機械不穩定與共振現象分析

機械不穩定是一種自激（jī）振（zhèn）動現象，發生在機械加工、製造和過程（chéng）工（gōng）業中。雖然不常見，但不穩定性可（kě）能（néng）導致破壞性振動水平和高（gāo）成本損失。

其他類型的自激振動問（wèn）題（tí）包括:航空機械(顫振)、旋翼功率(失速、分（fèn）離)、氣動熱功率(火焰不穩定性)和反（fǎn）饋網絡（luò）(電機（jī）、液壓、氣動)。

自激振動問題開始自發產（chǎn）生振動，其（qí）突出特點是係統的（de）結構振動（dòng）與過程或結構的（de）關鍵部件的（de）振蕩之間的反饋機製。當這（zhè）個反饋回（huí）路不（bú）穩定時，振幅隨時間增加，有時達到破壞性水平。

失穩的識別機械失穩的識別需要結合結構動力學知識仔細分析結（jié）構振動特性。機械不穩定（dìng）性會產生以下異常振（zhèn）動特征:

1.間歇性高振（zhèn）動

相對於“正常”水平，不穩定性產（chǎn）生非常高（gāo）的振動攻擊。在不穩定狀態下，運行振動可能（néng）比穩定狀態下高幾百倍，通常表現為振動“開”或“關”。

2.沒有（yǒu）定期激勵。

因為不穩定性是自發的，它們通（tōng）常發生在沒有周期性振動源的（de）情況下。維持不穩定性的交變力是由不穩定性本身產生的，不需要外力。沒有（yǒu）周期性激勵源表（biǎo）明它可能是（shì）一個不穩定問題。

3.振幅隨（suí）時間變化很大。

不穩定性通常會產生（shēng）較大的振幅變化，振幅可能會相對較快（kuài）地（dì）增加或減少一個數（shù）量級。例如，在（zài）不穩定狀態下運（yùn）行時，係統的振動在不到5秒的時間內從1.27mm/s上升到76.2mm/s。

4.異步純音（yīn）振動頻率

不（bú）穩定性通常發生在係統中旋轉（zhuǎn）部件轉速的非整（zhěng）數倍（bèi）時，但並不（bú）總是如此(例如壓光機條紋)。異步（bù）振動可能表明問（wèn）題不是共振（zhèn）激（jī）發。

5.振動對速度、負載或其他過（guò）程參數（shù）很敏感。

不穩定性對工作條件（jiàn）極其敏感，包括轉速（sù）。僅通過改變過程變量的百分之幾就可以（yǐ）觸發或終止不穩定性。

6.主振動頻率接近結構的固有頻（pín）率

失（shī）穩通常與結構的固有（yǒu）頻率有關（guān），因為當結構對係統的主要強迫作用是動力（lì）柔度時，最容易發（fā）生失穩。因為固有頻率導致動態柔性，所以在相似的頻率下會出現不穩定性。

7.有一個機械反饋（kuì）機製。

穩定不需要反饋。所有的機（jī）械不穩定性在結構振動和（hé）過程的關鍵（jiàn）部件的變（biàn）化之間具有固（gù）有的（de）反饋機製。有時，這種反饋機製（zhì）不是立（lì）即明顯的，這將（jiāng）需要對工藝和設（shè）備進行深入研究。如果有這樣的機製，很（hěn）可能是不穩定的（de）。

上述不穩定性（xìng）和共振的一些特征是不穩定性所特有的，例如存（cún）在反饋機製和沒有激發（fā）源的高純音振動。然而，不穩定性和共振有一些共（gòng）同的特點，例如，它們都對工作條件(如轉速（sù）)敏感，並且（qiě）都發生在結構的固有頻率附（fù）近。盡管有這（zhè）些相似（sì）之處，但不穩定性和共振是完全不同的現象（xiàng），我們將對它們進行比較。共振是由以（yǐ）結構的自然頻率或接近自然頻率運行引起的高（gāo）振動。

假設係統是線性的，振幅直接影響激振力的大小。因此，如果力（lì）增加一倍，振動幅度也（yě）會增加一倍。類似地，振幅與（yǔ）激勵頻率下的柔度函數的振幅成（chéng）正比。如果係統的柔性增加一倍(即係（xì）統的剛（gāng）度減少一半)，振幅就會增（zēng）加一倍。

相比之（zhī）下，雖然不穩定性通常與固有頻率有（yǒu）關，但它（tā）不是由固有頻率引起的。不穩定的根源是反饋（kuì）機製（zhì）的存在，反饋機製在係統中建立了不穩定的（de）反饋回（huí）路（lù）。穩定性並不總（zǒng）是包括反饋機製，可以用下圖（tú）來表示。

對於不穩定性，振幅主要是係統穩定性的函數。振幅不必（bì）受激勵（lì）力的存在、大小或靈活性的影響。問題是係統（tǒng）是否穩定。在不穩定狀態下（xià），振幅可以比穩定狀態（tài）下高幾百倍。

共振是一（yī）個強迫振動問題（tí），它需要一個交變力，該交變力具有相當大的能量，接近結構的固有頻率。這個力是獨立於運動的，當運動停止時，它仍然存在。如果激（jī）勵源的頻率與自然頻率充（chōng）分分離，共（gòng）振可以消除。

不（bú）穩定性是自激的，維持運動的交（jiāo）變力是由（yóu）運動本身產（chǎn）生和控製的。當運動停止時，力就消失（shī）了。穩定不需要能（néng）量，但能量的頻率成分並不重要。減少或消除激勵源對問題影響不大，因為不穩定性不是由外部交變力引起的。