振动机械的近期发展与展望

振动机械的近期发展与展望转载自东北大学 闻邦椿院士
 

0,振动机械的发展现状
1,振动机械学的内涵及分类
2,振动机械的理论与技术的新成果曾引发多次重
大革命或重大变革
3,振动机械的发展
研究并提出了许多新原理,新机构,新模型,
新理论,新方法,新技术,研制了新机器,
最后创建了"振动利用工程"新学科.
00,展望
振动机械的近期发展与展望
0. 振动机械的发展现状
振动机械的近期发展与展望
振动机械的近期发展与展望
0. 振动机械的发展现状
0.2 振动工程是关系到我国国民经济发展的重大课题

振动可分为有用振动和有害振动两大类

有用振动:很多机械设备为了提高工效都要利用振动,如冶金及煤炭工业中的大型振动筛, 高速公路建设中的振动压路机与摊铺机等 (振动压路机可使高速公路路面密实度由 90%提高到96%, 公路的寿命约可延长 20%以上, 每公里高速路费用为2000万元,100公里高速路可节约 4亿元).
有害振动:如汽轮机, 大型离心压缩机,核电站主泵,燃气轮机,航空发动机等重大装备,一旦出现不稳定的振动,轻则会影响工作效果和质量,重则会发生机毁人亡的惨剧(大同,秦岭,阜新三电厂20万kW机组毁机事故,每次损失都高达数亿元人民币).

振动机械的近期发展与展望
0. 振动机械的发展现状
0.3 研究振动利用工程是一项迫切任务
振动的研究分为振动理论,振动控制与振动利用
三个方面.
我们的科研团队, 经过20多年的不懈努力, 完成
了国家和横向项目等30余项课题, 研究并提出了新理
论和新技术,研制了多种新机器,最后创建了新学科.
我从1955年开始研究振动机械,当时来了一位苏
联专家格.依.索苏诺夫,我和王峰都是研究生,到现
在已经52年头了,当时在苏联振动机械是国际领先的.
振动筛有奥列夫斯基,振动破碎机有隆德克维斯特.
振动与波在工程中的应用及其控制

振动机械的发展
1 振动机械学的内涵及分类;
2 振动机械的理论与技术的新成果曾引
发多次重大革命或变革;
3 振动机械的发展:
研究并提出了新原理,新机构,新模
型,新理论,新方法,新技术,新机器,
最后创建了新学科.
振动机械的近期发展与展望
振动与波在工程中的应用及其控制
1 振动机械学的内涵及分类
振动机械的近期发展与展望

图1 振动机械的分类

惯性式非共振类振动机
惯性式线性近共振双质体振动机
惯性式非线性近共振双质体振动机
弹性连杆式近共振双质体振动机
电磙式近共振双质体振动机
非线性振动的利用
线性振动的利用
弹性连杆式近共振多质体振动机
运动轨迹为直线
运动轨迹为圆周
运动轨迹为椭圆
齿轮强迫同步的
振动同步或自同步的
振动破拱
振动布料
振动给料
振动输送
振动提升
振动排队
振动混合
振动装料
振动压实
振动料斗
输送给料类
筛分选别类
冷却干燥类
成型密实类
破碎粉磨类
振动分类
振动离心脱水
振动冷却
振动选别
振动整形
振动筛分
振动重力脱水
振动干燥
振动成型
共振筛分
振动密实
振动冷冻
振动中碎
振动光饰
振动球磨
振动破碎
振动碎冰
1 振动机械学的内涵(a)(10大类,54种用途)
振动利用工程的应用与发展
桩基检测
振动
测量仪
振动勘探
振动平衡
振动测量
振动诊断
振动监察
附着振捣
插入振捣
振动捣固
振动沉桩
振动摊铺
振动压路
振动夯土
振动装载
振动犁耙
振动铲斗
振动熨平
振动拔桩
振动锤锻
振动钻探
振动碎石
振动凿岩
振动清理
振动
疏通
振动清砂
振动落砂
清理疏通类
振捣打拔类
犁铲装载类
钻探凿岩类
测量诊断类
1 振动机械学的内涵(b)(10大类,54种用途)
振动机械的确良近期发展与展望
2 振动机械的理论与技术的新成果曾
引发多次重大革命或变革
a)理论上的创新:
1)同步理论的利用 2)共振的利用
3)非线性振动的利用 4)自激振动的利用
振动机械的近期发展与展望
b)技术上的发明:
1)可控整流电磁激振技术 2)惯性振捣技术
2)振动压实技术 4)振动检桩技术
5)超声电机 6)振动诊断技术
创新:原始创新,集成创新和引进消化吸收后再创新

