第四课单自由度基础理论的工程应用 ●主要内容： ■学习单自由度振动的目的 ◆很多振动问题可简化成单自由度问题开展基础性研究 ◆理解振动的本质，弹性、惯性相互作用引起运动超越 ◆理解阻尼的作用机制，固有频率附近减振效果显著 ◆单自由度振动不只是在固有频率才会振动，强迫振动 ■振动隔离一定义及分类 ■振动隔离一积极隔振 ■振动隔离一消极隔振 ■振动隔离一分析及总结 ■测振传感器 ■隔振与减振什么区别？<支撑材料1> ·1.1振动隔离一定义及分类 ■有效的隔离振动是工程领域相当重要的问题。 ◆精密加工测量、芯片刻蚀需要与地面隔离： ◆加工载荷引起加工精度降低、刀具破损：<支撑材料2> ◆高精尖仪器设备一般都在负一楼，或隔振地基上运行： ◆铁路、工厂周边路面载荷明显，民不聊生，噪声影响生活： ◆有明显冲击振动环境周边不会出现精密加工厂、实验室； ◆老司机腰疼、胃不好。 ■单自由度隔振设计思路 ◆原有结构基础上，增加弹簧、阻尼环节构成单自由度振动 系统，开展弹簧、阻尼匹配研究，实现减振设计： ◆原有单自由度振动系统振动情况不理想，开展弹簧、阻尼 匹配研究，实现减振设计： 1
1 第四课单自由度基础理论的工程应用 主要内容： 学习单自由度振动的目的 很多振动问题可简化成单自由度问题开展基础性研究 理解振动的本质，弹性、惯性相互作用引起运动超越 理解阻尼的作用机制，固有频率附近减振效果显著 单自由度振动不只是在固有频率才会振动，强迫振动 振动隔离—定义及分类 振动隔离—积极隔振 振动隔离—消极隔振 振动隔离—分析及总结 测振传感器 隔振与减振什么区别？<支撑材料 1> 1.1 振动隔离—定义及分类 有效的隔离振动是工程领域相当重要的问题。 精密加工测量、芯片刻蚀需要与地面隔离； 加工载荷引起加工精度降低、刀具破损；<支撑材料 2> 高精尖仪器设备一般都在负一楼，或隔振地基上运行； 铁路、工厂周边路面载荷明显，民不聊生，噪声影响生活； 有明显冲击振动环境周边不会出现精密加工厂、实验室； 老司机腰疼、胃不好。 单自由度隔振设计思路 原有结构基础上，增加弹簧、阻尼环节构成单自由度振动 系统，开展弹簧、阻尼匹配研究，实现减振设计； 原有单自由度振动系统振动情况不理想，开展弹簧、阻尼 匹配研究，实现减振设计；
◆原有单自由度振动系统振动情况不理想，需要进一步增加 自由度振动系统，这是后面学习的内容。比如，101大楼 质量球阻尼器。 ■积极隔振，本身是剑子手，主动一点儿，减小对外界影响 ■消极隔振，本身是受害者，被动挨打，希望人家仁慈一点儿 ●1.2振动隔离一积极隔振 ■本身振动冲击很大，希望振动不往外传，力不要输出给基础； ■切菜垫桌布、风机垫橡胶、发动机振动不要传递至车身等等： ■发动机振动不要传递至车身<支撑材料3>。 ●1.3振动隔离一消极隔振 ■本身要求精度很高，希望振动不往内传，不要产生振动； ■快递垫泡沫、仪器放在气浮平台上、汽车悬架、空气弹簧等 ■更尖端的主动隔振技术，反馈原理实现<支撑材料4> ■汽车振动突出，发动机不往外，地面不往里，<支撑材料5/6> ·1.4振动隔离一分析及总结 ■积极隔振，评价力幅值减振效果： ■消极隔振，评价位移幅值减振效果： ■单自由度系统，要实现质量和基础之间的力和位移影响 ◆必须频率比大于根2才有可能，就是说激励频率要大于系 统固有频率才有效果： ◆频率满足条件再考虑阻尼，大了不好，小了也不好。 ·振动隔离一测振传感器 ■测量振动的传感器类型非常多：激光测振（多普勒、反射）， 霍尔传感器、电容传感器、振动传感器等；<支撑材料7-9> ■测振传感器原理<支撑材料10、11> 2
