146
4．8 多質(zhì)體彈性連桿式近共振型振動機械的動力學------------------151
4．9 諧波電磁力的電磁式近共振型振動機械的動力學----------------154
4．10 非諧波電磁力的電磁式近共振型振動機械的動力學-------------159
第5章 非線性振動的利用---------------------------------------------166
5．1 引言------------------------------------------------------166
5．2 光滑非線性振動系統(tǒng)的利用----------------------------------171
5．3 分段線性非線性振動系統(tǒng)的工程應用--------------------------177
5．4 含滯回非線性作用力的振動系統(tǒng)的利用------------------------187
5．5 自激振動系統(tǒng)的應用----------------------------------------194
5．6 帶有沖擊的非線性振動系統(tǒng)的工程應用------------------------196
5．7 頻率俘獲原理的工業(yè)應用------------------------------------199
5．8 含非線性慣性力項的非線性振動系統(tǒng)的利用--------------------218
5．9 慢變參數(shù)非線性振動系統(tǒng)的利用------------------------------223
5．10 混沌的利用-----------------------------------------------227
第6章 波及波能的利用-----------------------------------------------237
6．1 潮汐能的利用----------------------------------------------237
6．2 海浪能的利用----------------------------------------------239
6．3 振動采油技術中應力波的利用--------------------------------240
6．4 在結(jié)構(gòu)健康診斷中應力波的利用------------------------------258
6．5 聲波的利用------------------------------------------------285
6．6 超聲波的利用----------------------------------------------292
6．7 電磁波與光波的利用----------------------------------------314
第7章 電磁振蕩器的理論及應用---------------------------------------330
7．1 引言------------------------------------------------------330
7．2 電磁振蕩器的結(jié)構(gòu)與原理------------------------------------332
7．3 電磁振蕩器的理論基礎--------------------------------------350
7．4 電磁振蕩器的科學與工程應用--------------------------------355
第8章 自然界與人類社會中的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用-----------------369
8．1 氣象學中的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用------------------------370
8．2 潮汐的周期性振動及其利用----------------------------------376
8．3 其他自然現(xiàn)象的振動規(guī)律及其利用----------------------------380
8．4 某些經(jīng)濟系統(tǒng)的振動現(xiàn)象及其振動規(guī)律的利用------------------383
8．5 股市波動規(guī)律及利用----------------------------------------391
8．6 人類自身的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用------------------------401
8．7 展望------------------------------------------------------408
參考文獻------------------------------------------------------------410
