振动利用工程
内 容 简 介
本书主要论述作者所在科研团队长期从事振动利用工程的科学研究工作所取得的理论与实际成果，同时也吸取了国内外学者在该领域各研究分支上所取得的部分主要成果，是国内外在该科学技术领域的第一部内容全面而系统的专著。本书除建立了“振动利用工程”这一新学科的理论框架外，还从工艺理论的创新、振动机构的创新、非线性动力学理论的创新，以及这些技术的工程应用等出发，详细阐述了振动利用技术与设备工艺过程的理论、线性或近似于线性振动的利用、非线性振动的利用、波及波能的利用、电磁振荡器的科学与工程应用，以及相关的线性与非线性动力学理论和试验研究的结果。此外，还扼要举例说明了研究自然界与人类社会中的振动现象及振动规律利用的重要性及其意义。
本书可供从事振动工程，特别是从事振动利用工程的科技工作者及大专院校的研究生、高年级本科生阅读，还可供企业和技术部门的科技人员参考。
第一作者简介
闻邦椿 原籍浙江温岭，1930年9月生于浙江省杭州市。1957年东北工学院机械系研究生毕业。现为东北大学机械工程与自动化学院教授，机械电子工程研究所名誉所长，IFToMM(国际机器理论与机构学联合会)中国委员会委员，国际转子动力学技术委员会委员，亚太振动会议指导委员会委员，中国振动工程学会名誉理事长，上海交通大学“振动、冲击、噪声”国家重点实验室学术委员会名誉主任；曾任第六、七、八、九届全国政协委员，国务院学位委员会第二、三、四届机械工程学科评议组成员，中国振动工程学会理事长和《振动工程学报》主编等；现任或曾任全国20余所大学的兼职教授、顾问教授和名誉教授。1984年被评为全国第一批有突出贡献的中青年专家，1991年当选为中国科学院院士。
他系统地研究和发展了振动学与机器学相结合的新学科“振动利用工程”，还研究了转子动力学、机械系统非线性振动理论及应用、机械故障的振动诊断、机电一体化以及工程机械理论的某些问题。曾发表论文700余篇，其中SCI、EI和ISTP三大检索系统论文150余篇，有专著和主编论文集10余部。
他曾指导了100余名研究生，已有61名研究生取得了硕士学位，43名研究生取得了博士学位，还曾指导博士后5名、俄罗斯和哈萨克斯坦访问学者各一名。
他曾应邀去日本、德国、澳大利亚等国讲学，参加过在美、英、日、澳、加、意、韩、保、匈、新、马、芬、前苏联、西班牙等20余个国家召开的国际学术会议，宣读论文50余篇，并多次应邀做大会报告，还曾访问德、波、瑞士、瑞典、乌克兰、拉脱维亚、泰国、朝鲜等国。他曾主持召开国际学术会议4次，主编国际学术会议论文集4种。
他完成厂数十项国家和横向重大科研项目，包括国家自然科学基金重大项目、面上项目和973、863项目等，曾获国际奖两项，国家发明奖和科技进步奖3项，省、部、委级奖10余项，国家专利8项。有多项成果达到国际先进水平，取得厂重大经济效益和社会效益。
本书是作者及其领导的科研团队30余年参与科学研究实践所取得的重要科研成果之一。
前 言
“振动利用工程”是20世纪后半期逐渐形成和发展起来的一门新学科。目前，它正处在迅速发展过程中，由于该学科所涉及的技术与工农业生产及人类生活联系得十分密切，它能为社会创造重大的效益，能为人类生活提供极大的方便和良好的服务，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。
振动利用工程最近30多年来的发展举世瞩目。就拿振动机械来说，目前已成功应用于工矿企业中的该类机器已达到数百种之多，在许多部门，如采矿、冶金、煤炭、石油化工、机械、电力、水利、土木、建筑、建材、铁路、公路交通、轻工、食品和谷物加工、农田耕作、生物工程、信息技术等部门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成功用来完成许多不同的工艺过程。
在振动利用技术中，除利用线性振动原理和非线性振动原理外，波动与波能在许多部门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来提高原油产量；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；在电子和通信工程方面，电视机和收音机中的振荡电路、门铃、电话机、光导纤维通信技术、录音机、电视机、收音机、程控电话等诸多电子器件以及电子计时装置和通信系统使用的谐振器等都是通过振动才能有效地工作。
从广义的角度来看，在自然界及宇宙中到处存在着振动，月亮的圆缺、潮汐的涨落、树木的年轮等，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，无疑会产生重大的社会效益与经济效益，并造福于人类。
在社会与经济生活中，如人口的增长与衰减、农作物虫灾发生的周期性现象、股市的涨跌和振荡、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。
振动按其类型大致可分为：线性振动与近似于线性的振动、非线性振动、波动(水波、应力波、声波、超声波、红外波、可见光波、紫外波、各种射线波等)及电磁振荡等。因此，可将振动利用工程技术分为线性与近似于线性的振动的利用、非线性振动的利用、波动和波能的利用、电磁振荡器在工程技术中的应用、自然界和人类社会中的振动现象与规律及其利用等。
