振動利用工程
內(nèi) 容 簡 介
本書主要論述作者所在科研團(tuán)隊長期從事振動利用工程的科學(xué)研究工作所取得的理論與實際成果，同時也吸取了國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域各研究分支上所取得的部分主要成果，是國內(nèi)外在該科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的第一部內(nèi)容全面而系統(tǒng)的專著。本書除建立了“振動利用工程”這一新學(xué)科的理論框架外，還從工藝?yán)碚摰膭?chuàng)新、振動機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新、非線性動力學(xué)理論的創(chuàng)新，以及這些技術(shù)的工程應(yīng)用等出發(fā)，詳細(xì)闡述了振動利用技術(shù)與設(shè)備工藝過程的理論、線性或近似于線性振動的利用、非線性振動的利用、波及波能的利用、電磁振蕩器的科學(xué)與工程應(yīng)用，以及相關(guān)的線性與非線性動力學(xué)理論和試驗研究的結(jié)果。此外，還扼要舉例說明了研究自然界與人類社會中的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律利用的重要性及其意義。
本書可供從事振動工程，特別是從事振動利用工程的科技工作者及大專院校的研究生、高年級本科生閱讀，還可供企業(yè)和技術(shù)部門的科技人員參考。
第一作者簡介
聞邦椿 原籍浙江溫嶺，1930年9月生于浙江省杭州市。1957年東北工學(xué)院機(jī)械系研究生畢業(yè)。現(xiàn)為東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院教授，機(jī)械電子工程研究所名譽所長，IFToMM(國際機(jī)器理論與機(jī)構(gòu)學(xué)聯(lián)合會)中國委員會委員，國際轉(zhuǎn)子動力學(xué)技術(shù)委員會委員，亞太振動會議指導(dǎo)委員會委員，中國振動工程學(xué)會名譽理事長，上海交通大學(xué)“振動、沖擊、噪聲”國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會名譽主任；曾任第六、七、八、九屆全國政協(xié)委員，國務(wù)院學(xué)位委員會第二、三、四屆機(jī)械工程學(xué)科評議組成員，中國振動工程學(xué)會理事長和《振動工程學(xué)報》主編等；現(xiàn)任或曾任全國20余所大學(xué)的兼職教授、顧問教授和名譽教授。1984年被評為全國第一批有突出貢獻(xiàn)的中青年專家，1991年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。
他系統(tǒng)地研究和發(fā)展了振動學(xué)與機(jī)器學(xué)相結(jié)合的新學(xué)科“振動利用工程”，還研究了轉(zhuǎn)子動力學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)非線性振動理論及應(yīng)用、機(jī)械故障的振動診斷、機(jī)電一體化以及工程機(jī)械理論的某些問題。曾發(fā)表論文700余篇，其中SCI、EI和ISTP三大檢索系統(tǒng)論文150余篇，有專著和主編論文集10余部。
他曾指導(dǎo)了100余名研究生，已有61名研究生取得了碩士學(xué)位，43名研究生取得了博士學(xué)位，還曾指導(dǎo)博士后5名、俄羅斯和哈薩克斯坦訪問學(xué)者各一名。
他曾應(yīng)邀去日本、德國、澳大利亞等國講學(xué)，參加過在美、英、日、澳、加、意、韓、保、匈、新、馬、芬、前蘇聯(lián)、西班牙等20余個國家召開的國際學(xué)術(shù)會議，宣讀論文50余篇，并多次應(yīng)邀做大會報告，還曾訪問德、波、瑞士、瑞典、烏克蘭、拉脫維亞、泰國、朝鮮等國。他曾主持召開國際學(xué)術(shù)會議4次，主編國際學(xué)術(shù)會議論文集4種。
他完成廠數(shù)十項國家和橫向重大科研項目，包括國家自然科學(xué)基金重大項目、面上項目和973、863項目等，曾獲國際獎兩項，國家發(fā)明獎和科技進(jìn)步獎3項，省、部、委級獎10余項，國家專利8項。有多項成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，取得廠重大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
本書是作者及其領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊30余年參與科學(xué)研究實踐所取得的重要科研成果之一。
前 言
“振動利用工程”是20世紀(jì)后半期逐漸形成和發(fā)展起來的一門新學(xué)科。目前，它正處在迅速發(fā)展過程中，由于該學(xué)科所涉及的技術(shù)與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類生活聯(lián)系得十分密切，它能為社會創(chuàng)造重大的效益，能為人類生活提供極大的方便和良好的服務(wù)，已成為人類生產(chǎn)活動與生活過程中一種不可缺少的手段與必要的機(jī)制。