目前我国不少企业也在创新,也在争国际领先.多数在争生产的机器尺寸最大的,就是国际领先,我以为还应该从技术含量上争取国际领先.
如德国的振动筛重量轻,恐怕暂时我国那个企业没法超过它,如果以后有谁能超过它,可以说国际领先.

振动机械的近期发展与展望
振动机械的近期发展与展望
3 振动机械的发展
(数十人,20多年,10多著作,500多部论文,研制了10余种新机器)
在以下八个方面开展了原始创新和集成创新的研究:
(1) 研究了新原理,如概率等厚筛分新原理
(2) 发明了新机构,如激振器偏转式新机构
(3) 建立了新模型,如间隙滞回系统新模型
(4) 发展了新理论,如振动同步传动新理论
(5) 提出了新方法,如产品综合设计新方法
(6) 研制了新机器,如惯性共振概率新筛机
(7) 研发了新技术,如振机弯振预防新技术
(8) 创建了新学科,如振动利用工程新学科
最终目标:在国际上首先创建振动利用工程新学科

振动机械的近期发展与展望
3 振动机械的发展 (1)新原理

提出了若干新的工艺原理与技术
1) 研究物料在振动平面上及振动锥体内运动机理

2) 研究了物料筛分过程理论,如概率等厚筛分法

3) 研究了振动压实过程中的振动摩擦的理论问题

4) 研究了物料的结合质量和当量阻尼的计算原理
已在《振动机械的理论与动态设计方法》(机械工业出版社,2001)一书及相关论文中提出
振动机械的近期发展与展望
3 振动机械的发展 (1)新的筛分原理
筛分方法及筛分原理的分类
1) 普通筛分法 2) 薄层筛分法
3)概率筛分法(瑞典) 4)等厚筛分法(法国)

5) 概率等厚筛分法(中国)

我们提出了概率等厚筛分新原理,并应用于工程中
已在《振动机械的理论与动态设计方法》(机械工业出版社,2001)一书及相关论文中提出
振动机械的近期发展与展望
3 振动机械的发展 (2)新机构

1) 惯性共振式双质体近共振新机构(图2)
2) 激振器偏转式双质体二次隔振自同步非共振新
机构(图3)
3) 软式与硬式组合的双质体复杂分段线性非线性
的近共振的新机构(图4)
4) 内外锥组成双激振器用于破碎的新机构(图5)
5) 不对称弹性力的双质体非线性近共振新机构
(图6)
6) 振动同步传动的自同步新机构(图7)
已在《振动机械的理论与动态设计方法》(机械工业出版社,2001)一书及相关论文中提出
振动利用工程的应用与发展
3 振动机械的发展 (2)新机构
1) 惯性共振式双质体近共振新型机构(图2)
2) 激振器偏转式自同步非共振新机构(图3)
图2 惯性共振式近共振新机构
图3 激振器偏转式自同步非共振新机构
已在《振动机械的理论与动态设计方法》(机械工业出版社,2001)一书及相关论文中提出
3)软式与硬式组合的复杂分段线性非线性的近共振新机构,图4
4)内外圆锥组成双激振器用于破碎的新机构,图5
图4 软式硬式组合非线性近共振新机构
图5 内外圆锥组成双激振器新机构
已在《振动机械的理论与动态设计方法》(机械工业出版社,2001)一书及相关论文中提出
(2) 新机构
(2)新机构
5)不对称弹性力的双质体非线性近共振新机构(图6)
6)振动同步传动的自同步非共振系统的新机构(图7)
图6 不对称弹性力的非线性近共振新机构
图7 振动同步传动的自同步非共振新机构

