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关 键 词：应力消除振动时效处理机
行 业：机械 电焊/切割设备 压焊机
发布时间：2020-06-05
108吨矿用自卸汽车的定点厂，经使用证明，该车性能良好、结构合理。但是，由于作业环境比较恶劣，运行中的汽车车架多次出现断裂裂纹，裂纹部位多发生在中横梁管环缝焊接处及举升轴侧加强板上。
分析认为除材料本身特性及结构应力等原因外，主要是焊接应力造成的（全车四个大的环缝焊区包含五十二个小的焊接环缝）。经动应力测试证明，该车架大部分焊缝区的焊接应力在0.5~0.7σS，个别点接近σS量级。
为消除或降低108吨汽车车架焊接残余应力，防止断裂裂纹发生，原计划建造大型焖火窑，进行热时效处理，但因费用昂贵，未能实施。2005年四月份，厂方与上海乐展电器有限公司一起，经过多次试验研究，用振动时效处理代替热时效消除或降低108吨汽车车架焊接残余应力，效果十分理想。
转数范围：2000 R/Min-8000 R/Min；
激振力调整范围：0-50KN；
电机额定功率：1500W；
适宜处理工件重量：≤30吨
稳速精度：±1R/Min；
加速度量程：0-50.0g；
电机额定电流：10A；
电机额定电压：150V；
供电电源电压：交流220V±10%，50HZ±4%；
绝缘等级：E级；
工作条件：环境温度：-10℃—+40℃；相对湿度：不大于80%（25℃）；
通过工艺试验确定振动时效工艺规程
工艺试验的目的在于给出合理的振动时效工艺参数，制定生产实用型的振动时效工艺规程。其目标是降低车架焊接残余应力，以便给出振动时效工艺参数。
根据工艺试验结果确定工艺规程如下：
1．支撑方式
为使车架易于绕中横梁轴扭振和使两纵横梁沿水平方向扭振而采用三点支撑：在龙门梁底部及两侧梁举升轴座下各放一根枕木形成稳定的三点支撑方式。
2．激振点的确定
根据结构型式确定三个激振点，车架前保险杠端点、龙门梁前悬挂板车架纵梁后氮缸悬挂板（激振器夹在纵梁后氮缸挂板上）。
3．工艺参数的制定（见表15工艺参数表）
4．振动时效工艺程序
①将车架按规定方式放好，并垫好枕木支撑。
②将振动时效装置的激振器垂直固定在纵梁后氮缸悬挂板上，并使激振器平面与纵梁垂直，在另一纵梁后氮缸悬挂板垂直方向上固定拾振器。
③扫频：先将激振器偏心调到一档，然后开机自动扫描，画G-f曲线（见图15）。
④时效处理：将激振器偏心调整到三档，开机后将频率调到6350RPM，仔细观察车架处于振动状态后，开始时效处理，时间15分钟，同时绘出G-t曲线（见图15）。
停机后，重新开机并将频率调到8750RPM进行再次时效处理，时间15分钟，同时绘出第二条G-t曲线（见图15）。
⑤扫频：停机后将激振器偏心调回到一档，然后再开机自动扫频，同时绘出振后的加速度频率曲线（红线）。
⑥自动停机后，将激振器移到另一侧龙门梁前悬挂板上固定，其振动平面与龙门梁平行。按上述程序做同样的时效处理：扫频时激振器调到一档，时效时激振器调到三档。时效时间为10分钟。重新绘出一张G-f、G-T曲线图来，至此时效完成。
整个处理时间为40分钟，加上装卡，调试时间约80分钟。共有两个激振点，三个激振频率。
每个车架振动时效处理完成后，可以获得两张曲线图以供存档。
停机后填写时效工艺卡片，并附以上述两强时效曲线图，以供检查。
转数范围：2000 R/Min-8000 R/Min；
激振力调整范围：0-50KN；
电机额定功率：1500W；
适宜处理工件重量：≤30吨
稳速精度：±1R/Min；
加速度量程：0-50.0g；
电机额定电流：10A；
电机额定电压：150V；
供电电源电压：交流220V±10%，50HZ±4%；
绝缘等级：E级；
工作条件：环境温度：-10℃—+40℃；相对湿度：不大于80%（25℃）；
据船体分段结构的特点，及多次反复试振，确定工艺参数如下：
（1）支承方式：底部四点支承（如图2所示），由于本次处理受现场条件约束，用建造墩支承。
（2）激振点：如图2所示激振器安装在筋板平面上，用卡具卡紧。
（3）拾振位置：底板端部平面处。
（4）激振器偏心：用IFSVSR-2001型设备，偏心为“4档”。
（5）激振频率：通过扫频可见在VSRDS-08设备频率范围内有两个共振峰，在2855转/分和3195转/分左右，处理时可由加速度辐值来控制。
（6）处理时间：20~30分钟。
2．振动处理监测曲线与分析
船体分段在振动处理时给出了监测曲线（见下页），根据JB/T5926.2005机械行业标准的规定，监测曲线中出现下述三种情况之一，即认为振动处理达到了效果：
其一，时间振幅曲线[G（T）]，随着时间在发生变化，即上升型、下降型均可（可由曲线指示或数字显示读数均可）。
其二，幅频特性曲线的对比，振后曲线（虚线）峰值升高。
其三，幅频特性曲线的对比，振后曲线（虚线）峰线左移即频率下降（可由曲线观察或上面数字显示看出）。