振動利用工程最近30多年來的發(fā)展舉世矚目。就拿振動機(jī)械來說，目前已成功應(yīng)用于工礦企業(yè)中的該類機(jī)器已達(dá)到數(shù)百種之多，在許多部門，如采礦、冶金、煤炭、石油化工、機(jī)械、電力、水利、土木、建筑、建材、鐵路、公路交通、輕工、食品和谷物加工、農(nóng)田耕作、生物工程、信息技術(shù)等部門以及在人類日常生活過程中，數(shù)以萬計的振動機(jī)器和振動儀器已成功用來完成許多不同的工藝過程。
在振動利用技術(shù)中，除利用線性振動原理和非線性振動原理外，波動與波能在許多部門也得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在工程地質(zhì)部門，利用振動所發(fā)生的應(yīng)力波進(jìn)行檢測和地質(zhì)勘探；在石油開采中，利用振動所引發(fā)的彈性波來提高原油產(chǎn)量；在海洋工程方面，海浪波動的能量可以用來發(fā)電；在醫(yī)療方面，利用超聲波等診斷和治療疾病，彩超、醫(yī)用CT和核磁共振等，都是對振動與波動原理的實際應(yīng)用；在電子和通信工程方面，電視機(jī)和收音機(jī)中的振蕩電路、門鈴、電話機(jī)、光導(dǎo)纖維通信技術(shù)、錄音機(jī)、電視機(jī)、收音機(jī)、程控電話等諸多電子器件以及電子計時裝置和通信系統(tǒng)使用的諧振器等都是通過振動才能有效地工作。
從廣義的角度來看，在自然界及宇宙中到處存在著振動，月亮的圓缺、潮汐的漲落、樹木的年輪等，對這些振動和波動現(xiàn)象進(jìn)行研究，找出其內(nèi)在規(guī)律，并進(jìn)行有效的利用，無疑會產(chǎn)生重大的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益，并造福于人類。
在社會與經(jīng)濟(jì)生活中，如人口的增長與衰減、農(nóng)作物蟲災(zāi)發(fā)生的周期性現(xiàn)象、股市的漲跌和振蕩、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中速度的增長與衰減等，都可以歸納為不同形式的振動。
振動按其類型大致可分為：線性振動與近似于線性的振動、非線性振動、波動(水波、應(yīng)力波、聲波、超聲波、紅外波、可見光波、紫外波、各種射線波等)及電磁振蕩等。因此，可將振動利用工程技術(shù)分為線性與近似于線性的振動的利用、非線性振動的利用、波動和波能的利用、電磁振蕩器在工程技術(shù)中的應(yīng)用、自然界和人類社會中的振動現(xiàn)象與規(guī)律及其利用等。
隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，新用途的振動利用技術(shù)將會不斷出現(xiàn)，它們在各個部門中的使用也將日益增多，并將發(fā)揮越來越重要的作用。為了使這類技術(shù)獲得更有效的使用并促進(jìn)其進(jìn)一步的發(fā)展，對它們的工作理論與設(shè)計計算方法進(jìn)行較系統(tǒng)和詳細(xì)的敘述無疑是十分必要的。特別是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，諸如非線性動力學(xué)理論與方法、現(xiàn)代設(shè)計理論與方法和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用最新的科學(xué)技術(shù)，構(gòu)建起“振動利用工程”新學(xué)科的理論框架，并對振動利用技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行全面、系統(tǒng)的闡述，為該種技術(shù)與設(shè)備提供研究、設(shè)計的理論與方法，將是研究與開發(fā)出新的技術(shù)與設(shè)備，以及保證該類機(jī)械可靠和有效運行的重要措施和必要手段。
本書是聞邦椿教授及其所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊經(jīng)過30多年的努力所取得的科研成果的總結(jié)，其中提出的創(chuàng)造性成果有：
1)構(gòu)建了“振動利用工程”新學(xué)科的理論框架，這不僅在國內(nèi)，而且在國際上也是首次提出的。
2)在工藝?yán)碚撆c技術(shù)創(chuàng)新方面，介紹了作者從事振動利用工程研究在工藝?yán)碚撆c實際應(yīng)用方面所取得的成果。例如，提出了概率—等厚篩分的理論，各類工作面上物料滑行和拋擲運動的理論，以及篩分過程的理論等，并將其應(yīng)用于振動機(jī)械的工作過程中。
3)在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方面，提出了多種新的振動機(jī)構(gòu)。例如，激振器偏轉(zhuǎn)式自同步振動機(jī)構(gòu)、特殊形式的非線性慣性共振式振動機(jī)構(gòu)等，獲多項國家專利。
4)在非線性動力學(xué)理論創(chuàng)新方面，總結(jié)作者長期對振動與波動利用技術(shù)及設(shè)備工作理論方面所進(jìn)行的系統(tǒng)研究和試驗，為振動利用工程學(xué)的多個分支(如振動同步與控制同步理論的應(yīng)用、非線性振動的利用、波及波能的利用等分支)創(chuàng)建了理論基礎(chǔ)。例如，各類振動機(jī)械的動力學(xué)理論、振動機(jī)械系統(tǒng)等效質(zhì)量和等效阻尼的計算方法、振動機(jī)械與設(shè)備的二次隔振的理論與計算方法、雙電機(jī)或多電機(jī)驅(qū)動振動機(jī)的振動同步理論和方法、非線性振動機(jī)械的動力學(xué)分析與動力學(xué)參數(shù)計算方法、振動機(jī)械及其主要零部件的動態(tài)設(shè)計方法等，書中許多內(nèi)容都是國內(nèi)外參考文獻(xiàn)中未曾見到過的。