已在《振动机械的理论与应用》(机械工业出版社,1982)一书及相关论文中提出
12
振动机械的近期发展与展望
(3)新模型
1) 提出了惯性力项为非线性的动力学模型
2) 提出了不对称软式分段线性动力学模型
3) 提出了硬软式复合分段线性动力学模型
4) 提出了高次谐波频率俘获的动力学模型
5) 构建了带间隙的滞回非线性动力学模型
6) 构建了双参数慢变的非线性动力学模型
已在著作《工程非线性振动》(科学出版社,2007)一书及相关论文中提出
(3)新模型
图8 不对称分段线性振动离心机一个周期内物料的运动速度曲线
图 9 不对称分段落线性振动离心机非线性动力学模型
1) 提出了惯性力项为非线性的动力学模型
1) 提出了惯性力项为非线性的振动系统新模型
(3)新模型
在1981年于前苏联基辅第9届国际非线性振动会议上提出
2) 软式分段线性非线性动力学模型
(a) 弹簧摇床工程机构图 (b) 力学模型
图10 弹簧摇床
(3)新模型
2)软式分段线性非线性弹簧摇床的动力学方程

(3)新模型
2)幅频曲线与试验测得的振动曲线
.

(a) 正常运转曲线
图11 幅频曲线 (b) 停机时的振动曲线
图12 试验测得的振动曲线
(3)新模型
图13 非线性惯性式共振筛的
结构
图14 非线性惯性式共振动筛
的共振动曲线
(3)新模型
3) 提出了硬软式复合分段线性动力学模型
4) 带间隙的滞回系统的振动曲线

图15 双向间隙的滞回系统 图16 振动破碎机械的动力学模型
11
(3)新模型
4) 带间隙的滞回系统的运动方程式

(3)新模型
4) 最大Lyaponov指数与分岔图
(a) 最大Lyaponov指数 (b) 分岔图
图17 当2 ω∈( 0.3,1.7) 时的非线性动力学特性
(3)新模型
(3)新模型
5)基频与倍频的频率俘获
图18 基频与倍频的频率俘获
3
2
1
0
w/ v 3 max
v
w/v
2s
3s
1s
w/ v 3 min
w/ v 2 max
w/ v 2 min
w/ v max
w/ v min
在1981年于前苏联基辅第9届国际非线性振动会议上提出
6)慢变参数系统的利用
图19 系统刚度具有不同变化速度kd时瀑布图
a) kd=0 b) kd=5 c) kd=10 d) kd=15 e) kd=20 f) kd=25
(3)新模型
振动机械的近期发展与展望
(4)新理论

以振动同步理论为例
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) 提出了出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同步
5) 研究了振动同步与控制同步混合的复合同步
已在《机械系统的振动同步与控制同步》(科学出版社,2003)一书及相关论文中提出
"振动利用工程"学科的发展
(4)新理论
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
(4)新理论
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
同步性判据
同步运转状态的稳定性判据
(4)新理论
2) 提出了出倍频同步自同步振动机的同步理论
3
2
1
0
v1/ v2 3 max
v2
v1
2s
3s
1s
v1/ v2 3 min
v1/ v2 2 max
v1/ v2 2 min
v1/ v2 max
v1/ v2 min

