起重機(jī)械制造中振動(dòng)時(shí)效應(yīng)用研究

何 偉

（柳州起重機(jī)器有限公司，廣西 柳州 545616）

殘余應(yīng)力是許多機(jī)械產(chǎn)品在鑄造、焊接中無(wú)法避免的難題，這些殘余應(yīng)力會(huì)使機(jī)械的工件在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生細(xì)微的變形,使工件的使用效力和使用壽命受到嚴(yán)重的影響。因此一般在機(jī)械制造中會(huì)采用自然時(shí)效或者人工時(shí)效的方法來(lái)消除應(yīng)力。自然時(shí)效主要是利用溫度隨著自然環(huán)境的變化而變化，會(huì)形成反復(fù)溫度應(yīng)力。將制造的工件放在室外接受反復(fù)溫度應(yīng)力的作用，可以消除部分殘余應(yīng)力，但這種方法的效率極低。人工時(shí)效主要包括熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效兩種方法。熱時(shí)效是將處于室溫的工件緩慢均勻加熱至塑性狀態(tài)，并保持塑性狀態(tài)的溫度5—8小時(shí)可消除應(yīng)力，此時(shí)在降溫至150℃可以出爐。但我們?cè)谶\(yùn)用熱時(shí)效的過(guò)程中需嚴(yán)格控制溫度變化,否則會(huì)適得其反，產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力和變形。而振動(dòng)時(shí)效技術(shù)和其它工藝相比在機(jī)械制造中更加實(shí)用，接下來(lái)我們就對(duì)振動(dòng)時(shí)效在起重機(jī)械制造中的運(yùn)用進(jìn)行探討。

1 振動(dòng)時(shí)效原理的概述

振動(dòng)時(shí)效工藝(Vibratory Stress Relief)，它是采用振動(dòng)的方法以均化機(jī)械制造過(guò)程中的殘余應(yīng)力，并能夠達(dá)到和熱時(shí)效一樣的效果。它的具體實(shí)施過(guò)程是將鑄件、和焊接的工件，在其原來(lái)的固有振動(dòng)頻率下再進(jìn)行數(shù)十分鐘的振動(dòng)處理，給工件施加附加應(yīng)力。當(dāng)振動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力與工件制作過(guò)程中的殘余應(yīng)力疊加，工件發(fā)生宏觀變型，從而達(dá)到降低工件內(nèi)的殘余應(yīng)力的作用。和自然時(shí)效相比，振動(dòng)時(shí)效的效率更高，消除殘余應(yīng)力的效果要好。而和熱時(shí)效相比，他不需要消耗太多的能源，對(duì)設(shè)備的投資較小，同時(shí)還具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，同等消除殘余應(yīng)力的效果比較穩(wěn)定，而且在性能指標(biāo)上也有一定的突破。因此在我國(guó)的機(jī)械制造工業(yè)中，振動(dòng)時(shí)效得到了普遍的運(yùn)用[1]。

2 起重機(jī)械的特點(diǎn)

目前,在我國(guó)使用的起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)件大部分都是焊接件，對(duì)于焊接件的起重機(jī)械結(jié)構(gòu)件來(lái)講,大部分的結(jié)構(gòu)件都存在著殘余的焊接應(yīng)力。如果沒(méi)有對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行及時(shí)的消除,在產(chǎn)品的組裝與使用中,會(huì)造成不利的影響。其中,在機(jī)械使用一段時(shí)間之后,焊接應(yīng)力會(huì)得到一定的消除,這就會(huì)降低起重機(jī)械的翹度值和主梁拱度。國(guó)家有關(guān)部門(mén)則規(guī)定,如果起重機(jī)的翹度值和主梁拱度降到一定的數(shù)值之后,就不能繼續(xù)使用。