随着我国经济建设和科学研究事业的进一步发展，新用途的振动利用技术将会不断出现，它们在各个部门中的使用也将日益增多，并将发挥越来越重要的作用。为了使这类技术获得更有效的使用并促进其进一步的发展，对它们的工作理论与设计计算方法进行较系统和详细的叙述无疑是十分必要的。特别是随着现代科学技术，诸如非线性动力学理论与方法、现代设计理论与方法和计算机技术的迅速发展，应用最新的科学技术，构建起“振动利用工程”新学科的理论框架，并对振动利用技术和设备进行全面、系统的阐述，为该种技术与设备提供研究、设计的理论与方法，将是研究与开发出新的技术与设备，以及保证该类机械可靠和有效运行的重要措施和必要手段。
本书是闻邦椿教授及其所领导的科研团队经过30多年的努力所取得的科研成果的总结，其中提出的创造性成果有：
1)构建了“振动利用工程”新学科的理论框架，这不仅在国内，而且在国际上也是首次提出的。
2)在工艺理论与技术创新方面，介绍了作者从事振动利用工程研究在工艺理论与实际应用方面所取得的成果。例如，提出了概率—等厚筛分的理论，各类工作面上物料滑行和抛掷运动的理论，以及筛分过程的理论等，并将其应用于振动机械的工作过程中。
3)在机构创新方面，提出了多种新的振动机构。例如，激振器偏转式自同步振动机构、特殊形式的非线性惯性共振式振动机构等，获多项国家专利。
4)在非线性动力学理论创新方面，总结作者长期对振动与波动利用技术及设备工作理论方面所进行的系统研究和试验，为振动利用工程学的多个分支(如振动同步与控制同步理论的应用、非线性振动的利用、波及波能的利用等分支)创建了理论基础。例如，各类振动机械的动力学理论、振动机械系统等效质量和等效阻尼的计算方法、振动机械与设备的二次隔振的理论与计算方法、双电机或多电机驱动振动机的振动同步理论和方法、非线性振动机械的动力学分析与动力学参数计算方法、振动机械及其主要零部件的动态设计方法等，书中许多内容都是国内外参考文献中未曾见到过的。
5)在设计理论与方法的创新方面，提出了较为系统的振动机械动态设计理论与方法，特别是非线性振动机械的动态设计理论与方法，以及以动态优化、智能优化与可视优化为内容的综合设计法，为高质量的该类产品的设计，特别是新产品的研究与开发提供厂理论参考及依据。
6)在工程应用方面，30年来作者将所取得的理论成果与应用成果推广应用于工程实际。例如，大型激振器偏转式自同步振动筛、惯性共振式概率筛、新结构的振动破碎机、新结构的振动冷却机等，并成功应用于工业部门，取得了重大的经济效益与社会效益，获国家发明奖、国家科技进步奖及省部级奖10余项。
本书在总结作者所取得成果的基础上，还吸取了国内外科技工作者在这一领域所取得的部分最新重要研究成果，使本书的内容更为充实。
本书共分8章。第1章为概论，介绍振动利用工程学的形成与发展；第2章介绍振动与波利用工程领域的若干重要成果；第3章讲述振动利用技术与设备工艺过程的理论；第4、5章讨论线性或近似于线性的和非线性振动的利用；第6章讨论波及波能的利用；第7章介绍电磁振荡器的理论及应用；第8章简略介绍自然界与人类社会中的振动现象及振动规律的利用。
参加本书著述和撰写的有闻邦椿、李以农、张义民、宋占伟等教授。在编写过程中，还吸取了本科研团队其他同志长期研究工作所取得的成果，他们是关立章、张国忠、任立义、纪盛青、刘树英、文成秀、段志善、刘杰、张天侠、何勍、曾海泉、徐培民、芮延年、严世榕、袁惠群、韩清凯等教授，范俭、戚靖洋、赵春雨、王凤兰、宿苏英、李鸿光、熊万里、彭世德等副教授，林向阳、骆明飞、刘永熙、宫照民、张泓、徐天宁、孔庆华、王华君、马乃庆等高级工程师，以及李鹤、姚红良、刘子和、魏海燕博士等。在本书编写与审稿过程中，我们还得到黄文虎院士、杨叔子院士、高金吉院士、陈予恕教授、郑兆昌教授、胡海岩教授、王殿忠教授等的帮助，博士研究生陈宏、张晓伟、李小彭、宋雪萍、王黎、于涛、孙伟、马辉、毛居全等也给予了协助，此外，还得到了东北大学机械电子工程研究所、徐州工程机械集团、首都钢铁公司、洛阳矿山机械设计研究院、鞍山矿山机械股份有限公司、河南威猛振动机械股份有限公司、朝阳振动机械厂、海安振动机械厂、钟祥机电制造有限公司等有关兄弟单位同志们的大力支持和协助，在此特向他们致以衷心的谢意。
应该特别提出，本书编入的研究成果中相当一部分取自我们承担的国家自然科学基金项目(项目编号：59475005，50075015，59075175，59875010)、两项博士点基金项目，以及其他科研项目；本书的出版还得到了科技部出版基金委员会出版基金的资助；在此一并向他们表示衷心的感谢。
书中难免会有不妥甚至错误之处，恳请广大读者给予批评指正。
目 录
前 言
第1章 振动利用工程学的形成与发展-------------------------------------1
1．1 引言--------------------------------------------------------1
1．2 振动机械与振动仪器及其才目关技术的应用与发展----------------4
1．3 非线性振动利用技术的应用与发展------------------------------6
