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振動機械的近期發(fā)展與展望

振動機械的近期發(fā)展與展望轉載自東北大學 聞邦椿院士
 

0,振動機械的發(fā)展現(xiàn)狀
1,振動機械學的內涵及分類
2,振動機械的理論與技術的新成果曾引發(fā)多次重
大革命或重大變革
3,振動機械的發(fā)展
研究并提出了許多新原理,新機構,新模型,
新理論,新方法,新技術,研制了新機器,
最后創(chuàng)建了"振動利用工程"新學科.
00,展望
振動機械的近期發(fā)展與展望
0. 振動機械的發(fā)展現(xiàn)狀
振動機械的近期發(fā)展與展望
振動機械的近期發(fā)展與展望
0. 振動機械的發(fā)展現(xiàn)狀
0.2 振動工程是關系到我國國民經濟發(fā)展的重大課題

振動可分為有用振動和有害振動兩大類

有用振動:很多機械設備為了提高工效都要利用振動,如冶金及煤炭工業(yè)中的大型振動篩, 高速公路建設中的振動壓路機與攤鋪機等 (振動壓路機可使高速公路路面密實度由 90%提高到96%, 公路的壽命約可延長 20%以上, 每公里高速路費用為2000萬元,100公里高速路可節(jié)約 4億元).
有害振動:如汽輪機, 大型離心壓縮機,核電站主泵,燃氣輪機,航空發(fā)動機等重大裝備,一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定的振動,輕則會影響工作效果和質量,重則會發(fā)生機毀人亡的慘劇(大同,秦嶺,阜新三電廠20萬kW機組毀機事故,每次損失都高達數(shù)億元人民幣).

振動機械的近期發(fā)展與展望
0. 振動機械的發(fā)展現(xiàn)狀
0.3 研究振動利用工程是一項迫切任務
振動的研究分為振動理論,振動控制與振動利用
三個方面.
我們的科研團隊, 經過20多年的不懈努力, 完成
了國家和橫向項目等30余項課題, 研究并提出了新理
論和新技術,研制了多種新機器,最后創(chuàng)建了新學科.
我從1955年開始研究振動機械,當時來了一位蘇
聯(lián)專家格.依.索蘇諾夫,我和王峰都是研究生,到現(xiàn)
在已經52年頭了,當時在蘇聯(lián)振動機械是國際領先的.
振動篩有奧列夫斯基,振動破碎機有隆德克維斯特.
振動與波在工程中的應用及其控制

振動機械的發(fā)展
1 振動機械學的內涵及分類;
2 振動機械的理論與技術的新成果曾引
發(fā)多次重大革命或變革;
3 振動機械的發(fā)展:
研究并提出了新原理,新機構,新模
型,新理論,新方法,新技術,新機器,
最后創(chuàng)建了新學科.
振動機械的近期發(fā)展與展望
振動與波在工程中的應用及其控制
1 振動機械學的內涵及分類
振動機械的近期發(fā)展與展望

