具体描述
振动是大型旋转机械常见故障，对机组安全运行危害较大。振动同时也是设备的“体温计”，直接反映了设备安全运行状况。 本书系统地介绍了旋转机械振动基本理论和振动特征分析方法，对常规和高效动平衡试验方法作了比较深入的介绍，从故障的机理、特征、诊断和治理等角度全面介绍了旋转机械强迫振动和自激振动故障分析方法。 本书还对近年来旋转机械振动领域出现的一些新问题进行了分析。 本书主要面向广大工程技术人员，编写时没有过多涉及振动理论，希望能用通俗易懂的语言和大量的工程实例将复杂的振动问题描述清楚，帮助工程技术人员分析与诊断旋转机械振动故障。 本书可供电力、石化、冶金等行业从事大型旋转机械设备检修、运行与维护管理的技术人员阅读，也可供动力机械和流体机械等相关专业的师生阅读。
机械系统动力学行为探析：从理论基础到实践解决方案 本书旨在为读者提供一套全面、深入的机械系统动力学行为分析方法论，覆盖从基础理论构建到工程实践应用的全过程。我们将系统性地梳理和阐释机械动力学领域的核心概念、关键理论以及先进的分析工具，并结合丰富的工程实例，引导读者掌握如何准确地识别、评估和控制机械系统在运行过程中可能出现的动力学问题。 第一部分：机械系统动力学行为的基础理论 本部分将奠定坚实的理论基础，为后续的深入分析做好铺垫。 第一章：经典力学与动力学方程的建立 质点与刚体的运动学描述： 回顾牛顿运动定律，阐述位移、速度、加速度等基本概念在描述机械系统运动中的作用。重点介绍刚体运动的特点，包括平动和转动，以及其在三维空间中的描述。 约束与自由度： 详细讲解机械系统中常见的约束类型（如固定约束、滑动约束、转动约束等），以及它们如何限制系统的自由度。引入广义坐标的概念，说明如何选择一组独立的变量来描述系统的状态，从而简化动力学方程的建立。 虚位移原理与达朗贝尔原理： 深入探讨虚位移原理在系统动力学分析中的应用，展示如何基于虚功来推导系统的运动方程。讲解达朗贝尔原理，将惯性力引入准静态平衡方程，为拉格朗日方程的推导奠定基础。 拉格朗日方程的建立与应用： 系统阐述拉格朗日方程的推导过程，从动能和势能的定义出发，构建描述系统动力学行为的二阶常微分方程组。通过多个具体示例，演示如何利用拉格朗日方程解决不同类型的机械系统动力学问题，包括多自由度系统。 牛顿-欧拉方程在刚体动力学中的应用： 介绍基于牛顿第二定律和欧拉动力学方程描述刚体运动的方法。重点分析力和力矩的平衡方程，以及角动量的时变关系，尤其适用于分析具有复杂运动轨迹的机械部件。 第二章：机械系统的振动特性解析 单自由度系统的自由振动： 深入分析无阻尼和有阻尼单自由度系统的自由振动现象。推导系统的固有频率和阻尼比，解释它们对系统振动特性的影响。讲解过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种状态的物理意义及其在工程中的表现。 单自由度系统的强迫振动： 研究外部激励作用下，单自由度系统的稳态响应和暂态响应。重点分析共振现象，讲解其发生条件、危害以及在工程设计中需要避免的原则。介绍相频特性和幅频特性曲线，用于直观理解系统对不同频率激励的响应。 多自由度系统的振动特性： 扩展到多自由度系统的振动分析。介绍质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵的概念，以及它们在描述系统动力学行为中的作用。深入讲解模态分析，包括固有频率和振型，解释它们如何代表系统的基本振动模式。 振动能量法与瑞利商： 引入振动能量法，利用系统动能和势能的平均值来估计系统的固有频率。讲解瑞利商，提供一种简洁有效的方法来近似计算系统的最低阶固有频率，尤其在系统参数难以精确获得时具有重要意义。 