5)在設(shè)計理論與方法的創(chuàng)新方面，提出了較為系統(tǒng)的振動機(jī)械動態(tài)設(shè)計理論與方法，特別是非線性振動機(jī)械的動態(tài)設(shè)計理論與方法，以及以動態(tài)優(yōu)化、智能優(yōu)化與可視優(yōu)化為內(nèi)容的綜合設(shè)計法，為高質(zhì)量的該類產(chǎn)品的設(shè)計，特別是新產(chǎn)品的研究與開發(fā)提供廠理論參考及依據(jù)。
6)在工程應(yīng)用方面，30年來作者將所取得的理論成果與應(yīng)用成果推廣應(yīng)用于工程實際。例如，大型激振器偏轉(zhuǎn)式自同步振動篩、慣性共振式概率篩、新結(jié)構(gòu)的振動破碎機(jī)、新結(jié)構(gòu)的振動冷卻機(jī)等，并成功應(yīng)用于工業(yè)部門，取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，獲國家發(fā)明獎、國家科技進(jìn)步獎及省部級獎10余項。
本書在總結(jié)作者所取得成果的基礎(chǔ)上，還吸取了國內(nèi)外科技工作者在這一領(lǐng)域所取得的部分最新重要研究成果，使本書的內(nèi)容更為充實。
本書共分8章。第1章為概論，介紹振動利用工程學(xué)的形成與發(fā)展；第2章介紹振動與波利用工程領(lǐng)域的若干重要成果；第3章講述振動利用技術(shù)與設(shè)備工藝過程的理論；第4、5章討論線性或近似于線性的和非線性振動的利用；第6章討論波及波能的利用；第7章介紹電磁振蕩器的理論及應(yīng)用；第8章簡略介紹自然界與人類社會中的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用。
參加本書著述和撰寫的有聞邦椿、李以農(nóng)、張義民、宋占偉等教授。在編寫過程中，還吸取了本科研團(tuán)隊其他同志長期研究工作所取得的成果，他們是關(guān)立章、張國忠、任立義、紀(jì)盛青、劉樹英、文成秀、段志善、劉杰、張?zhí)靷b、何勍、曾海泉、徐培民、芮延年、嚴(yán)世榕、袁惠群、韓清凱等教授，范儉、戚靖洋、趙春雨、王鳳蘭、宿蘇英、李鴻光、熊萬里、彭世德等副教授，林向陽、駱明飛、劉永熙、宮照民、張泓、徐天寧、孔慶華、王華君、馬乃慶等高級工程師，以及李鶴、姚紅良、劉子和、魏海燕博士等。在本書編寫與審稿過程中，我們還得到黃文虎院士、楊叔子院士、高金吉院士、陳予恕教授、鄭兆昌教授、胡海巖教授、王殿忠教授等的幫助，博士研究生陳宏、張曉偉、李小彭、宋雪萍、王黎、于濤、孫偉、馬輝、毛居全等也給予了協(xié)助，此外，還得到了東北大學(xué)機(jī)械電子工程研究所、徐州工程機(jī)械集團(tuán)、首都鋼鐵公司、洛陽礦山機(jī)械設(shè)計研究院、鞍山礦山機(jī)械股份有限公司、河南威猛振動機(jī)械股份有限公司、朝陽振動機(jī)械廠、海安振動機(jī)械廠、鐘祥機(jī)電制造有限公司等有關(guān)兄弟單位同志們的大力支持和協(xié)助，在此特向他們致以衷心的謝意。
應(yīng)該特別提出，本書編入的研究成果中相當(dāng)一部分取自我們承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項目(項目編號：59475005，50075015，59075175，59875010)、兩項博士點基金項目，以及其他科研項目；本書的出版還得到了科技部出版基金委員會出版基金的資助；在此一并向他們表示衷心的感謝。
書中難免會有不妥甚至錯誤之處，懇請廣大讀者給予批評指正。
目 錄
前 言
第1章 振動利用工程學(xué)的形成與發(fā)展-------------------------------------1
1．1 引言--------------------------------------------------------1
1．2 振動機(jī)械與振動儀器及其才目關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展----------------4
1．3 非線性振動利用技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展------------------------------6
1．4 波動與波育巳利用技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展----------------------------9
1．5 電、磁、光的振蕩器在工程技術(shù)中的應(yīng)用-----------------------13
1．6 自然界中的振動現(xiàn)象與振動規(guī)律及其利用-----------------------14
1. 7 人類社會中的振動現(xiàn)象與振動規(guī)律及其利用---------------------15
1．8 展望-------------------------------------------------------15
第2章 振動與波利用工程領(lǐng)域的若干重要成果----------------------------17