1．4 波动与波育巳利用技术的应用和发展----------------------------9
1．5 电、磁、光的振荡器在工程技术中的应用-----------------------13
1．6 自然界中的振动现象与振动规律及其利用-----------------------14
1. 7 人类社会中的振动现象与振动规律及其利用---------------------15
1．8 展望-------------------------------------------------------15
第2章 振动与波利用工程领域的若干重要成果----------------------------17
2．1 振动输送技术的应用-----------------------------------------18
2．2 振动筛分技术的应用-----------------------------------------19
2．3 振动离心脱水技术与选分技术的应用---------------------------22
2，4 振动破碎与磨碎技术的应用-----------------------------------24
2．5 振动压实与振动成型技术的应用-------------------------------26
2．6 振捣技术的应用---------------------------------------------28
2．7 振动夯土技术与振动沉拔桩技术的应用-------------------------30
2．8 振动诊断技术的应用-----------------------------------------31
2．9 同步理论的应用---------------------------------------------33
2．10 共振理论的应用--------------------------------------------34
2．11 滞回系统的应用--------------------------------------------36
2．12 冲击原理的应用--------------------------------------------37
2．13 慢变参数系统的应用----------------------------------------38
2．14 混沌的应用------------------------------------------------39
2．15 分段惯性力的应用------------------------------------------40
2．16 分段恢复力的应用------------------------------------------41
2．17 水波及风波的应用------------------------------------------42
2．18 应力波或弹性波的应用--------------------------------------42
2．19 超声理论与技术的应用--------------------------------------43
2．20 光导纤维技术与激光技术的利用------------------------------44
2．21 各种射线波的利用------------------------------------------45
2．22 振荡理论与技术的利用--------------------------------------46
2．23 气象领域的振动现象及振动规律的利用------------------------48
2．24 社会经济领域的振动现象及振动规律的利用--------------------48
2．25 生物工程及医疗设备中振动原理的利用------------------------49
第3章 振动利用技术与设备工艺过程的理论------------------------------51
3．1 直线运动振动机械物料运动的理论及工艺参数计算---------------51
3．2 圆运动和椭圆运动振动机械物料运动的理论及工艺参数计算-------79
3．3 非谐和振动机械物料运动的基本特征---------------------------89
3．4 振动离心脱水机物料运动的理论-------------------------------92
3．5 物料筛分过程的概率理论------------------------------------102
3．6 筛分方法的种类及概率厚层筛分法----------------------------112
3．7 振动机械工艺过程的动力学理论------------------------------119
第4章 线性或近似于线性的振动的利用---------------------------------122
4．1 平面运动单轴惯性式非共振型振动机械的动力学----------------122
4．2 空间运动单轴惯性式非共振型振动机械的动力学----------------128