"振动利用工程"学科的发展
(4)新理论
3) 研究了振动同步传动的理论
振动同步传动实现的条件:
首先使两台振动电机获得同
步运转;
切断其中一台振动电机的电
源;
必须满足同步性条件与同步
运转状态的稳定性条件
4. 通过控制器实现交替供电
振动机械的近期发展与展望
(5)新方法
1) 提出了产品设计的7D总体规划模型
即提出了以设计思想,设计环境,设计过程,设计目标,
设计内容,设计方法和设计质量检验等7项内容的总体规划
2) 提出了1+3+X 综合设计法
即提出以功能优化设计,动态优化设计,智能优化设计和
可视优化设计为核心内容的1+3+X的综合设计方法
3) 提出了以非线性动力学为基础的深层次动态设计方法
即提出了以非线性振动,非线性动力有限元,非线性多体
系统动力学为基础的动态设计理论与方法
已在《面向产品广义质量的综合设计理论与方法》(科学出版社,2006)一书及相关论文中提出
振动利用工程的应用与发展
(5)新方法
1) 提出了产品设计的7D总体规划模型
设计思想域
DI设计环境域
DE 设计目标域
DO 设计过程域
DP 设计内容域
DC 设计方法域
DM 质量检验域
DA 主观能动效应
客观环境要求
用户信息
获取功能
需求实现
功能与性能的需求实现
功能性能评价
全局性态规划
一 规划阶段
二 实施阶段
三 检验阶段
4 振动利用技术的发展 (5)新方法

基于系统工程的产品全功能和全性能的设计规划
面向产品广义质量或全功能全性能优化
设计思想
以科学发展观和自主创新思想作指导.贯彻绿色设计,创新设计或基于系统工程的设计思想
设计目标
产品广义质量(功能+性能)Q,C,T,E,S
拟选用全功能设计法,全性能设计法或QFD设计法等
设计质量检验
拟选用产品质量可靠性评估方法,模糊评估法,价值评估法或系统工程评估法等
设计方法
拟选用优化设计,可视化设计,虚拟设计,数字化设计,智能设计,协同设计,并行设计,网络设计或集成设计等
设计环境
要充分考虑产品的设计环境对产品设计提出的要求如政治,经济,社会,人文和法律环境的要求
设计内容
拟选用功能设计,结构设计,参数设计,动态设计,强度设计,传动设计,造型设计,摩擦学设计或控制系统设等
设计过程
由用户需求,产品功能优化,性能优化,工艺优化及产品检验等组成的五个过程
图21 产品设计的 7D 总体规划模型(60多设计法都可以找到它们自己的位置)
振动利用工程的应用与发展
(5)新方法
2) 提出了1+3+X 综合设计法
机械产品深层次的(1+3)+X 综合设计法的内容与特点
现代机械动态优化设计
动态优化设计
动态可靠性设计
工作参
数智能控制
工作过程智能控制
产品装配可视化设计
工作过程可视化
图22 现代机械产品的 1+3+X 综合设计法的内容与特点
X:依据产品特点而应该采用的设计方法,如轿车,要考虑造型设计等
现代机械智能优化设计
现代机械可视优化设计
以功能优化设计为先导的设计
振动利用工程的应用与发展
(5)新方法

3) 提出了以非线性动力学为基础的深层次动态设计方法
1)不确定性:系统或工作过程中的参数是不确定的.
2)时变性:即慢变,突变,参变和滞后特性,几乎所有的机械都处在时变情况下运行.
3)非线性特性:应考虑系统与工作过程中的非线性因素,不论是机械系统,或是控制系统, 几乎都具有非线性的性质.
4)高维:多数机器设备的实际工作系统是高维的,因此,应该真实反映机器实际工作的情况,即应该考虑系统的高维的特性.
5)强耦合特性:多数机器设备的实际工作系统是强耨合的,
因此,应该真实反映机器实际工作的情况,即应该考虑系统的强耦合的特性.
6)多参数或多变量的特性:应考虑机器实际工作过程中的具有多参数和多变量等复杂的实际情况.
振动机械的近期发展与展望
3 振动机械的发展 (6)新技术

1)预防长距离振动输送机产生弹性弯曲的新技术
2)保持振动机械振动稳定的新技术
3)消除构件焊接内应力的新技术
4)防止螺钉和螺帽松动的新技术
5)防止筛孔堵塞的技术
6)提高筛面耐磨性的技术
7)二次隔振减小传给基础振动的技术
8)减少振动机起动通过共振振幅的技术
(7)新机器
振动机械的近期发展与展望