圖1 振動機械的分類

慣性式非共振類振動機
慣性式線性近共振雙質體振動機
慣性式非線性近共振雙質體振動機
彈性連桿式近共振雙質體振動機
電磙式近共振雙質體振動機
非線性振動的利用
線性振動的利用
彈性連桿式近共振多質體振動機
運動軌跡為直線
運動軌跡為圓周
運動軌跡為橢圓
齒輪強迫同步的
振動同步或自同步的
振動破拱
振動布料
振動給料
振動輸送
振動提升
振動排隊
振動混合
振動裝料
振動壓實
振動料斗
輸送給料類
篩分選別類
冷卻干燥類
成型密實類
破碎粉磨類
振動分類
振動離心脫水
振動冷卻
振動選別
振動整形
振動篩分
振動重力脫水
振動干燥
振動成型
共振篩分
振動密實
振動冷凍
振動中碎
振動光飾
振動球磨
振動破碎
振動碎冰
1 振動機械學的內涵(a)(10大類,54種用途)
振動利用工程的應用與發(fā)展
樁基檢測
振動
測量儀
振動勘探
振動平衡
振動測量
振動診斷
振動監(jiān)察
附著振搗
插入振搗
振動搗固
振動沉樁
振動攤鋪
振動壓路
振動夯土
振動裝載
振動犁耙
振動鏟斗
振動熨平
振動拔樁
振動錘鍛
振動鉆探
振動碎石
振動鑿巖
振動清理
振動
疏通
振動清砂
振動落砂
清理疏通類
振搗打拔類
犁鏟裝載類
鉆探鑿巖類
測量診斷類
1 振動機械學的內涵(b)(10大類,54種用途)
振動機械的確良近期發(fā)展與展望
2 振動機械的理論與技術的新成果曾
引發(fā)多次重大革命或變革
a)理論上的創(chuàng)新:
1)同步理論的利用 2)共振的利用
3)非線性振動的利用 4)自激振動的利用
振動機械的近期發(fā)展與展望
b)技術上的發(fā)明:
1)可控整流電磁激振技術 2)慣性振搗技術
2)振動壓實技術 4)振動檢樁技術
5)超聲電機 6)振動診斷技術
創(chuàng)新:原始創(chuàng)新,集成創(chuàng)新和引進消化吸收后再創(chuàng)新

目前我國不少企業(yè)也在創(chuàng)新,也在爭國際領先.多數(shù)在爭生產的機器尺寸最大的,就是國際領先,我以為還應該從技術含量上爭取國際領先.
如德國的振動篩重量輕,恐怕暫時我國那個企業(yè)沒法超過它,如果以后有誰能超過它,可以說國際領先.

振動機械的近期發(fā)展與展望
振動機械的近期發(fā)展與展望
3 振動機械的發(fā)展
(數(shù)十人,20多年,10多著作,500多部論文,研制了10余種新機器)
在以下八個方面開展了原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新的研究:
(1) 研究了新原理,如概率等厚篩分新原理
(2) 發(fā)明了新機構,如激振器偏轉式新機構
(3) 建立了新模型,如間隙滯回系統(tǒng)新模型
(4) 發(fā)展了新理論,如振動同步傳動新理論
(5) 提出了新方法,如產品綜合設計新方法
(6) 研制了新機器,如慣性共振概率新篩機
(7) 研發(fā)了新技術,如振機彎振預防新技術
(8) 創(chuàng)建了新學科,如振動利用工程新學科
最終目標:在國際上首先創(chuàng)建振動利用工程新學科

振動機械的近期發(fā)展與展望
3 振動機械的發(fā)展 (1)新原理

提出了若干新的工藝原理與技術
1) 研究物料在振動平面上及振動錐體內運動機理

2) 研究了物料篩分過程理論,如概率等厚篩分法

3) 研究了振動壓實過程中的振動摩擦的理論問題

4) 研究了物料的結合質量和當量阻尼的計算原理
已在《振動機械的理論與動態(tài)設計方法》(機械工業(yè)出版社,2001)一書及相關論文中提出
振動機械的近期發(fā)展與展望
3 振動機械的發(fā)展 (1)新的篩分原理
篩分方法及篩分原理的分類
1) 普通篩分法 2) 薄層篩分法
3)概率篩分法(瑞典) 4)等厚篩分法(法國)

5) 概率等厚篩分法(中國)

我們提出了概率等厚篩分新原理,并應用于工程中
已在《振動機械的理論與動態(tài)設計方法》(機械工業(yè)出版社,2001)一書及相關論文中提出
振動機械的近期發(fā)展與展望
3 振動機械的發(fā)展 (2)新機構

