关于机械不稳定与共振

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机械不稳定是自激振动现象，其发生在机加工、制造和流程工业中，虽然不常见，但是不稳定可能导致破坏性的振动水平和高成本损失。

我们听说过塔科马峡谷大桥灾难，这座吊桥在完工5个月之后，于1940年11月被风引起的高幅振荡灾难性毁坏。很多人相信它是由于共振激励导致的，但真正的根源是机械不稳定，即一种自激振动现象。

其它类型的自激振动问题包括：空气机械（飘动）、转子动力（失速、分离）、空气热动力（火焰不稳定）和反馈网络（电机，液压，气动）。

自激振动问题开始自发地产生振动，其突出的特性是系统的结构振动与过程或结构的关键组件的振荡之间存在的反馈机制，当这个反馈回路不稳定时，振幅随时间增加，有时达到破坏性水平。

对于塔科马峡谷大桥，在桥的横向振动和由风在桥上注入的空气动力之间存在一个不稳定的反馈环。就是说，空气动力作为桥振动的函数变化，反之亦然，随着振动速度幅值增加，空气动力也增加，反馈环不稳定在于空气动力和桥的振荡随时间而相互增强。最后，振幅之大致使桥中央毁坏。

不稳定的识别

机械不稳定的识别需要结合结构动力学知识仔细分析结构的振动特征，机械不稳定产生如下不寻常的振动特征：

1. 间歇性高振动

不稳定产生相对于“正常”水平非常高的振动发作，在不稳定状态，运行振动可能比稳定状态高出几百倍，通常呈现似乎是振动“开”或“关”。

2. 不存在周期性的激励

由于不稳定是自发产生的，它们通常在缺乏周期性振源的情况下发生，维持不稳定性的交变力是由不稳定性本身产生的，不需要外部力。没有周期性激励源表明可能是不稳定性问题。

3. 振幅随时间变化很大

不稳定通常产生大的振幅变化，振幅可能相对快速地升高或降低一个数量级。例如当运行在不稳定状态时，一个系统的振动在小于5秒内从1.27mm/s升高到76.2mm/s。

4. 非同步纯音调振动频率

不稳定通常发生在系统中旋转部件转速的非整数倍，但也不总是如此（例如压延机条纹），非同步振动可能指示问题不是共振激励。

5. 振动对转速、负荷或其它过程参数敏感

不稳定对工况包括转速极其敏感，不稳定可能通过改变一个过程变量仅仅几个百分比被触发或终止。

6. 主要振动频率接近结构的固有频率

不稳定通常与结构的固有频率有关，这是因为不稳定最容易发生在结构对系统中的主要强迫函数是动态柔性的情况下，由于固有频率导致动态柔性，不稳定会发生在相近的频率。

7. 存在一个机械反馈机制

不稳定需要反馈，所有机械不稳定具有一个固有的存在于结构振动与过程的某个关键组件的变化之间的反馈机制。有时，这个反馈机制不是即刻显见的，将需要对过程和设备的深度研究。如果存在这样一个机制，则极有可能是不稳定。

不稳定性与共振

上述几个特征中有几个是不稳定独有的，如存在一个反馈机制和在没有激励源的情况下存在高的纯音调振动。然而，不稳定与共振有一些共同的特征，例如二者都对工况（如转速）敏感，都发生在结构固有频率附近。尽管有这些相似，不稳定与共振是截然不同的现象，我们将对二者进行比较。共振是在或接近结构的固有频率运行导致的高振动，它是一个强迫振动问题，可以由如下图表示。

假定系统是线性的，振幅直接激励力的大小，因此，如果力增加一倍，振动幅值也增加一倍。同样，振幅直接正比于柔性函数在激励频率的幅值，如果系统的柔性增加一倍（即系统刚度减小一半），振幅增加一倍。

相比之下，虽然不稳定通常与固有频率相联系，但是它不是由固有频率引起的。不稳定性的根源是反馈机制的存在，它在系统中建立了不稳定的反馈回路。不稳定总是包含反馈机制，可以用下图表示。

对于不稳定，振幅主要是系统稳定性的函数，振幅不必受激励力的存在、大小或结构的柔性影响，问题在于系统是否稳定。在不稳定状态，振幅可以高出稳定状态几百倍。

共振是一个受迫振动问题，需要一个接近结构固有频率有相当能量的交变力。这个力独立于运动，当运动停止时力仍存在。如果激励源的频率和固有频率足够分开，可以消除共振。

不稳定是自激的，维持运动的交变力由运动本身产生和控制，当运动停止，力也消失。不稳定需要能量，但是能量的频率成分是不重要的，减小或消除激励源对问题几乎没有影响，因为不稳定性不是由外部的交变力引起的。

下表总结了共振和不稳定性之间的相似性和差异。

来源：普迪美状态监测微信公众号（ID：bpdm-cm）