4．3 双轴惯性式非共振型振动机械的动力学------------------------130
4，4 多轴惯性式非共振型振动机械的动力学------------------------135
4．5 惯性式近共振型振动机械的动力学----------------------------139
4．6 单质体弹性连杆式近共振型振动机械的动力学------------------144
4．7 双质体弹性连杆式近共振型振动机械的动力学------------------146
4．8 多质体弹性连杆式近共振型振动机械的动力学------------------151
4．9 谐波电磁力的电磁式近共振型振动机械的动力学----------------154
4．10 非谐波电磁力的电磁式近共振型振动机械的动力学-------------159
第5章 非线性振动的利用---------------------------------------------166
5．1 引言------------------------------------------------------166
5．2 光滑非线性振动系统的利用----------------------------------171
5．3 分段线性非线性振动系统的工程应用--------------------------177
5．4 含滞回非线性作用力的振动系统的利用------------------------187
5．5 自激振动系统的应用----------------------------------------194
5．6 带有冲击的非线性振动系统的工程应用------------------------196
5．7 频率俘获原理的工业应用------------------------------------199
5．8 含非线性惯性力项的非线性振动系统的利用--------------------218
5．9 慢变参数非线性振动系统的利用------------------------------223
5．10 混沌的利用-----------------------------------------------227
第6章 波及波能的利用-----------------------------------------------237
6．1 潮汐能的利用----------------------------------------------237
6．2 海浪能的利用----------------------------------------------239
6．3 振动采油技术中应力波的利用--------------------------------240
6．4 在结构健康诊断中应力波的利用------------------------------258
6．5 声波的利用------------------------------------------------285
6．6 超声波的利用----------------------------------------------292
6．7 电磁波与光波的利用----------------------------------------314
第7章 电磁振荡器的理论及应用---------------------------------------330
7．1 引言------------------------------------------------------330
7．2 电磁振荡器的结构与原理------------------------------------332
7．3 电磁振荡器的理论基础--------------------------------------350
7．4 电磁振荡器的科学与工程应用--------------------------------355
第8章 自然界与人类社会中的振动现象及振动规律的利用-----------------369
8．1 气象学中的振动现象及振动规律的利用------------------------370
8．2 潮汐的周期性振动及其利用----------------------------------376
8．3 其他自然现象的振动规律及其利用----------------------------380
8．4 某些经济系统的振动现象及其振动规律的利用------------------383
8．5 股市波动规律及利用----------------------------------------391
8．6 人类自身的振动现象及振动规律的利用------------------------401
8．7 展望------------------------------------------------------408
参考文献------------------------------------------------------------410
