機械不穩定是自激振動現象，其發生在機加工、制造和流程工業中，雖然不常見，但是不穩定可能導致破壞性的振動水平和高成本損失。

我們聽說過塔科馬峽谷大橋災難，這座吊橋在完工5個月之后，于1940年11月被風引起的高幅振蕩災難性毀壞。很多人相信它是由于共振激勵導致的，但真正的根源是機械不穩定，即一種自激振動現象。

其它類型的自激振動問題包括：空氣機械（飄動）、轉子動力（失速、分離）、空氣熱動力（火焰不穩定）和反饋網絡（電機，液壓，氣動）。

自激振動問題開始自發地產生振動，其突出的特性是系統的結構振動與過程或結構的關鍵組件的振蕩之間存在的反饋機制，當這個反饋回路不穩定時，振幅隨時間增加，有時達到破壞性水平。

對于塔科馬峽谷大橋，在橋的橫向振動和由風在橋上注入的空氣動力之間存在一個不穩定的反饋環。就是說，空氣動力作為橋振動的函數變化，反之亦然，隨著振動速度幅值增加，空氣動力也增加，反饋環不穩定在于空氣動力和橋的振蕩隨時間而相互增強。最后，振幅之大致使橋中央毀壞。

不穩定的識別

機械不穩定的識別需要結合結構動力學知識仔細分析結構的振動特征，機械不穩定產生如下不尋常的振動特征：

1. 間歇性高振動

不穩定產生相對于“正常”水平非常高的振動發作，在不穩定狀態，運行振動可能比穩定狀態高出幾百倍，通常呈現似乎是振動“開”或“關”。

2. 不存在周期性的激勵

由于不穩定是自發產生的，它們通常在缺乏周期性振源的情況下發生，維持不穩定性的交變力是由不穩定性本身產生的，不需要外部力。沒有周期性激勵源表明可能是不穩定性問題。

3. 振幅隨時間變化很大

不穩定通常產生大的振幅變化，振幅可能相對快速地升高或降低一個數量級。例如當運行在不穩定狀態時，一個系統的振動在小于5秒內從1.27mm/s升高到76.2mm/s。

4. 非同步純音調振動頻率

不穩定通常發生在系統中旋轉部件轉速的非整數倍，但也不總是如此（例如壓延機條紋），非同步振動可能指示問題不是共振激勵。

5. 振動對轉速、負荷或其它過程參數敏感

不穩定對工況包括轉速極其敏感，不穩定可能通過改變一個過程變量僅僅幾個百分比被觸發或終止。

6. 主要振動頻率接近結構的固有頻率

不穩定通常與結構的固有頻率有關，這是因為不穩定最容易發生在結構對系統中的主要強迫函數是動態柔性的情況下，由于固有頻率導致動態柔性，不穩定會發生在相近的頻率。

7. 存在一個機械反饋機制

不穩定需要反饋，所有機械不穩定具有一個固有的存在于結構振動與過程的某個關鍵組件的變化之間的反饋機制。有時，這個反饋機制不是即刻顯見的，將需要對過程和設備的深度研究。如果存在這樣一個機制，則極有可能是不穩定。

不穩定性與共振

上述幾個特征中有幾個是不穩定獨有的，如存在一個反饋機制和在沒有激勵源的情況下存在高的純音調振動。然而，不穩定與共振有一些共同的特征，例如二者都對工況（如轉速）敏感，都發生在結構固有頻率附近。盡管有這些相似，不穩定與共振是截然不同的現象，我們將對二者進行比較。共振是在或接近結構的固有頻率運行導致的高振動，它是一個強迫振動問題，可以由如下圖表示。

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

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

對于不穩定，振幅主要是系統穩定性的函數，振幅不必受激勵力的存在、大小或結構的柔性影響，問題在于系統是否穩定。在不穩定狀態，振幅可以高出穩定狀態幾百倍。

共振是一個受迫振動問題，需要一個接近結構固有頻率有相當能量的交變力。這個力獨立于運動，當運動停止時力仍存在。如果激勵源的頻率和固有頻率足夠分開，可以消除共振。

不穩定是自激的，維持運動的交變力由運動本身產生和控制，當運動停止，力也消失。不穩定需要能量，但是能量的頻率成分是不重要的，減小或消除激勵源對問題幾乎沒有影響，因為不穩定性不是由外部的交變力引起的。

下表總結了共振和不穩定性之間的相似性和差異。

審核編輯 ：李倩