1) 慣性共振式雙質體近共振新機構(圖2)
2) 激振器偏轉式雙質體二次隔振自同步非共振新
機構(圖3)
3) 軟式與硬式組合的雙質體復雜分段線性非線性
的近共振的新機構(圖4)
4) 內外錐組成雙激振器用于破碎的新機構(圖5)
5) 不對稱彈性力的雙質體非線性近共振新機構
(圖6)
6) 振動同步傳動的自同步新機構(圖7)
已在《振動機械的理論與動態(tài)設計方法》(機械工業(yè)出版社,2001)一書及相關論文中提出
振動利用工程的應用與發(fā)展
3 振動機械的發(fā)展 (2)新機構
1) 慣性共振式雙質體近共振新型機構(圖2)
2) 激振器偏轉式自同步非共振新機構(圖3)
圖2 慣性共振式近共振新機構
圖3 激振器偏轉式自同步非共振新機構
已在《振動機械的理論與動態(tài)設計方法》(機械工業(yè)出版社,2001)一書及相關論文中提出
3)軟式與硬式組合的復雜分段線性非線性的近共振新機構,圖4
4)內外圓錐組成雙激振器用于破碎的新機構,圖5
圖4 軟式硬式組合非線性近共振新機構
圖5 內外圓錐組成雙激振器新機構
已在《振動機械的理論與動態(tài)設計方法》(機械工業(yè)出版社,2001)一書及相關論文中提出
(2) 新機構
(2)新機構
5)不對稱彈性力的雙質體非線性近共振新機構(圖6)
6)振動同步傳動的自同步非共振系統(tǒng)的新機構(圖7)
圖6 不對稱彈性力的非線性近共振新機構
圖7 振動同步傳動的自同步非共振新機構

已在《振動機械的理論與應用》(機械工業(yè)出版社,1982)一書及相關論文中提出
12
振動機械的近期發(fā)展與展望
(3)新模型
1) 提出了慣性力項為非線性的動力學模型
2) 提出了不對稱軟式分段線性動力學模型
3) 提出了硬軟式復合分段線性動力學模型
4) 提出了高次諧波頻率俘獲的動力學模型
5) 構建了帶間隙的滯回非線性動力學模型
6) 構建了雙參數(shù)慢變的非線性動力學模型
已在著作《工程非線性振動》(科學出版社,2007)一書及相關論文中提出
(3)新模型
圖8 不對稱分段線性振動離心機一個周期內物料的運動速度曲線
圖 9 不對稱分段落線性振動離心機非線性動力學模型
1) 提出了慣性力項為非線性的動力學模型
1) 提出了慣性力項為非線性的振動系統(tǒng)新模型
(3)新模型
在1981年于前蘇聯(lián)基輔第9屆國際非線性振動會議上提出
2) 軟式分段線性非線性動力學模型
(a) 彈簧搖床工程機構圖 (b) 力學模型
圖10 彈簧搖床
(3)新模型
2)軟式分段線性非線性彈簧搖床的動力學方程

(3)新模型
2)幅頻曲線與試驗測得的振動曲線
.

(a) 正常運轉曲線
圖11 幅頻曲線 (b) 停機時的振動曲線
圖12 試驗測得的振動曲線
(3)新模型
圖13 非線性慣性式共振篩的
結構
圖14 非線性慣性式共振動篩
的共振動曲線
(3)新模型
3) 提出了硬軟式復合分段線性動力學模型
4) 帶間隙的滯回系統(tǒng)的振動曲線

圖15 雙向間隙的滯回系統(tǒng) 圖16 振動破碎機械的動力學模型
11
(3)新模型
4) 帶間隙的滯回系統(tǒng)的運動方程式

(3)新模型
4) 最大Lyaponov指數(shù)與分岔圖
(a) 最大Lyaponov指數(shù) (b) 分岔圖
圖17 當2 ω∈( 0.3,1.7) 時的非線性動力學特性
(3)新模型
(3)新模型
5)基頻與倍頻的頻率俘獲
圖18 基頻與倍頻的頻率俘獲
3
2
1
0
w/ v 3 max
v
w/v
2s
3s
1s
w/ v 3 min
w/ v 2 max
w/ v 2 min
w/ v max
w/ v min
在1981年于前蘇聯(lián)基輔第9屆國際非線性振動會議上提出
6)慢變參數(shù)系統(tǒng)的利用
圖19 系統(tǒng)剛度具有不同變化速度kd時瀑布圖
a) kd=0 b) kd=5 c) kd=10 d) kd=15 e) kd=20 f) kd=25
(3)新模型
振動機械的近期發(fā)展與展望
(4)新理論

