机械振动（防爆振动电机）理论及工程应用

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一、绪论
　　1.1振动学的发展
　　振动学科是20世纪后半期逐渐形成和发展起来的一门新学科。目前正处在迅速发展过程中，由于该学科所涉及的有关技术与工业生产及人类生活联系十分密切，它能为社会创造重大的经济效益和社会效益，能为人类生活提供极大的方便和良好的服务，目前已成为人类生产活动与生活过程中一种不可缺少的手段与必要的机制。国内以闻邦椿院士为首的科研团队一直以极大的精力从事这一领域的研究，在振动利用工程这一学科的多个领域取得了一系列的研究成果，促进了该学科的形成与发展。自然界和人类社会中的某一个量随时间或大或小的变化即称为振动。振动是物质世界运动的一种基本形式，物质世界中的每一个物体及其中的每一个分子都始终处于振动之中。毫无例外，人类自身的每一器官也每时每刻都处在振动之中，例如，心脏的搏动、血液的循环、肺部的张缩呼吸、脑细胞的思维以及耳膜的振动和声带的振动等，前面所列举的这些振动都有人体对振动的有效利用；离开这些振动人类就无法生存。从人类的生活及周围工作环境来说，也到处在利用振动。例如电视机和收音机中的振荡电路、门铃、电话机、机械表与电子表、挂钟、理发用电推子、各部门使用的各种类型的振动机、光导纤维通信技术、医疗设备中的彩超、医用CT，和核磁共振、机械设备与结构故障的振动诊断技术等等都是对振动与波动原理的实际应用，都属于振动利用的范畴；从广义的角度来看，在社会与经济生活中，例如，人口的增长与衰减、农作物虫灾发生的周期性现象、股市的升跌和振荡、社会经济发展过程中速度的增长与衰减等，都可以归纳为不同形式的振动；在自然界及宇宙中，也到处存在着振动，月亮的圆缺、潮汐的涨落、树木的年轮、一些树木和花草年复一年的发芽、生长与枯萎等等。对这些振动和波动现象进行研究，找出其内在规律，并进行有效的利用，就会对社会产生重大的社会效益与经济效益，为人类造福。
　　利用振动原理的设备来说，目前成功应用于工矿企业的该类设备举不胜数，在许多部门，如采矿、冶金、煤炭、石油化工、机械，以及在人类日常生活过程中，数以万计的振动机器和振动仪器已用来完成许多不同的工艺过程，如给料、上料、输送、筛分、布料、烘干。这些机器包括振动给料机、振动输送机、振动整形机、振动筛、振动离心脱水机、振动干燥机等。除利用线性振动原理和非线性振动原理外，线性与非线性波也得到了广泛的应用。例如，在工程地质部门，利用振动所发生的应力波进行检测和地质勘探；在石油开采中，利用振动所引发的弹性波提高原油产量；在海洋工程方面，海浪波动的能量可以用来发电；在医疗方面，利用超声波等诊断和治疗疾病，彩超、医用CT和核磁共振等，都是对振动与波动原理的实际应用；超声还在其他许多行业具有广泛的用途；光导纤维和激光的应用是光波工程应用的范例，具有十分重大的理论意义与实际价值。回顾以往的历史，我们可以看到振动与波的利用曾促使一些科学技术领域与产业部门发生重大的变革，甚至引发某一领域或产业部门产生新的革命，如自同步理论的提出与研究成功地促进了惯性振动机结构与相应的制造产业的重大变化；可控电磁振动给料设备的成功应用促使某些工业企业自动化程度明显提高；振动压路机和具有振动机构的摊铺机的成功应用，使高速公路的修建质量及使用寿命得到保证与提高；石英振荡器的研究成功引发了钟表工业的革命；超声电机的研制成功使小尺寸、小功率、低转速电机的产业产生重大的变革；彩超与医用CT的研究成功使医疗检测与诊断技术产生了革命性的变化；光导纤维的研究成功促进了通信技术的革命。由此可见，振动与波的利用技术对于人类的生产活动有着很大的关联。