根据上述有关规定，观察我们对船体分段处理时获得的曲线图，可以看出：
船体分段的曲线图上时间振幅曲线[G（T）]，呈下降型，峰值升高0.2g，峰点的频率从3195转/分变到3130转/分，下降65转/分，由此可以得出结论，本次处理是有效果的。
转数范围：2000 R/Min-8000 R/Min；
激振力调整范围：0-50KN；
电机额定功率：1500W；
适宜处理工件重量：≤30吨
稳速精度：±1R/Min；
加速度量程：0-50.0g；
电机额定电流：10A；
电机额定电压：150V；
供电电源电压：交流220V±10%，50HZ±4%；
绝缘等级：E级；
工作条件：环境温度：-10℃—+40℃；相对湿度：不大于80%（25℃）；
在水工金属结构、水力机械行业，广泛存在特大型构件、多种材质组合件、现场焊接构件等特殊水工构件，由于不具备特大型退火炉，而且处理时间长、运输困难，无法采用热时效进行消除应力处理。如浙江省水利水电勘测设计院（简称我院）设计的浙江省白水坑水电站压力钢管出口处的钢岔管，为卜型岔管，主要直径3.85m，两只管直径各为2.27m，岔道全长10.78m，宽7.35m，材质为16Mn，重量36000Kg，承压静水头115m。该工件结构复杂，由多片不规则钢板及较厚的月牙肋组焊而成，存在着较大的焊接残余应力，尤其是在月牙肋与主管和支管间的焊缝附近。由于该岔管属于大型焊接构件，因此迫切需要寻求一种可靠、高效的消除残余应力工艺方法。
2 振动时效工艺
振动时效工艺（Vibratory Stress Relief）简称VSR技术，自20世纪70年代末从国外引进，经过国内的系统研究和消化吸收后，近年来不仅已在航天航空、石化、机床、机车车辆、冶金、造船、矿石机械、水工机械、等行业推广使用，而且还制定了相应的行业指导技术文件和推荐标准——HB/Z229—93《振动时效主要参数及技术要求》，以及JB/T5926—91《振动时效工艺参数选择及技术要求》。这些足以说明振动时效技术、已成熟，并已有据可依。
振动时效是基于谐波共振原理，将激振器产生的周期性振动力通过共振因子放大，从而使被处理的构建获得相应的能量，此能量相当于热时效的热能，驱使工件内原子产生更大的振动，材料发生局部屈服，使晶体内部错位和晶界产生微观滑移，引起微观塑性变形，致使残余应力在量值上减少和整体应力在较低水平上的重新分布；在宏观上，通过外加的交变应力与工件内残余应力叠加使工件在较大残余应力区产生局部屈服，从而引起应力松弛和残余应力在量值上的减低。它不会改变材料的机械性能，也不会引起任何材料金相组织的变化。
压力钢管在制作过程中会产生较大的残余应力，尤其是岔管，由于结构复杂，焊接后其内部残余应力较大，为保障钢岔管运行的可靠性，必须对焊接后的岔管进行消除残余应力处理。降低残余应力的方法在DL5017—93《压力钢管制造安装及验收规范》有明确规定。由于热处理的工艺设备投资大，处理时间长，且大口径岔管整体热处理后运输难度大，而振动时效技术作为一种高效节能技术，在相关行业已成熟应用，其设备便携，操作方便，对要求不改变构件材料金相组织的压力钢管来说，是一种高效地处理其残余应力的方案。
3 白水坑水电站钢岔管的振动时效处理
白水坑水电站装机容量2*20MW，为引水式水电站，设计静水头115m，一管二机布置，压力钢管出口处的钢岔管为卜形岔管，由厚度20.22.25mm的钢板卷拼成型，岔管月牙肋的厚度70mm，材料均为16Mn。该岔管的进口端中径3850mm，出口端中径各为2270mm，重量36000kg，于2002年9月由浙江省正邦水电建设有限公司制作完成。由于在岔管的成型和焊接使会产生大量的残余应力，我院设计要求岔管应经过退火消除残余应力处理，而就近的退火炉根本无法满足该岔管的退火工艺要求，且工程建设施工周期十分紧迫。经过多次消除残余应力方案研究及论证，并委托水利部产品质量标准研究所对岔管固有频率进行估算，认为采用振动时效技术降低及均化岔管残余应力是可行的。鉴于全国振动时效技术的推广中心华东分中心长期使用振动时效技术的经验，为此经业主、设计、监理等有关各方协商，本次白水坑水电站钢岔管的振动时效处理委托该中心进行。
2002年10月23~25日，水利部全国振动时效技术推广中心华东分中心携设备赴白水坑水电站施工现场对上述钢岔管进行振动时效消除应力处理。业主、设计、制作、监理、等有关各方常见本次实施过程。
3.1 岔管振动时效处理工艺方案
转数范围：2000 R/Min-8000 R/Min；
激振力调整范围：0-50KN；
电机额定功率：1500W；
适宜处理工件重量：≤30吨
稳速精度：±1R/Min；
加速度量程：0-50.0g；
电机额定电流：10A；
电机额定电压：150V；
供电电源电压：交流220V±10%，50HZ±4%；
绝缘等级：E级；
工作条件：环境温度：-10℃—+40℃；相对湿度：不大于80%（25℃）；
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