1) 激振器偏转式大型冷矿振动筛
2) 惯性共振式概率筛
3) 20-40米长的平衡加隔振动的大长度振动输送机
4) 新型振动压路机
5) 大宽度新型摊铺机
6) 750吨振动沉拔桩机
7) 实现振动同步传动的自同步振动给料机
8) 双激振器自同步振动破碎机
1) 激振动器偏转式大型冷烧结矿振动筛
(已生产200多台,在10多个冶金企业应用,节省外汇上亿元人民币)
图23 激振器偏转式大型冷烧结矿振动筛
创新点:发明了偏转式自同步激振器,为国际首创,机器高度约可降低1米左右
1) 激振动器偏转式大型冷烧结矿振动筛
(已生产200多台,在10多个冶金企业应用,节省外汇上亿元人民币)
图24 激振器偏转式大型冷烧结矿振动筛
创新点:发明了偏转式自同步激振器,为国际首创,机器高度约可降低1米左右

2) 惯性共振动式概率筛
(已在电力,冶金等部门获得成功应用)
图25 惯性共振式概率筛
1-惯性共振式激振器 2-隔振弹簧 3-筛箱 4-筛面
该筛为双按质体系统,工作在近亚共振的工况下, 利用惯性近共振与概率筛分相结合的原理原理, 实现了集成创新,使其单位面积产量为普通筛机的 5 倍.
该筛曾获国际发明博览会"尤里卡"金奖.
1
2
3
4
图26 弹簧隔振平衡式长距离振动输图
1-上槽体 2-下槽体 3-铰链支承架 4-剪切橡胶弹簧 5-铰链
6-弹性连杆式激振器 7-支承架底架 8-隔振弹簧
3)隔振加平衡的长距离振动输送机:长20-40米
(已在电力,冶金等部门获得成功应用)
8
A-A B-B
该机的创新点是平衡加隔振动,传给地基的动载荷很小,可安装在建筑物上层
4)新型振动压路机
(已在徐工集团成批生产)
创新点是应用我们研究得出的分段慢变与双参数慢变的非线性动力学理论研究振动压实过程,并采用调节工作频率的方法使该机获得最佳的工作点.
5)摊铺机的新型振动机构的研制
(已在徐工集团成批生产)
6)新型振动沉桩机
(已为香港华建公司完成设计,并已申请发明专利)
图27 机重达750吨的新型振动桩机
利用振动原理可使 750 吨重的振动桩机来替代1200 吨重的 静压桩机,在同样 工作要求的条件下 每台机器的机重可减少 450 吨.
振动机械的近期发展与展望
3 振动机械的发展 (8)新学科

1) 提出了"振动利用工程"的新概念
2) 提出了"振动利用工程"的理论框架
3) 完善了若干分支的理论:10部著作和数百篇论文
1 《振动机械的理论及应用》, (1982,机械工业出版社)
2. 《振动筛,振动给料机,振动输送机的设计与调试》(1989,化工出版社)
3. 《振动机械的理论与动态设计方法》( 2001,机械工业出版社,)
4. 《振动利用工程》(2005,科学出版社)
5. 《非线性振动理论中的解析方法及工程应用》(2001,东北大学出版社)
6. 《工程非线性振动》(2007,科学出版社)
7. 《机械系统的振动同步与控制同步》(2003,科学出版社)
8. 《面向产品广义质量的综合设计理论与方法》(2006,科学出版社)
9. 《产品全功能与全性能的综合设计》(2008,机械工业出版社)
10.《产品的主辅功能及功能优化设计》(2008,机械工业出版社)
00. 展望

1,大力加强研究振动机械理论与技术的研究, 一方面深入开展振动机械的基础理论与工作机理的研究, 如加强非线性振动机的理论, 振动的稳定性等, 另一方面加强实际技术的应用等,如筛面耐磨性和延长筛机寿命研究等
2,应该大力开展振动机械实际应用的研究与开发工作, 扩大振动技术的应用领域与范围, 将振动机械广泛应用于各个领域和各种工艺过程.
3,特别要加强振动机械技术与信息技术, 即多煤体技术,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, 使振动机械的理论与技术成为一种以智力为依托的高新技术.
振动与波在工程中的应用及其控制
振动机械的近期发展与展望

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