　　1.2 振动利用中的若干新工艺理论与技术
　　研究了振动工程中若干工艺理论， 并将结果应用于生产中。
　　(1) 物料在振动平面上及振动锥体内运动的理论：研究了直线运动、圆周运动及椭圆运动的各类振动工作面上及锥体内的物料滑行运动和抛掷运动的理论，进而提出了防爆振动电机运动学和动力学参数及工艺参数的计算方法；
　　(2) 物料筛分过程的理论：结合中国企业部门的需要，研究了物料筛分过程的理论。在此基础上，研究出了一种新的概率-等厚筛分的方法，并将其应用于新型筛分机械中，并在一些企业中获得了成功应用；
　　(3) 振动压实过程中振动摩擦的理论，首先提出了带有间隙的滞回系统的新模型。在振动情况下，物料与工件之间的摩擦、松散物料内部的摩擦都会明显的减小，在振动沉桩和振动压实过程中都是如此，因此,通过研究提出了振动摩擦的概念，并在这一问题的理论与试验的研究中，取得了一些初步的结果；
　　(4) 利用非线性动力学理论研究了物料的结合质量和当量阻尼。在研究含分段惯性力的非线性振动系统理论的基础上，分析了物料在振动平面上的运动特性，进而计算出在该振动系统中物料的结合系数及当量阻力系数，这为振动机械产品设计提供了有用的参考。
　　1.3 振动机械及其相关技术的应用与发展
　　振动机械（防爆振动电机）作为一种特殊的设备或装置已在工业生产中得到广泛的应用。振动机械或仪器有着广泛的用途，例如给料和输送、筛分和烘干、破碎和清理、成型和压实、振捣和打拔、试验和测试、监测和诊断以及其他用途等。据初步统计，振动机械和仪器的用途和种类已达百余种，下面举出了振动机械的主要用途。
　　1.3.1振动干燥工艺
　　干燥式工业生产中一个复杂的工艺过程，该工艺是近十几年来振动利用工程发展的一项新技术。振动流化床是在普通流化床基础上发展起来的，床层除受干燥气流作用外，再附加振动作用，使之处于流化状态下进行干燥，在流化床上施加振幅和频率一定的振动，使得机内物料处于悬浮沸腾的流化状态的床层结构，利用对流、传导或辐射加热即可进行振动流化干燥作业。振动流化干燥机有多种形式，惯性式振动干燥机在实际应用中最为普遍。
　　1.3.2 振动破碎机的应用
　　物料的破碎式工矿企业应用较广的一种工艺过程，大部分开采出的矿物原料需要进行破碎和磨碎。传统的破碎机的破碎方法存在很大的局限性。例如，物料的抗压强度极限达2×108Pa时，破碎过程耗能较高，或难以破碎，或使物料过磨，所用设备业很复杂。振动破碎工艺的发展则可克服传统工艺的缺点，惯性振动圆锥破碎机利用偏心块所产生的离心力来破碎矿石或其他物料，利用挤压和冲击技术使物料破碎。惯性振动圆锥破碎机的破碎比远大于普通破碎机，而且可在很大范围内调节，在中细作业中有广泛的应用前景。
　　二、单防爆振动电机振动给料机的发展与应用
　　由一台防爆振动电机驱动的单电机振动给料机，作为一种新型的给料设备，目前在建材、化工等行业得到了广泛的应用。特别是在一些水泥厂的改建、扩建工程中，大量的采用单电机振动给料机，代替传统的电磁振动给料机，取得了满意的效果。   图2-1为单电机振动给料机的结构示意图。该机构主要由前、后减震弹簧，给料槽体及振动电机三部分组成。两组大小相同的偏心块，分别安装在振动电机转子轴的上下两端。当转子回转时，以偏心块产生的离心力作为激振力源，使槽体产生振动。在振动的作用下，槽中的物料将连续不断的向排料端流动，从而完成输送给料的要求。