振动分析的数值方法： 介绍常用的数值分析技术，如有限元方法（FEM）在振动分析中的应用。阐述如何将连续的机械结构离散化为有限个单元，建立系统的质量和刚度矩阵，并通过求解特征值问题来获得系统的模态参数。 第三章：机械系统动力学行为的激励与耦合 外部激励的类型与建模： 详细分类和描述机械系统可能遇到的各种外部激励，包括周期性激励（如正弦激励、方波激励）、非周期性激励（如冲击激励、随机激励）以及调谐激励等。讲解如何对不同类型的激励进行数学建模，以便于后续的分析。 激励与系统响应的匹配： 分析外部激励的频率、幅值、相位等参数如何影响系统的动力学响应。重点探讨激励与系统固有频率的匹配关系，以及由此可能引发的共振现象。 机械系统的耦合振动： 深入研究多部件组成的机械系统中存在的各种耦合效应。例如，结构振动与控制系统的耦合，以及不同部件之间的力学耦合。讲解耦合效应如何改变系统的整体动力学特性，并可能导致非线性的复杂行为。 传递函数与系统辨识： 引入传递函数作为描述线性时不变（LTI）系统输入输出关系的数学工具。讲解如何通过实验测量和系统辨识技术来获得机械系统的传递函数，从而为动态分析提供依据。 反馈控制对动力学行为的影响： 分析反馈控制系统如何作用于机械系统，改变其动态响应。讲解不同控制策略（如PID控制）对系统稳定性、鲁棒性以及振动抑制的潜在影响。 第二部分：工程实践中的动力学行为分析与控制 本部分将理论知识与工程实际相结合，提供解决实际问题的思路和方法。 第四章：机械系统故障诊断与状态监测 典型机械故障的动力学表现： 分析常见机械故障（如轴承磨损、齿轮失效、不平衡、不对中、松动等）在机械系统振动信号中所产生的特定特征。讲解不同故障如何导致振动幅值、频率、相位以及能量分布的变化。 振动信号的采集与预处理： 详细介绍振动信号的传感器选择、安装位置、采样频率、量化精度等关键参数。讲解信号的预处理技术，包括滤波、去噪、基线漂移校正等，以去除干扰，提高信号质量。 时域、频域与时频域分析技术： 深入讲解常用的振动分析技术。时域分析（如均方根值、峰值、峭度等）用于评估振动强度和冲击程度。频域分析（如傅里叶变换、功率谱密度）用于识别振动源和故障频率。时频域分析（如短时傅里叶变换、小波变换）则能捕捉信号的时变特性，特别适用于分析非平稳信号。 故障模式的识别与判别： 结合实例，讲解如何利用上述分析技术，结合故障的理论模型，准确地识别和判别机械系统的故障类型。介绍基于规则、专家系统以及机器学习的故障诊断方法。 在线监测与预警系统： 阐述构建机械系统状态在线监测与预警系统的关键要素。包括传感器网络的部署、数据采集与传输、实时数据分析以及预警信号的生成与发布，旨在实现故障的早期发现和预防。 第五章：机械系统动力学优化与减振设计 结构动力学优化设计： 探讨如何通过优化结构参数（如材料、形状、尺寸、连接方式等）来改善机械系统的动力学性能。例如，如何降低结构的固有频率，避开工作频率，或者如何提高结构的刚度以减小变形。 减振与隔振技术： 详细介绍各种减振和隔振技术在工程中的应用。包括阻尼材料的应用（如粘弹性阻尼、耗能阻尼）、动力吸振器的设计与安装、隔振器的选择与布置，以及声学隔振等。 动态平衡与不对中补偿： 针对旋转机械中常见的不平衡和不对中问题，详细阐述其动力学危害。介绍动态平衡的原理与工艺，以及不对中补偿的方法，以消除或减小其引起的附加振动和应力。 材料选择与阻尼设计： 分析不同材料的动态特性（如杨氏模量、阻尼系数、密度等）如何影响机械系统的振动行为。讲解如何利用具有高阻尼特性的材料来有效吸收振动能量，降低系统响应。 