以振動同步理論為例
1) 提出了激振器偏轉式的自同步振動機的同步
性判據(jù)和同步狀態(tài)的穩(wěn)定性判據(jù)
2) 提出了出倍頻同步自同步振動機的同步理論
3) 研究了振動同步傳動的理論
4) 將同步理論擴展到控制同步和廣義同步
5) 研究了振動同步與控制同步混合的復合同步
已在《機械系統(tǒng)的振動同步與控制同步》(科學出版社,2003)一書及相關論文中提出
"振動利用工程"學科的發(fā)展
(4)新理論
1) 提出了激振器偏轉式的自同步振動機的同步性判據(jù)和同步狀態(tài)的穩(wěn)定性判據(jù)
(4)新理論
1) 提出了激振器偏轉式的自同步振動機的同步性判據(jù)和同步狀態(tài)的穩(wěn)定性判據(jù)
同步性判據(jù)
同步運轉狀態(tài)的穩(wěn)定性判據(jù)
(4)新理論
2) 提出了出倍頻同步自同步振動機的同步理論
3
2
1
0
v1/ v2 3 max
v2
v1
2s
3s
1s
v1/ v2 3 min
v1/ v2 2 max
v1/ v2 2 min
v1/ v2 max
v1/ v2 min

"振動利用工程"學科的發(fā)展
(4)新理論
3) 研究了振動同步傳動的理論
振動同步傳動實現(xiàn)的條件:
首先使兩臺振動電機獲得同
步運轉;
切斷其中一臺振動電機的電
源;
必須滿足同步性條件與同步
運轉狀態(tài)的穩(wěn)定性條件
4. 通過控制器實現(xiàn)交替供電
振動機械的近期發(fā)展與展望
(5)新方法
1) 提出了產品設計的7D總體規(guī)劃模型
即提出了以設計思想,設計環(huán)境,設計過程,設計目標,
設計內容,設計方法和設計質量檢驗等7項內容的總體規(guī)劃
2) 提出了1+3+X 綜合設計法
即提出以功能優(yōu)化設計,動態(tài)優(yōu)化設計,智能優(yōu)化設計和
可視優(yōu)化設計為核心內容的1+3+X的綜合設計方法
3) 提出了以非線性動力學為基礎的深層次動態(tài)設計方法
即提出了以非線性振動,非線性動力有限元,非線性多體
系統(tǒng)動力學為基礎的動態(tài)設計理論與方法
已在《面向產品廣義質量的綜合設計理論與方法》(科學出版社,2006)一書及相關論文中提出
振動利用工程的應用與發(fā)展
(5)新方法
1) 提出了產品設計的7D總體規(guī)劃模型
設計思想域
DI設計環(huán)境域
DE 設計目標域
DO 設計過程域
DP 設計內容域
DC 設計方法域
DM 質量檢驗域
DA 主觀能動效應
客觀環(huán)境要求
用戶信息
獲取功能
需求實現(xiàn)
功能與性能的需求實現(xiàn)
功能性能評價
全局性態(tài)規(guī)劃
一 規(guī)劃階段
二 實施階段
三 檢驗階段
4 振動利用技術的發(fā)展 (5)新方法