2 原有单自由度振动系统振动情况不理想，需要进一步增加 自由度振动系统，这是后面学习的内容。比如，101 大楼 质量球阻尼器。 积极隔振，本身是刽子手，主动一点儿，减小对外界影响 消极隔振，本身是受害者，被动挨打，希望人家仁慈一点儿 1.2 振动隔离—积极隔振 本身振动冲击很大，希望振动不往外传，力不要输出给基础； 切菜垫桌布、风机垫橡胶、发动机振动不要传递至车身等等； 发动机振动不要传递至车身<支撑材料 3>。 1.3 振动隔离—消极隔振 本身要求精度很高，希望振动不往内传，不要产生振动； 快递垫泡沫、仪器放在气浮平台上、汽车悬架、空气弹簧等； 更尖端的主动隔振技术，反馈原理实现<支撑材料 4> 汽车振动突出，发动机不往外，地面不往里，<支撑材料 5/6> 1.4 振动隔离—分析及总结 积极隔振，评价力幅值减振效果； 消极隔振，评价位移幅值减振效果； 单自由度系统，要实现质量和基础之间的力和位移影响 必须频率比大于根 2 才有可能，就是说激励频率要大于系 统固有频率才有效果； 频率满足条件再考虑阻尼，大了不好，小了也不好。 振动隔离—测振传感器 测量振动的传感器类型非常多：激光测振（多普勒、反射）， 霍尔传感器、电容传感器、振动传感器等；<支撑材料 7-9> 测振传感器原理<支撑材料 10、11>
●隔振与减振有什么区别<支撑材料1> 网上搜索，隔振比诚振的搜索成功率更高。那么为什么课本上讲隔振，而 平常说减振比较多？ 个人理解：从本课内容上看，这里的隔振，指的是单自由度系统的激励与 响应之间的振动特征的“隔离”。虽说是隔离，实际上也只是响应与激励的幅值 之比，得到的也是衰减关系，没有完全隔离开。所以，本质上就是减轻振动对 需要保护的对象的影响。称为减振，也没有什么问题
3 隔振与减振有什么区别<支撑材料 1> 网上搜索，隔振比减振的搜索成功率更高。那么为什么课本上讲隔振，而 平常说减振比较多？ 个人理解：从本课内容上看，这里的隔振，指的是单自由度系统的激励与 响应之间的振动特征的“隔离”。虽说是隔离，实际上也只是响应与激励的幅值 之比，得到的也是衰减关系，没有完全隔离开。所以，本质上就是减轻振动对 需要保护的对象的影响。称为减振，也没有什么问题
·减振刀具<支撑材料2> 20世纪60年代，以Teeness为代表的刀具研究团队，已经充分证明切削产 生振动的根源：“振动可看成是切削刀具的可变挠曲，如果无挠曲，也就无所谓 振动。”导致刀具切削过程产生振动的因素有很多，主要有以下三方面：①包括 刀具在内的工艺系统刚性不足，导致其固有频率低。②切削产生了一个足够大 的外激力。③这个外激力的频率与工艺系统的固有频率相同，随即产生共振。 随者近年来难加工材料的应用和高速切削的技术推广，振动成为了提高加 工效率的的障碍之一，振动的产生直接影响了交给你个精度和表面粗糙度：使 刀具磨损加快，甚至产生崩刃，严重降低刀具寿命，振动使得机床各部件之间 的配合受损，精度下降，严重时会使切削加工无法进行。 ●刀具减振技术 材料减振。利用材料减振方法主要是使用高强度的新型材料来增加刀具质 量和静刚度来防止颤振，刚度和强度都比较大的硬质合金材料备受青睐。 阻尼减振。阻尼减振原理，主要通过增大系统阻尼系数使得振动的能量加 速损耗，达到振幅迅速衰减的目的。 摩擦减振。叶伟昌等在镗杆内部放置一重块被支承在两个弹簧中间，重块 选用密度大的材料，在镗削加工过程中，腔内组合件组成一个动态系统，该系 统在支承面上连续不断地运动，产生一种吸收镗杆振动的阻尼摩擦，可减小镗 杆的振动。类似的还有扭转摩擦减震器(Lanchester damper),它用弹簧连结系 统的主质量和附加质量。 动力减振。动力减振原理不是靠消耗能量来减振。而是利用附加质量的动 力作用，使弹性元件加在主系统的力与干扰力尽量平衡来减弱振动的。在设计 吸振器时，可根据主系统的质量和固有频率选定吸振器的质量，并进一步求出 刚度和阻尼比。根据作用方式的不同，可分为主动式和被动式两种，被动式 且被设计好固有频率，动刚度都不能改变，而主动式可以通过调节子系统改变 镗杆的动刚度，适应范围较广。 主动/伴主动减振。主动控制方法基于反馈控制的原理，检出系统目标状态 4