系统集成与协同优化： 强调在复杂机械系统设计中，不同子系统之间的动力学特性相互影响。讲解如何进行系统层面的协同优化，考虑结构、控制、传动等各个环节的动力学协调，以达到整体性能的最优化。 第六章：旋转机械的特有问题与分析 转子动力学基础： 专门聚焦于旋转机械的核心——转子系统。深入分析转子系统的基本组成（转子、轴承、联轴器等）以及它们之间的动力学关系。 转子不平衡与不对中： 重点讲解转子不平衡的产生原因、动力学模型及其对系统产生的附加力与力矩。分析不对中（轴不对中、盘不对中）的类型和影响，以及它们如何诱发特有的振动模式，如二倍频振动。 轴承的动力学特性： 详细研究各种类型轴承（如滚动轴承、滑动轴承、磁悬浮轴承）的动力学模型和刚度、阻尼特性。分析轴承在旋转过程中的非线性行为，如动压效应、摩擦阻尼等，以及它们对转子系统动力学行为的影响。 转子系统的临界转速（欧拉临界转速）： 详细推导和分析转子系统的临界转速，即转子在其发生强烈的横向振动的固有频率。讲解临界转速的计算方法，以及如何在设计中避免或控制临界转速的风险。 不平衡响应与状态监测： 介绍如何分析和预测转子在不同转速下的不平衡响应。结合实际应用，讲解旋转机械状态监测的关键技术，如振动频谱分析、轴承损耗诊断、转速比分析等。 第七章：非线性动力学行为与复杂系统分析 非线性系统的特性： 引入非线性动力学的概念，与线性系统进行对比。讲解非线性系统可能出现的现象，如硬/软进动、分岔、混沌等，以及它们给分析和控制带来的挑战。 接触与摩擦非线性： 在机械系统中，接触和摩擦是普遍存在的非线性因素。详细分析接触非线性（如间隙、接触刚度变化）和摩擦非线性（如库仑摩擦、粘滞摩擦）对系统动力学行为的影响。 参数激励与自激振动： 讲解参数激励，即系统参数随时间周期性变化引起的振动，以及自激振动，即系统内部能量转移引起的振动。分析其发生机理和工程实例，如气流激励、滑移振动等。 复杂机械系统的耦合动力学模型： 针对具有多学科耦合（如力、热、电、液压）的复杂机械系统，探讨如何建立多物理场耦合的动力学模型。介绍多体动力学（MBD）在复杂机械系统建模中的应用。 混沌现象在机械系统中的表现与控制： 探讨某些机械系统在特定工况下可能出现的混沌行为。分析混沌的特征，以及如何在工程设计中避免或利用混沌现象。 第八章：现代分析工具与仿真技术 计算机辅助工程（CAE）软件的应用： 介绍当前主流的CAE软件（如ANSYS, Abaqus, COMSOL, Adams等）在机械动力学分析中的功能与应用。重点讲解其在模型建立、求解器选择、结果后处理等方面的优势。 有限元方法（FEM）的进阶应用： 深入探讨FEM在动力学分析中的高级应用，如瞬态动力学分析、模态分析、谐响应分析、随机响应分析等。 多体系统动力学（MBD）仿真： 详细阐述MBD软件在模拟和分析具有大量相互作用的运动部件组成的机械系统方面的能力，如汽车悬架系统、机器人手臂、航空发动机等。 数据驱动的动力学建模与仿真： 探讨如何结合实验数据和机器学习技术，构建更准确、更具预测性的动力学模型，以及利用仿真结果指导工程设计和优化。 实验验证与仿真对比： 强调实验验证在动力学分析中的重要性。讲解如何设计和进行动力学实验，以及如何将实验结果与仿真结果进行对比，以评估模型的准确性和可靠性。 通过以上内容的系统学习，读者将能够建立起对机械系统动力学行为的深刻理解，掌握有效的分析和控制工具，并能将其应用于解决实际工程问题，提高机械系统的性能、可靠性和安全性。本书的编写力求理论与实践并重，旨在培养读者成为具备扎实理论基础和丰富实践经验的机械动力学工程师。
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