人们对共振的最初印象,来源于一个历史故事。在拿破仑军队入侵西班牙时,一支法国小分队踢着整齐的正步经过一座铁链悬桥,没想到大桥忽然倒塌,致使多人死亡。后人猜测这次事故发生的主要原因就是“共振”。
那么,共振到底是什么?为什么它的威力这么大?
一个物体或者一个系统,在没有外力影响下的情况下,会倾向于某个频率的振动,这个频率就是“ 固有频率”,而当两个物体的固有频率相同或者相近时,它们的振动幅度就会叠加,即产生增幅作用。以声波击碎玻璃杯的实验为例,由于声音的频率恰好与玻璃杯的固有频率重合,就会迫使玻璃杯剧烈振动,最终破碎。这当中能量累积的原理就像我们小时候玩的荡秋千,每次荡回来到最高点时,轻轻推一下,虽然力气不大,但是积累几个频率周期,就可以让秋千荡得很高。由此可见共振的威力不容小觑。
物理学上,共振指物体发生振动后,由于其本身的构成、大小、形状等物理特性,会逐渐固定在某一频率上振动,这个频率叫该物体的固有频率。当人们从外界给这个物体一个驱动力时,物体的振动频率等于驱动力的频率,而与固有频率无关。但是如果驱动力的频率与该物体的固有频率正好相同,则物体的振幅达到最大,这种现象称为共振。
也可以表述为:振动体在周期性的外力作用下,当外力的频率和振动体固有频率很接近或者相等时,振动的幅度就会急剧增大。固有频率可以理解为物体做自由振动时,其位移随时间按正弦或余弦规律变化。例如一个单摆,在单位时间内周期变化的次数,就是他的固有频率。固有频率与初始条件无关,而仅与系统的固有特性有关(如质量、形状、材质等)。
通俗地说,一个物体发生振动引起其他物体的振动,在共振频率下,很小的周期振动就可以产生很大的振动幅度。
针对振动筛或者兆丰公司生产的其他周期性运动产品,在市场上因为共振出现损坏,造成筛体局部开裂的现象,可以解释为:固定振动筛的钢架有自身的固有频率,振动筛运时,对钢架产生激振力。每一个工程的钢架的固有频率不同,如果振动筛运行产生的激振力频率与钢架的固有频率接近时,钢架连同振动筛的振动幅度就会急剧增大,对钢架、设备,均产生严重的损坏。
在机械共振中,常见的原因有直接作用的交变力、支撑或地基的振动、旋转件的不平衡惯性力等。共振时,激励输入机械系统的能量最大,系统出现明显的振型称为位移共振。此外还有在不同频率下发生的速度共振和加速度共振。
共振不仅在物理学上运用频率非常高,而且,也可以说是一种宇宙间最普遍的和最频繁的自然现象之一,在某种程度上甚至可以这么说,是共振产生了宇宙和世界万物,没有共振就没有世界。共振现象在生活中也被广泛应用,荡秋千暂且不论,我们每天看的电视,上的网络,甚至是我们眼睛看到的一切事物,都是根据共振原理而接受信号的。
一般来说,一个系统(不管是力学的、热学的还是电子的)有多个共振频率,在这些频率上振动比较容易,在其它频率上振动比较困难。假如引起振动的频率比较复杂的话(比如是一个冲击或者是一个宽频振动),一个系统一般会“ 挑出” 其共振频率随此频率振动,事实上一个系统会将其它频率过滤掉。
振荡强度是振幅的平方。物理学家一般称这个公式为洛伦兹分布,它在许多有关共振的物理系统中出现。也是一个与振荡器的阻尼有关的系数。阻尼高的系统一般来说有比较宽的共振频率带,共振频率带也称为带宽。
共振时的激励频率称为共振频率,近似等于机械系统的固有频率。对于单自由度系统,共振频率只有一个,当对单自由度线性系统作频率扫描激励试验时,其幅频上出现一个共振峰。对于多自由度线性系统,有多个共振频率,激励试验时相应出现多个共振峰。对于非线性系统,共振区出现振幅跳跃现象,共振峰发生明显变形,并可能出现超谐波共振和次谐波共振。共振时激励输入系统的功同阻尼所耗散的功相平衡,共振峰的形状与阻尼密切相关。
一般情况下,共振是有害的,它会引起机械和结构很大的变形和动应力,甚至造成破坏性事故,工程史上不乏实例。
机床运转时,运动部分总会有某种不对称性,从而对机床的其他部件施加周期性作用力引起这些部件的受迫振动,当这种作用力的频
率与机床的固有频率接近或相等时,会发生共振,从而影响加工精度,加大机械钢铁的疲劳破坏,加大机械的损害力度。
机械共振的主要危害有:
1)产生噪音 ;
2)周期性疲劳,降低设备的强度,容易损坏 ;
3)浪费能源,消耗无用的功去产生振动筛。
另一方面,共振状态包含有机械系统的固有频率、最大响应、阻尼和振型等信息。在振动测试中常人为地再现共振状态,进行机械的振动试验和动态分析。利用共振原理的振动机械,可用较小的功率完成某些工艺过程,如共振筛等。
共振也被巧妙地利用在生活中的方方面面,神奇的地震仪、弹奏的弦乐器,收听的电台节目、使用的微波炉等等都离不开共振的原理。
共振也在各行各业发挥着积极作用,古代战争时期,人们靠陶土罐的回声来判断敌军的人马距离和多少,现代靠高频电磁波加热食物,各种信号的传输,固定声波加快血液流动等。
防止共振措施有:改进机械结构或改变直接作用力,使机械固有频率改变;采用减震装置;启动或停机时快速通过共振区。
机械共振的预防方法包括:
1)振动源与支撑件之前加缓冲减震材料或装置;
2)从振动源处理,当有减速机、传送带、传送齿轮时,通过改变传动比等,可以将振动频率改变,从而与固有频率错开;
3) 降低固有频率,对固定支撑件进行加强或者改变布局结构, 从而与振动频率错开。
针对我们公司生产的往复振动设备,预防共振的方法具体包括:
改进结构:例如,常见的振动筛或回转筛设备支撑钢架很结实,还是震动大,加斜撑、立柱后钢架震动减小,就是通过改变钢结构的固有频率的方法;
减震装置:机动车辆加减震装置可通过减缓受力,通过降低车身运动频率,避免因共振所形成的破坏。类似的原理运用于振动设备,可以改变橡胶弹簧的弹性模量,或者在机架与钢架之间加缓冲装置,以吸收能量;
快速通过共振区:往复振动或回转类设备启停时的游动就是共振引起的,会对零部件产生一定的破坏。通过通过增加变频器等装置,使筛体的运动快速通过共振区。