4 减振刀具<支撑材料 2> 20 世纪 60 年代，以 Teeness 为代表的刀具研究团队，已经充分证明切削产 生振动的根源：“振动可看成是切削刀具的可变挠曲，如果无挠曲，也就无所谓 振动。”导致刀具切削过程产生振动的因素有很多，主要有以下三方面：①包括 刀具在内的工艺系统刚性不足，导致其固有频率低。②切削产生了一个足够大 的外激力。③这个外激力的频率与工艺系统的固有频率相同，随即产生共振。 随着近年来难加工材料的应用和高速切削的技术推广，振动成为了提高加 工效率的的障碍之一，振动的产生直接影响了交给你个精度和表面粗糙度；使 刀具磨损加快，甚至产生崩刃，严重降低刀具寿命，振动使得机床各部件之间 的配合受损，精度下降，严重时会使切削加工无法进行。 刀具减振技术 材料减振。利用材料减振方法主要是使用高强度的新型材料来增加刀具质 量和静刚度来防止颤振，刚度和强度都比较大的硬质合金材料备受青睐。 阻尼减振。阻尼减振原理，主要通过增大系统阻尼系数使得振动的能量加 速损耗，达到振幅迅速衰减的目的。 摩擦减振。叶伟昌等在镗杆内部放置一重块被支承在两个弹簧中间，重块 选用密度大的材料，在镗削加工过程中，腔内组合件组成一个动态系统，该系 统在支承面上连续不断地运动，产生一种吸收镗杆振动的阻尼摩擦，可减小镗 杆的振动。类似的还有扭转摩擦减震器（Lanchester damper），它用弹簧连结系 统的主质量和附加质量。 动力减振。动力减振原理不是靠消耗能量来减振。而是利用附加质量的动 力作用，使弹性元件加在主系统的力与干扰力尽量平衡来减弱振动的。在设计 吸振器时，可根据主系统的质量和固有频率选定吸振器的质量，并进一步求出 刚度和阻尼比。根据作用方式的不同，可分为主动式和被动式两种，被动式一 旦被设计好固有频率，动刚度都不能改变，而主动式可以通过调节子系统改变 镗杆的动刚度，适应范围较广。 主动/半主动减振。主动控制方法基于反馈控制的原理，检出系统目标状态
量的变动，然后把与该状态量反相的同频率、同幅度控制量加到这个状态量本 身或作相应变动后加在别的状态量上。对于频率低的大型镗杆主动控制优势更 加突出。 ●刀具减振技术展望 到目前为止，国内的工具厂商还没有在车刀和授刀方面有大的进展，特别 是在制造长径比比较大的方面基本没有，而且内置减振系统防振刀杆方面的开 发工作也还很少。在国内也有很多高校在研制减振刀具，如浙江大学、四川大 学、燕山大学、哈尔滨理工大学、长春理工大学、北京航空航天大学、东北大 学、吉林大学、西华大学等。随着研究工作的进行，刀具的减振技术可在以下 三个方面得到发展： (1)随着智能材料研究的深入，现代控制理论应用，现代通讯技术的发展， 主动控制是未来倍受青睐的研究主题之一。 (2)半主动控制可靠性高，控制范围宽、适应性强也将成为今后研究的方 向之一 (3)精简结构，提高可控性，增强稳定性：目前镗杆上的主动或半主动控 制结构相当复杂，导致了较低的可靠性，巧妙的结构设计仍然是未来研究的主 题之一
5 量的变动，然后把与该状态量反相的同频率、同幅度控制量加到这个状态量本 身或作相应变动后加在别的状态量上。对于频率低的大型镗杆主动控制优势更 加突出。 刀具减振技术展望 到目前为止，国内的工具厂商还没有在车刀和授刀方面有大的进展，特别 是在制造长径比比较大的方面基本没有，而且内置减振系统防振刀杆方面的开 发工作也还很少。在国内也有很多高校在研制减振刀具，如浙江大学、四川大 学、燕山大学、哈尔滨理工大学、长春理工大学、北京航空航天大学、东北大 学、吉林大学、西华大学等。随着研究工作的进行，刀具的减振技术可在以下 三个方面得到发展: （1）随着智能材料研究的深入，现代控制理论应用，现代通讯技术的发展， 主动控制是未来倍受青睐的研究主题之一。 （2）半主动控制可靠性高，控制范围宽、适应性强也将成为今后研究的方 向之一。 （3）精简结构，提高可控性，增强稳定性：目前镗杆上的主动或半主动控 制结构相当复杂，导致了较低的可靠性，巧妙的结构设计仍然是未来研究的主 题之一