基于系統(tǒng)工程的產品全功能和全性能的設計規(guī)劃
面向產品廣義質量或全功能全性能優(yōu)化
設計思想
以科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新思想作指導.貫徹綠色設計,創(chuàng)新設計或基于系統(tǒng)工程的設計思想
設計目標
產品廣義質量(功能+性能)Q,C,T,E,S
擬選用全功能設計法,全性能設計法或QFD設計法等
設計質量檢驗
擬選用產品質量可靠性評估方法,模糊評估法,價值評估法或系統(tǒng)工程評估法等
設計方法
擬選用優(yōu)化設計,可視化設計,虛擬設計,數(shù)字化設計,智能設計,協(xié)同設計,并行設計,網(wǎng)絡設計或集成設計等
設計環(huán)境
要充分考慮產品的設計環(huán)境對產品設計提出的要求如政治,經濟,社會,人文和法律環(huán)境的要求
設計內容
擬選用功能設計,結構設計,參數(shù)設計,動態(tài)設計,強度設計,傳動設計,造型設計,摩擦學設計或控制系統(tǒng)設等
設計過程
由用戶需求,產品功能優(yōu)化,性能優(yōu)化,工藝優(yōu)化及產品檢驗等組成的五個過程
圖21 產品設計的 7D 總體規(guī)劃模型(60多設計法都可以找到它們自己的位置)
振動利用工程的應用與發(fā)展
(5)新方法
2) 提出了1+3+X 綜合設計法
機械產品深層次的(1+3)+X 綜合設計法的內容與特點
現(xiàn)代機械動態(tài)優(yōu)化設計
動態(tài)優(yōu)化設計
動態(tài)可靠性設計
工作參
數(shù)智能控制
工作過程智能控制
產品裝配可視化設計
工作過程可視化
圖22 現(xiàn)代機械產品的 1+3+X 綜合設計法的內容與特點
X:依據(jù)產品特點而應該采用的設計方法,如轎車,要考慮造型設計等
現(xiàn)代機械智能優(yōu)化設計
現(xiàn)代機械可視優(yōu)化設計
以功能優(yōu)化設計為先導的設計
振動利用工程的應用與發(fā)展
(5)新方法

3) 提出了以非線性動力學為基礎的深層次動態(tài)設計方法
1)不確定性:系統(tǒng)或工作過程中的參數(shù)是不確定的.
2)時變性:即慢變,突變,參變和滯后特性,幾乎所有的機械都處在時變情況下運行.
3)非線性特性:應考慮系統(tǒng)與工作過程中的非線性因素,不論是機械系統(tǒng),或是控制系統(tǒng), 幾乎都具有非線性的性質.
4)高維:多數(shù)機器設備的實際工作系統(tǒng)是高維的,因此,應該真實反映機器實際工作的情況,即應該考慮系統(tǒng)的高維的特性.
5)強耦合特性:多數(shù)機器設備的實際工作系統(tǒng)是強耨合的,
因此,應該真實反映機器實際工作的情況,即應該考慮系統(tǒng)的強耦合的特性.
6)多參數(shù)或多變量的特性:應考慮機器實際工作過程中的具有多參數(shù)和多變量等復雜的實際情況.
振動機械的近期發(fā)展與展望
3 振動機械的發(fā)展 (6)新技術

1)預防長距離振動輸送機產生彈性彎曲的新技術
2)保持振動機械振動穩(wěn)定的新技術
3)消除構件焊接內應力的新技術
4)防止螺釘和螺帽松動的新技術
5)防止篩孔堵塞的技術
6)提高篩面耐磨性的技術
7)二次隔振減小傳給基礎振動的技術
8)減少振動機起動通過共振振幅的技術
(7)新機器
振動機械的近期發(fā)展與展望

1) 激振器偏轉式大型冷礦振動篩
2) 慣性共振式概率篩
3) 20-40米長的平衡加隔振動的大長度振動輸送機
4) 新型振動壓路機
5) 大寬度新型攤鋪機
6) 750噸振動沉拔樁機
7) 實現(xiàn)振動同步傳動的自同步振動給料機
8) 雙激振器自同步振動破碎機
1) 激振動器偏轉式大型冷燒結礦振動篩
(已生產200多臺,在10多個冶金企業(yè)應用,節(jié)省外匯上億元人民幣)
圖23 激振器偏轉式大型冷燒結礦振動篩
創(chuàng)新點:發(fā)明了偏轉式自同步激振器,為國際首創(chuàng),機器高度約可降低1米左右
1) 激振動器偏轉式大型冷燒結礦振動篩
(已生產200多臺,在10多個冶金企業(yè)應用,節(jié)省外匯上億元人民幣)
圖24 激振器偏轉式大型冷燒結礦振動篩
創(chuàng)新點:發(fā)明了偏轉式自同步激振器,為國際首創(chuàng),機器高度約可降低1米左右

