第1章绪论
1.1动力学及其理论体系
1.1.1动力学概念
动力学是研究系统状态变化、分析作用于物体的力与物体运动关系的学科。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。原子和亚原子粒子的动力学研究属于量子力学，可比拟光速的高速运动动力学问题则属于相对论力学的研究范畴。动力学是物理学和天文学的基础，也是航空、航天、交通、装备制造等许多工程学科的基础。动力学分析是飞机、车辆、加工机床、各类旋转类机械动态设计和优化设计的重要分析手段。
动力学的研究以牛顿运动定律为基础，牛顿运动定律的建立则以实验为依据。动力学的基本内容包括质点动力学、质点系动力学、刚体动力学、达朗贝尔原理等。以动力学为基础发展起来的应用学科有天体力学、振动理论、运动稳定性理论、陀螺力学、外弹道学、变质量力学、多刚体系统动力学、晶体动力学、分子动力学等。对于机械系统，动力学的研究包括系统的动态特性分析与动态设计、动力特性的检测与分析、动力学参数的测试与识别、机械系统的状态监测与故障诊断等。
质点动力学有两类基本问题：一是已知质点的运动，求作用于质点上的力；二是已知作用于质点上的力，求质点的运动。求解第一类问题时，只要对质点的运动方程取二阶导数，得到质点的加速度，代入牛顿第二定律，即可求得力；求解第二类问题时，需要求解质点的运动微分方程或求积分。质点运动微分方程就是把牛顿运动第二定律写为包含质点的坐标对时间的导数的方程。
在目前所研究的动力学系统中，需要考虑的因素逐渐增多，如变质量、非线性、非保守、反馈控制、随机因素等，使运动微分方程越来越复杂。因此，许多动力学问题都需要用数值计算法近似求解。
动力学系统的研究领域还在不断扩大，如增加热和电等成为系统动力学、增加生命系统的活动成为生物动力学、依靠牛顿力学来模拟分子的运动形成分子动力学等，这都使得动力学在深度和广度两个方面有了进一步的发展。
1.1.2机械系统动力学的理论体系
机械系统动力学是研究由机械元件组成的机械系统(如齿轮结构、转子系统、加工机床等)的动力学问题。机械系统动力学的研究内容非常丰富，如对于图1.1.1所示的机械传动系统框图，动力学研究的问题可归结为如下三类。
(1)已知激励x和系统S，求响应y：这类问题称为系统动力响应分析，又称为动态分图1.1.1机械传动系统框图析。这是工程中*常见和*基本的问题，其主要任务是为计算与校核机器和结构的强度、刚度、允许的振动能量水平提供依据。动力响应包括位移、速度、加速度、应力和应变等。
(2)已知激励
x和响应y，求系统S：这类问题称为系统识别，即求系统的数学模型与结构参数，也称为系统设计，主要是通过获得系统的物理参数(如质量、刚度及阻尼等)了解系统的固有特性(如自然频率、主振型等)。在目前现代化测试实验手段已十分完备的情况下，这类研究十分有效。
(3)已知系统
S和响应y，求激励x：这一类问题称为环境预测。例如，为了避免产品在运输过程中损坏，需要记录车辆或产品的振动，通过分析了解运输过程的振动环境以及对产品产生的激励，从而为减振包装设计提供依据。又如，通过检测飞机飞行时的动态响应预测飞机飞行时的随机激励环境，为飞机的优化设计提供依据。
根据是否考虑材料的变形、连续性和响应特性，机械系统动力学中的动态分析问题可以分为刚性动力学问题、弹性动力学问题、塑性动力学问题和断裂动力学问题。
根据机械结构的组成层次和结构特点，机械系统动力学分析可以从单元、结构、系统和整机四方面展开。
机械系统动力学研究的基本问题是激励、系统和响应三者之间的关系问题，在实际分析中，有正问题和反问题两类动力学问题。机械系统动力学的正问题是，在已知系统和工作环境的条件下分析、求解系统的动态响应，其中包括确定和描述动态激励、系统模型和响应的求解问题等。机械系统动力学的反问题是，在已知动态响应的条件下进行载荷识别、故障诊断、模型修正和优化等。
按照应用领域，动力学问题有机床动力学问题、车辆动力学问题、船舶动力学问题、飞机动力学问题、机器人动力学问题等。各类设备的动力学研究既有共性问题，又有各自的特殊问题。
按照在结构动力学分析和动态设计中的作用，机械系统动力学主要有机械系统动态特性分析、动力学参数测试与识别、机械系统的状态监测与故障诊断、机械结构的动态设计等问题。机械系统动力学的研究内容和体系框图如图1.1.2所示。
1.2机械系统的动态特性分析
机械装备的动态特性分析主要包括以下几个方面。
1)机械振动分析
机械振动是机械运动过程中普遍存在的重要问题。惯性力的不平衡、外载荷变化及其系统参数变化等因素，都有可能引起振动。减小或隔离振动是提高机械装备运动特性及运动精度的基本任务。可以用动平衡、改进机械本身结构或主动控制方法等消除或减小振动。
2)机械运行状态分析
机械运行一般有两种状态，即稳定运行状态和瞬时运行状态。在稳定运行状态下，机械的运行是稳定、周期性的；在瞬时运行状态下，机械运动呈非周期状态。当机械启动、停车或发生意外事故时，会呈现瞬时运行状态。对机械运行状态进行分析，不仅可了解机械正常工作的状态，而且对机械运行状态的监测、故障分析和诊断都很重要。通过动力学分析可以知道各类故障对机械运行状态有什么影响，从而确定监测的参数及部位，为故障分析提供依据。
3)机械动态精度分析
