机械不稳定与共振现象分析

机械不稳定是一种自激振动现象，发生在机械加工、制造和过程工业中。虽然不常见，但不稳定性可能导致破坏性振动水平和高成本损失。

其他类型的自激振动问题包括:航空机械(颤振)、旋翼功率(失速、分离)、气动热功率(火焰不稳定性)和反馈网络(电机、液压、气动)。

自激振动问题开始自发产生振动，其突出特点是系统的结构振动与过程或结构的关键部件的振荡之间的反馈机制。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。

失稳的识别机械失稳的识别需要结合结构动力学知识仔细分析结构振动特性。机械不稳定性会产生以下异常振动特征:

1.间歇性高振动

相对于“正常”水平，不稳定性产生非常高的振动攻击。在不稳定状态下，运行振动可能比稳定状态下高几百倍，通常表现为振动“开”或“关”。

2.没有定期激励。

因为不稳定性是自发的，它们通常发生在没有周期性振动源的情况下。维持不稳定性的交变力是由不稳定性本身产生的，不需要外力。没有周期性激励源表明它可能是一个不稳定问题。

3.振幅随时间变化很大。

不稳定性通常会产生较大的振幅变化，振幅可能会相对较快地增加或减少一个数量级。例如，在不稳定状态下运行时，系统的振动在不到5秒的时间内从1.27mm/s上升到76.2mm/s。

4.异步纯音振动频率

不稳定性通常发生在系统中旋转部件转速的非整数倍时，但并不总是如此(例如压光机条纹)。异步振动可能表明问题不是共振激发。

5.振动对速度、负载或其他过程参数很敏感。

不稳定性对工作条件极其敏感，包括转速。仅通过改变过程变量的百分之几就可以触发或终止不稳定性。

6.主振动频率接近结构的固有频率

失稳通常与结构的固有频率有关，因为当结构对系统的主要强迫作用是动力柔度时，最容易发生失稳。因为固有频率导致动态柔性，所以在相似的频率下会出现不稳定性。

7.有一个机械反馈机制。

稳定不需要反馈。所有的机械不稳定性在结构振动和过程的关键部件的变化之间具有固有的反馈机制。有时，这种反馈机制不是立即明显的，这将需要对工艺和设备进行深入研究。如果有这样的机制，很可能是不稳定的。

上述不稳定性和共振的一些特征是不稳定性所特有的，例如存在反馈机制和没有激发源的高纯音振动。然而，不稳定性和共振有一些共同的特点，例如，它们都对工作条件(如转速)敏感，并且都发生在结构的固有频率附近。尽管有这些相似之处，但不稳定性和共振是完全不同的现象，我们将对它们进行比较。共振是由以结构的自然频率或接近自然频率运行引起的高振动。

假设系统是线性的，振幅直接影响激振力的大小。因此，如果力增加一倍，振动幅度也会增加一倍。类似地，振幅与激励频率下的柔度函数的振幅成正比。如果系统的柔性增加一倍(即系统的刚度减少一半)，振幅就会增加一倍。

相比之下，虽然不稳定性通常与固有频率有关，但它不是由固有频率引起的。不稳定的根源是反馈机制的存在，反馈机制在系统中建立了不稳定的反馈回路。稳定性并不总是包括反馈机制，可以用下图来表示。

对于不稳定性，振幅主要是系统稳定性的函数。振幅不必受激励力的存在、大小或灵活性的影响。问题是系统是否稳定。在不稳定状态下，振幅可以比稳定状态下高几百倍。

共振是一个强迫振动问题，它需要一个交变力，该交变力具有相当大的能量，接近结构的固有频率。这个力是独立于运动的，当运动停止时，它仍然存在。如果激励源的频率与自然频率充分分离，共振可以消除。

不稳定性是自激的，维持运动的交变力是由运动本身产生和控制的。当运动停止时，力就消失了。稳定不需要能量，但能量的频率成分并不重要。减少或消除激励源对问题影响不大，因为不稳定性不是由外部交变力引起的。