共同认识“受迫振动”

holyshitone

笔者应该是进了大学，才有映像接触“受迫振动”这个概念。这两天一查资料，发现现在的高中物理，就有“受迫振动”相关的实验课程。时代不停地在进步！

我们今天来聊一下“旋转机械的受迫振动”。

01、旋转机械

我们首先需要定义“旋转机械”。

旋转机械，是指依靠旋转运动完成特定功能的机械，典型的旋转机械有汽轮机、燃气轮机、离心式或轴流式压缩机、风机、泵、水轮机、发电机和航空发动机等等，当然也包括中间可能存在的增速或减速齿轮箱等。

旋转机械，把其它形式的能量转换为旋转机械能。汽轮机和燃气轮机的能量来源是化学热能；水轮机利用的是水的势能。然后，日常生产和生活中，我们遇到最多的是电（动）机，将电能转化为旋转机械能。

02、受迫振动

“受迫振动”是相对“自由振动”而言的。

系统在外力的作用下，离开平衡位置后，就能自行按其固有频率振动，而不再需要外力的作用，这种不在外力的作用下的振动称为“自由振动”。

振动系统在周期性的外力作用下，其所发生的振动称为“受迫振动”，这个周期性的外力称为驱动力。受迫振动也称强迫振动。

物体的“受迫振动”达到稳定状态时，其振动的频率与驱动力频率相同，而与物体的固有频率无关。

高中物理实验，有一个“受迫振动”的演示教具，如上图所示。一个弹簧质量系统，挂在一个摇杆上。弹簧质量系统的固有频率有公式可以计算。

其中，k是弹簧的刚度系数，单位为N/m；m是物体的质量，单位为Kg。

如果固定摇杆，把质量块下拉，然后松手，弹簧质量系统将按照公式中计算出的固有频率，上下振动。

此时，摇动摇杆，经过一段适应时间后，会发现，弹簧质量系统振动的频率，会依照摇杆摇动的速度。这时候，弹簧质量系统就是受迫振动了。

03、旋转机械的受迫振动

作为旋转机械系统，其绝大部分的振动模式有着非常鲜明的特色，就是“受迫振动”。

对于旋转机械系统，如果有振动，寻找是什么外力强迫其振动，并且识别出这个周期性外力，就是振动分析和故障诊断的主要任务。

细数旋转机械系统可能存在的周期性驱动外力，我们可以列举出以下这些：
  · 转子不平衡，导致的离心力
  · 滚动轴承故障，出现冲击脉冲
  · 轴不对中，导致的径向或/和轴向的力
  · 轴弯，导致的力
  · 偏心轮，导致的离心力
  · 交流电，导致的电磁效应

这些周期性的驱动外力，作为典型的故障模式，会逐一进行讨论。

当然，会有例外突发的振动，比如叶片断裂导致的振动。