起重機(jī)械通常都要承受數(shù)噸甚至數(shù)十噸的外力，同時(shí)在機(jī)械的主要受力部分上產(chǎn)生較大的內(nèi)力，都會(huì)使鋼構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生很大的變形，在構(gòu)件的連接處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使它很容易發(fā)生破壞。我國(guó)的大部分起重機(jī)械都是由鋼材焊接而成，只有極少數(shù)構(gòu)件使用鉚接[2]。在焊接過(guò)程中，溫度的變化使焊接金屬收縮，這種收縮變形將會(huì)在連接處引起很大的殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力在雖能抵消一部分內(nèi)力，但在有些情況下，殘余應(yīng)力與連接傳遞的應(yīng)力進(jìn)行疊加，很易使應(yīng)力超過(guò)金屬的強(qiáng)度而發(fā)生破壞。另外，起重機(jī)械承受的是動(dòng)載，在動(dòng)載作用下，金屬受到循環(huán)應(yīng)力的作用發(fā)生金屬疲勞現(xiàn)象，使強(qiáng)度降低。而對(duì)于焊接處，這種作用更加明顯，因而更易破壞。因此，加強(qiáng)焊接強(qiáng)度是防止起重機(jī)械結(jié)構(gòu)破壞的重點(diǎn)，而消除殘余應(yīng)力是加強(qiáng)焊接件強(qiáng)度的重要手段。

3 振動(dòng)時(shí)效工藝在起重機(jī)械制造中的應(yīng)用

在起重機(jī)械的實(shí)際制造工業(yè)中，我們要對(duì)主梁進(jìn)行焊接,應(yīng)力會(huì)集中在主梁上。如果在鑄造主梁的過(guò)程中我們不能夠消除附在主梁上的殘余應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致主梁發(fā)生變形和扭曲，不能夠制造出合格的起重機(jī)械。而又由于主梁的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，沒(méi)有適合尺寸的爐窯，所以我們不能夠?qū)⑺胖玫綘t窯中進(jìn)行熱時(shí)效的處理，也不可能將它放到室外接收自然時(shí)效的長(zhǎng)時(shí)間處理，因此在運(yùn)用上來(lái)說(shuō)，對(duì)于起重機(jī)械來(lái)說(shuō)采用振動(dòng)時(shí)效處理是最佳的選擇。現(xiàn)在我們工廠用于起重機(jī)械制造的振動(dòng)時(shí)效工藝主要是采用VAFA系列的系統(tǒng)裝置。它是一款使用高速微型計(jì)算機(jī)作為主要構(gòu)件，并采用“模塊組合式”結(jié)構(gòu)作為主要硬件的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備。我們?cè)谶M(jìn)行共振的峰值的處理方面,可以通過(guò)使用高速微型計(jì)算機(jī)控制軟件，從而對(duì)振動(dòng)時(shí)效處理工藝達(dá)到裝置的全自動(dòng)化共振峰值處理，還可以配合與它進(jìn)行連接的打印機(jī)直接將振動(dòng)過(guò)程中的峰值變化曲線和具體的數(shù)據(jù)打印出來(lái)，不僅節(jié)省了人力，提高了工作效率，同時(shí)也保證了精確度[3]。

4 工作實(shí)例

我們?cè)谄鹬貦C(jī)械的制造過(guò)程中，起重機(jī)械根據(jù)它的使用領(lǐng)域會(huì)有不同的型號(hào)，本文采用的起重機(jī)械的實(shí)例型號(hào)的梁重為4t，它的主梁是16.5m×5t的橋式主梁。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

4.1 振動(dòng)時(shí)效基本工藝過(guò)程包括：第一，采用三點(diǎn)支承工件，支承點(diǎn)需要布置在共振節(jié)線的附近；第二，使用與起重機(jī)械比較切合的偏心檔位掃頻，用來(lái)記錄振前的幅頻曲線，就可以確定最佳激振頻率；第三，在選定的最佳的激振頻率開(kāi)始在此頻率下進(jìn)行激振，時(shí)間要控制在40分鐘以內(nèi)；第四，將實(shí)際共振的曲線與理論振幅比對(duì)。

4.2 振動(dòng)時(shí)效工藝的實(shí)施。從振動(dòng)器的布置及工作原理可以得知，在工件中的運(yùn)用是，我們需要通過(guò)對(duì)激振力、附振頻率、主振頻率大小的多次調(diào)整和比對(duì)，才能夠得出合適的工藝制作參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

用振動(dòng)時(shí)效工藝在起重機(jī)械制造中減少殘余應(yīng)力是最佳的選擇，我們應(yīng)該不斷提高振動(dòng)時(shí)效的工藝，促進(jìn)起重機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。

[1]馬振宇.激振時(shí)效技術(shù)機(jī)理研究和裝置的研究開(kāi)發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2008

[2]陳永嶺.振動(dòng)時(shí)效動(dòng)應(yīng)力參數(shù)選取的探討[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009（04）：102

[3]孫曉燕.振動(dòng)時(shí)效機(jī)理分析及試驗(yàn)研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2010