2) 慣性共振動式概率篩
(已在電力,冶金等部門獲得成功應用)
圖25 慣性共振式概率篩
1-慣性共振式激振器 2-隔振彈簧 3-篩箱 4-篩面
該篩為雙按質體系統(tǒng),工作在近亞共振的工況下, 利用慣性近共振與概率篩分相結合的原理原理, 實現(xiàn)了集成創(chuàng)新,使其單位面積產量為普通篩機的 5 倍.
該篩曾獲國際發(fā)明博覽會"尤里卡"金獎.
1
2
3
4
圖26 彈簧隔振平衡式長距離振動輸圖
1-上槽體 2-下槽體 3-鉸鏈支承架 4-剪切橡膠彈簧 5-鉸鏈
6-彈性連桿式激振器 7-支承架底架 8-隔振彈簧
3)隔振加平衡的長距離振動輸送機:長20-40米
(已在電力,冶金等部門獲得成功應用)
8
A-A B-B
該機的創(chuàng)新點是平衡加隔振動,傳給地基的動載荷很小,可安裝在建筑物上層
4)新型振動壓路機
(已在徐工集團成批生產)
創(chuàng)新點是應用我們研究得出的分段慢變與雙參數(shù)慢變的非線性動力學理論研究振動壓實過程,并采用調節(jié)工作頻率的方法使該機獲得最佳的工作點.
5)攤鋪機的新型振動機構的研制
(已在徐工集團成批生產)
6)新型振動沉樁機
(已為香港華建公司完成設計,并已申請發(fā)明專利)
圖27 機重達750噸的新型振動樁機
利用振動原理可使 750 噸重的振動樁機來替代1200 噸重的 靜壓樁機,在同樣 工作要求的條件下 每臺機器的機重可減少 450 噸.
振動機械的近期發(fā)展與展望
3 振動機械的發(fā)展 (8)新學科

1) 提出了"振動利用工程"的新概念
2) 提出了"振動利用工程"的理論框架
3) 完善了若干分支的理論:10部著作和數(shù)百篇論文
1 《振動機械的理論及應用》, (1982,機械工業(yè)出版社)
2. 《振動篩,振動給料機,振動輸送機的設計與調試》(1989,化工出版社)
3. 《振動機械的理論與動態(tài)設計方法》( 2001,機械工業(yè)出版社,)
4. 《振動利用工程》(2005,科學出版社)
5. 《非線性振動理論中的解析方法及工程應用》(2001,東北大學出版社)
6. 《工程非線性振動》(2007,科學出版社)
7. 《機械系統(tǒng)的振動同步與控制同步》(2003,科學出版社)
8. 《面向產品廣義質量的綜合設計理論與方法》(2006,科學出版社)
9. 《產品全功能與全性能的綜合設計》(2008,機械工業(yè)出版社)
10.《產品的主輔功能及功能優(yōu)化設計》(2008,機械工業(yè)出版社)
00. 展望

1,大力加強研究振動機械理論與技術的研究, 一方面深入開展振動機械的基礎理論與工作機理的研究, 如加強非線性振動機的理論, 振動的穩(wěn)定性等, 另一方面加強實際技術的應用等,如篩面耐磨性和延長篩機壽命研究等
2,應該大力開展振動機械實際應用的研究與開發(fā)工作, 擴大振動技術的應用領域與范圍, 將振動機械廣泛應用于各個領域和各種工藝過程.
3,特別要加強振動機械技術與信息技術, 即多煤體技術,集成電路技術,光導纖維技術,網(wǎng)絡技術和人工智能技術的結合, 使振動機械的理論與技術成為一種以智力為依托的高新技術.
振動與波在工程中的應用及其控制
振動機械的近期發(fā)展與展望

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