機(jī)械不穩(wěn)定是自激振動(dòng)現(xiàn)象，其發(fā)生在機(jī)加工、制造和流程工業(yè)中，雖然不常見(jiàn)，但是不穩(wěn)定可能導(dǎo)致破壞性的振動(dòng)水平和高成本損失。

我們聽(tīng)說(shuō)過(guò)塔科馬峽谷大橋?yàn)?zāi)難，這座吊橋在完工5個(gè)月之后，于1940年11月被風(fēng)引起的高幅振蕩災(zāi)難性毀壞。很多人相信它是由于共振激勵(lì)導(dǎo)致的，但真正的根源是機(jī)械不穩(wěn)定，即一種自激振動(dòng)現(xiàn)象。

其它類型的自激振動(dòng)問(wèn)題包括：空氣機(jī)械（飄動(dòng)）、轉(zhuǎn)子動(dòng)力（失速、分離）、空氣熱動(dòng)力（火焰不穩(wěn)定）和反饋網(wǎng)絡(luò)（電機(jī)，液壓，氣動(dòng)）。

自激振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)始自發(fā)地產(chǎn)生振動(dòng)，其突出的特性是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)與過(guò)程或結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組件的振蕩之間存在的反饋機(jī)制，當(dāng)這個(gè)反饋回路不穩(wěn)定時(shí)，振幅隨時(shí)間增加，有時(shí)達(dá)到破壞性水平。

對(duì)于塔科馬峽谷大橋，在橋的橫向振動(dòng)和由風(fēng)在橋上注入的空氣動(dòng)力之間存在一個(gè)不穩(wěn)定的反饋環(huán)。就是說(shuō)，空氣動(dòng)力作為橋振動(dòng)的函數(shù)變化，反之亦然，隨著振動(dòng)速度幅值增加，空氣動(dòng)力也增加，反饋環(huán)不穩(wěn)定在于空氣動(dòng)力和橋的振蕩隨時(shí)間而相互增強(qiáng)。最后，振幅之大致使橋中央毀壞。

不穩(wěn)定的識(shí)別

機(jī)械不穩(wěn)定的識(shí)別需要結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征，機(jī)械不穩(wěn)定產(chǎn)生如下不尋常的振動(dòng)特征：

1. 間歇性高振動(dòng)

不穩(wěn)定產(chǎn)生相對(duì)于“正?！彼椒浅８叩恼駝?dòng)發(fā)作，在不穩(wěn)定狀態(tài)，運(yùn)行振動(dòng)可能比穩(wěn)定狀態(tài)高出幾百倍，通常呈現(xiàn)似乎是振動(dòng)“開(kāi)”或“關(guān)”。

2. 不存在周期性的激勵(lì)

由于不穩(wěn)定是自發(fā)產(chǎn)生的，它們通常在缺乏周期性振源的情況下發(fā)生，維持不穩(wěn)定性的交變力是由不穩(wěn)定性本身產(chǎn)生的，不需要外部力。沒(méi)有周期性激勵(lì)源表明可能是不穩(wěn)定性問(wèn)題。

3. 振幅隨時(shí)間變化很大

不穩(wěn)定通常產(chǎn)生大的振幅變化，振幅可能相對(duì)快速地升高或降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如當(dāng)運(yùn)行在不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，一個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)在小于5秒內(nèi)從1.27mm/s升高到76.2mm/s。

4. 非同步純音調(diào)振動(dòng)頻率

不穩(wěn)定通常發(fā)生在系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速的非整數(shù)倍，但也不總是如此（例如壓延機(jī)條紋），非同步振動(dòng)可能指示問(wèn)題不是共振激勵(lì)。

5. 振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷或其它過(guò)程參數(shù)敏感

不穩(wěn)定對(duì)工況包括轉(zhuǎn)速極其敏感，不穩(wěn)定可能通過(guò)改變一個(gè)過(guò)程變量?jī)H僅幾個(gè)百分比被觸發(fā)或終止。