在一些情况下，特别是对于轻型高速机械，由于其构件本身变形或者运动副中间隙的影响，机械运行状态不能达到预期的精度，此时机械的运行状态不仅和作用力有关，还和机械运动的速度有关，这种状态下所具有的精度称为动态精度。研究构件的弹性变形、运动副间隙对机械运动的影响是机械动力学研究的一个重要方面。
4)机械动载分析
机械设备中的动载荷有周期性、非周期性、短时强载荷等类型。不同形式的动载荷将引起机械系统的不同响应，且与材料性质、运行状态和机械设备的结构形式等密切相关。机械设备中的动载荷往往是构件磨损和破坏的重要因素，也是影响机械设备动态特性的重要因素。因此，机械系统的动载荷分析是改善机械性能、达到优化设计的必要手段。
5)机械动态设计
机械动态设计是提高机械设备动态特性和运动精度，实现优化设计的重要手段。机械动态设计包括驱动部件的选择、构件参数(质量分布、刚度)的设计、机械惯性力平衡设计等。
6)性能主动控制
许多机械设备的工作环境是变化的，需要采用相应的手段来控制机械系统动力特性，以保证系统在不同条件下按预期要求工作。控制的因素包括输入的动力、系统的参数或外加控制力等。在分析控制方法的有效性和控制参数的范围等问题上，均需要进行动力学分析。
1.3机械系统的动力学参数测试与识别
在进行机械装备，尤其是旋转机械的动力学分析时，一般需要确定系统的临界转速、稳定界限或者动力响应。在分析过程中，关键问题是要建立一个适宜的力学模型，将实际的复杂转子系统简化成易于分析计算的模型，若模型本身或者模型中的某些参数与实际值有较大的出入，即使采用精度很高的计算方法，计算结果也会出现较大误差。对转子本身的质量和刚度的离散与简化的方法已经比较成熟，因此确定转子系统端部及支承处的边界参数是提高分析精度的关键。边界参数与实际的装配、安装条件有关，随机因素较多。例如，用滑动轴承支承的大型汽轮发电机转子系统，其支承油膜的实际刚度和阻尼系数等参数大多采用数值计算方法确定，如果计算模型与实际结构有较大差别，那么计算得到的临界转速或不平衡响应等与实际结果会有较大的误差，特别是在现场安装之后，轴承的工况与设计工况常有不少差异，误差会更大。因此，边界条件的确定是转子动力学计算及工程设计中的关键问题。
轴承、阻尼器等部件的动力特性参数，也可通过各种实验方法测试确定，各种实验测试方法与各种数值计算方法相辅相成、互相补充、互相校核、同步发展。
1.4机械系统的状态监测与故障诊断
状态监测与故障诊断作为一门设备现代化管理的新兴学科，主要服务于机械系统的全寿命管理。机械系统的全寿命管理决策过程包括系统运行、状态监测、故障诊断、趋势预报以及决策维修等，如图1.4.1所示。
1.4.1机械系统的状态监测与评估
机械系统的状态监测是利用各种传感器对反映设备工作状态的物理、化学量进行检测，从而判断设备的运行状态，实现对设备状态跟踪而进行的采集、识别、分类和分析等活动。然后由专家根据监测所得到的反映设备状态的各种测量值，用所掌握的被诊断设备的知识及经验进行推理和判断，找出故障原因、故障部位，并提出相应的应急措施和处置方案。
目前已开发的监测技术种类很多，按其监测的征兆可分为动力学效应、颗粒效应、化学效应、物理效应、温度效应、电学效应等。连续监测反映设备状态变化的预警参数，就可以获得故障初期的信息。一般有三种状态监测方法：手动检查、便携式状态监测和在线自动状态监测。
在状态监测维修智能预测决策过程中，设备状态数据的分析和利用至关重要。设备状态分析一般包括设备状态评估、设备状态分类和设备故障维护。
设备状态评估主要包括两个方面，即智能状态故障诊断和设备性能衰退趋势预测。智能状态故障诊断的主要任务是探察设备异常状态、识别症状、分析症状信息和确定影响生产的故障原因，特别适用于复杂情况。智能状态故障诊断分为三种基本类别：案例故障诊断、标准故障诊断和模型故障诊断。设备性能衰退趋势预测是通过对机械装备的特征参数进行连续监测，依据所得数据确定机械装备的运行状态，并对将来的运行状态做出估计，预报和确定机械装备的剩余寿命。
1.4.2故障诊断及其基本任务
故障诊断(又称诊断)是一种了解和掌握机械设备在运行过程中的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。油液监测、振动监测、噪声监测、性能趋势分析和无损探伤等为设备故障的主要诊断技术方式。用来检查寻找故障的程序称为诊断程序，对机械设备或系统执行诊断的系统称为诊断系统。系统故障诊断是对系统运行状态和异常情况做出判断，为系统故障恢复提供依据。要对系统进行故障诊断，必须对其进行检测。在发生系统故障时，对故障类型、故障部位及原因进行诊断，给出解决方案，实现故障恢复。
故障诊断的主要任务有故障检测、故障类型判断、故障定位及故障恢复等。故障检测是指与系统建立连接后，周期性地向下位机发送检测信号，通过接收的响应数据帧判断系统是否产生故障；故障类型判断是指系统在检测出故障之后，通过分析原因判断出系统故障的类型；故障定位是指在前两步的基础上，细化故障类型，诊断出系统具体故障部位和故障原因，为故障恢复做准备；故障恢复是指根据故障的不同原因，采取不同措施，对系统故障进行恢复。
1.4.3故障诊断的性能指标
评价故障诊断系统的性能指标大体上可分为三个方面，即故障诊断的检测性能指标、
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