2．1 振動輸送技術(shù)的應(yīng)用-----------------------------------------18
2．2 振動篩分技術(shù)的應(yīng)用-----------------------------------------19
2．3 振動離心脫水技術(shù)與選分技術(shù)的應(yīng)用---------------------------22
2，4 振動破碎與磨碎技術(shù)的應(yīng)用-----------------------------------24
2．5 振動壓實與振動成型技術(shù)的應(yīng)用-------------------------------26
2．6 振搗技術(shù)的應(yīng)用---------------------------------------------28
2．7 振動夯土技術(shù)與振動沉拔樁技術(shù)的應(yīng)用-------------------------30
2．8 振動診斷技術(shù)的應(yīng)用-----------------------------------------31
2．9 同步理論的應(yīng)用---------------------------------------------33
2．10 共振理論的應(yīng)用--------------------------------------------34
2．11 滯回系統(tǒng)的應(yīng)用--------------------------------------------36
2．12 沖擊原理的應(yīng)用--------------------------------------------37
2．13 慢變參數(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用----------------------------------------38
2．14 混沌的應(yīng)用------------------------------------------------39
2．15 分段慣性力的應(yīng)用------------------------------------------40
2．16 分段恢復(fù)力的應(yīng)用------------------------------------------41
2．17 水波及風(fēng)波的應(yīng)用------------------------------------------42
2．18 應(yīng)力波或彈性波的應(yīng)用--------------------------------------42
2．19 超聲理論與技術(shù)的應(yīng)用--------------------------------------43
2．20 光導(dǎo)纖維技術(shù)與激光技術(shù)的利用------------------------------44
2．21 各種射線波的利用------------------------------------------45
2．22 振蕩理論與技術(shù)的利用--------------------------------------46
2．23 氣象領(lǐng)域的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用------------------------48
2．24 社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用--------------------48
2．25 生物工程及醫(yī)療設(shè)備中振動原理的利用------------------------49
第3章 振動利用技術(shù)與設(shè)備工藝過程的理論------------------------------51
3．1 直線運動振動機(jī)械物料運動的理論及工藝參數(shù)計算---------------51
3．2 圓運動和橢圓運動振動機(jī)械物料運動的理論及工藝參數(shù)計算-------79
3．3 非諧和振動機(jī)械物料運動的基本特征---------------------------89
3．4 振動離心脫水機(jī)物料運動的理論-------------------------------92
3．5 物料篩分過程的概率理論------------------------------------102
3．6 篩分方法的種類及概率厚層篩分法----------------------------112
3．7 振動機(jī)械工藝過程的動力學(xué)理論------------------------------119
第4章 線性或近似于線性的振動的利用---------------------------------122
4．1 平面運動單軸慣性式非共振型振動機(jī)械的動力學(xué)----------------122
4．2 空間運動單軸慣性式非共振型振動機(jī)械的動力學(xué)----------------128
4．3 雙軸慣性式非共振型振動機(jī)械的動力學(xué)------------------------130
4，4 多軸慣性式非共振型振動機(jī)械的動力學(xué)------------------------135