6. 主要振動(dòng)頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率

不穩(wěn)定通常與結(jié)構(gòu)的固有頻率有關(guān)，這是因?yàn)椴环€(wěn)定最容易發(fā)生在結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)中的主要強(qiáng)迫函數(shù)是動(dòng)態(tài)柔性的情況下，由于固有頻率導(dǎo)致動(dòng)態(tài)柔性，不穩(wěn)定會(huì)發(fā)生在相近的頻率。

7. 存在一個(gè)機(jī)械反饋機(jī)制

不穩(wěn)定需要反饋，所有機(jī)械不穩(wěn)定具有一個(gè)固有的存在于結(jié)構(gòu)振動(dòng)與過(guò)程的某個(gè)關(guān)鍵組件的變化之間的反饋機(jī)制。有時(shí)，這個(gè)反饋機(jī)制不是即刻顯見(jiàn)的，將需要對(duì)過(guò)程和設(shè)備的深度研究。如果存在這樣一個(gè)機(jī)制，則極有可能是不穩(wěn)定。

不穩(wěn)定性與共振

上述幾個(gè)特征中有幾個(gè)是不穩(wěn)定獨(dú)有的，如存在一個(gè)反饋機(jī)制和在沒(méi)有激勵(lì)源的情況下存在高的純音調(diào)振動(dòng)。然而，不穩(wěn)定與共振有一些共同的特征，例如二者都對(duì)工況（如轉(zhuǎn)速）敏感，都發(fā)生在結(jié)構(gòu)固有頻率附近。盡管有這些相似，不穩(wěn)定與共振是截然不同的現(xiàn)象，我們將對(duì)二者進(jìn)行比較。共振是在或接近結(jié)構(gòu)的固有頻率運(yùn)行導(dǎo)致的高振動(dòng)，它是一個(gè)強(qiáng)迫振動(dòng)問(wèn)題，可以由如下圖表示。

假定系統(tǒng)是線性的，振幅直接激勵(lì)力的大小，因此，如果力增加一倍，振動(dòng)幅值也增加一倍。同樣，振幅直接正比于柔性函數(shù)在激勵(lì)頻率的幅值，如果系統(tǒng)的柔性增加一倍（即系統(tǒng)剛度減小一半），振幅增加一倍。

相比之下，雖然不穩(wěn)定通常與固有頻率相聯(lián)系，但是它不是由固有頻率引起的。不穩(wěn)定性的根源是反饋機(jī)制的存在，它在系統(tǒng)中建立了不穩(wěn)定的反饋回路。不穩(wěn)定總是包含反饋機(jī)制，可以用下圖表示。

對(duì)于不穩(wěn)定，振幅主要是系統(tǒng)穩(wěn)定性的函數(shù)，振幅不必受激勵(lì)力的存在、大小或結(jié)構(gòu)的柔性影響，問(wèn)題在于系統(tǒng)是否穩(wěn)定。在不穩(wěn)定狀態(tài)，振幅可以高出穩(wěn)定狀態(tài)幾百倍。

共振是一個(gè)受迫振動(dòng)問(wèn)題，需要一個(gè)接近結(jié)構(gòu)固有頻率有相當(dāng)能量的交變力。這個(gè)力獨(dú)立于運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止時(shí)力仍存在。如果激勵(lì)源的頻率和固有頻率足夠分開(kāi)，可以消除共振。

不穩(wěn)定是自激的，維持運(yùn)動(dòng)的交變力由運(yùn)動(dòng)本身產(chǎn)生和控制，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止，力也消失。不穩(wěn)定需要能量，但是能量的頻率成分是不重要的，減小或消除激勵(lì)源對(duì)問(wèn)題幾乎沒(méi)有影響，因?yàn)椴环€(wěn)定性不是由外部的交變力引起的。

下表總結(jié)了共振和不穩(wěn)定性之間的相似性和差異。

審核編輯 ：李倩