　　与传统的电磁振动给料机相比，单防爆振动电机振动给料机具有下述优点：重量轻；相同规格，相同给料能力的两种给料设备，单电机振动给料机重量只是电磁给料机重量的40%-50%；结构简单。
　　三、线性振动基本理论
　　对于商用车传动系统的振动分析，基本采用振动理论，包括单自由度线性振动、多自由度线性振动、随机振动等，以及一些工程上常用的隔振方法的应用。本章将介绍单自由度、多自由度的线性振动系统振动的基本理论和隔振的基本原理，分析振动传递率曲线和振动表达式，寻找消除或降低振动的途径。
　　四、展望
　　在振动利用工程的发展过程中，研究了双激振器的同步理论，促进了同步理论的应用与发展深入研究振动同步理论，并将振动同步理论扩展到控制同步、复合同步与广义同步。深入研究了机械系统的振动同步理论，除了研究并提出平面运动自同步振动机、空间运动自同步振动机同步运转的同步性判据及同步运转状态的稳定性判据以外，还研究了以下一些同步理论问题：
　　① 提出了激振器偏转式的自同步振动机的同步性判据和同步状态的稳定性判据；
　　② 提出了倍频同步自同步振动机的同步理论；
　　③ 研究了振动同步传动的理论；
　　④ 将同步理论扩展到控制同步和广义。  
    在初识经济的年代，“振动利用工程”将台在提高人民的物质与文化生活水平过程中发挥其应的有积极作用。随着科技的发展，振动利用的研究和应用早已跨出了机械工程领域，扩展到了建筑工程、矿业工程、化学工程等诸多工程领域，并将经典力学、非线性力学、振动学与机械学、电机学、材料学、自动控制、信号分析、图象处理等诸多学科紧密结合，形成了多学科互相交叉渗透的局面。由于振动现象的广义化，振动利用更延伸到了生物、农业以及社会经济领域，使得振动利用的范围大大扩展，诸多工程学科的结合体又将与生物学、农业科学、医学、经济学等学科，在更大的范围形成交叉互动。   振动在国民经济中应用越来越广泛，涉及面很广，并日益受到人们的重视。振动利用的实例很多，这里不再一一列举。振动利用的发展充实了振动利用工程学科的内涵，说明人们已经由认识振动进展到利用振动来改造世界、改善生活、创造价值，这是一个非常重要的转变，它将给振动利用工程带来一个美好的前景。
　　为了今后更好地促进这一学科的发展，以便使它能更好地造福人类，应从以下几个方面开展进一步的研究：
　　①应该大力开展“振动利用工程”实际应用的研究与开发工作，其研究范围不应只限于工程技术颔域, 还扩展到人民生活和社会经济领域之中；
　　②在研究振动技术实际应用的基础上，深入开展振动利用工程基础理论与工作机理的研究，为此，必须加强非线性振动与波动理论，其中包括非线性理论的解析方法与数值方法、非线性振动的稳定性以及非线性振动系统的分叉与混沌，研究分形理论与突变论在振动利用工程中应用等；
　　③要加强振动技术与信息技术，即多媒体技术、集成电路技术、光导纤维技术、网络技术和人工智能技术的结合，使振动利用工程成为一种以智力为依托的高新技术，并将振动利用工程有关产业成为一种高新技术产业，在不断创新的思想的指导下促进其不断发展；
　　④从系统工程角度出发来开展振动利用工程学的宏观和微观的研究。  
    为了进一步促进这一学科的发展，有必要从系统工程角度，对该学科的理论基础、该领域有关技术的开发和应用，开展深入的研究，并通过学科交融等方式，进一步提高相关技术的理论水平及技术水平，使其成为人类生产活动和生活过程中不可缺少的手段和必要的机制，并造福人类。
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