4．5 慣性式近共振型振動機(jī)械的動力學(xué)----------------------------139
4．6 單質(zhì)體彈性連桿式近共振型振動機(jī)械的動力學(xué)------------------144
4．7 雙質(zhì)體彈性連桿式近共振型振動機(jī)械的動力學(xué)------------------146
4．8 多質(zhì)體彈性連桿式近共振型振動機(jī)械的動力學(xué)------------------151
4．9 諧波電磁力的電磁式近共振型振動機(jī)械的動力學(xué)----------------154
4．10 非諧波電磁力的電磁式近共振型振動機(jī)械的動力學(xué)-------------159
第5章 非線性振動的利用---------------------------------------------166
5．1 引言------------------------------------------------------166
5．2 光滑非線性振動系統(tǒng)的利用----------------------------------171
5．3 分段線性非線性振動系統(tǒng)的工程應(yīng)用--------------------------177
5．4 含滯回非線性作用力的振動系統(tǒng)的利用------------------------187
5．5 自激振動系統(tǒng)的應(yīng)用----------------------------------------194
5．6 帶有沖擊的非線性振動系統(tǒng)的工程應(yīng)用------------------------196
5．7 頻率俘獲原理的工業(yè)應(yīng)用------------------------------------199
5．8 含非線性慣性力項的非線性振動系統(tǒng)的利用--------------------218
5．9 慢變參數(shù)非線性振動系統(tǒng)的利用------------------------------223
5．10 混沌的利用-----------------------------------------------227
第6章 波及波能的利用-----------------------------------------------237
6．1 潮汐能的利用----------------------------------------------237
6．2 海浪能的利用----------------------------------------------239
6．3 振動采油技術(shù)中應(yīng)力波的利用--------------------------------240
6．4 在結(jié)構(gòu)健康診斷中應(yīng)力波的利用------------------------------258
6．5 聲波的利用------------------------------------------------285
6．6 超聲波的利用----------------------------------------------292
6．7 電磁波與光波的利用----------------------------------------314
第7章 電磁振蕩器的理論及應(yīng)用---------------------------------------330
7．1 引言------------------------------------------------------330
7．2 電磁振蕩器的結(jié)構(gòu)與原理------------------------------------332
7．3 電磁振蕩器的理論基礎(chǔ)--------------------------------------350
7．4 電磁振蕩器的科學(xué)與工程應(yīng)用--------------------------------355
第8章 自然界與人類社會中的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用-----------------369
8．1 氣象學(xué)中的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用------------------------370
8．2 潮汐的周期性振動及其利用----------------------------------376
8．3 其他自然現(xiàn)象的振動規(guī)律及其利用----------------------------380
8．4 某些經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的振動現(xiàn)象及其振動規(guī)律的利用------------------383
8．5 股市波動規(guī)律及利用----------------------------------------391
8．6 人類自身的振動現(xiàn)象及振動規(guī)律的利用------------------------401
8．7 展望------------------------------------------------------408
參考文獻(xiàn)------------------------------------------------------------410
