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振动时效技术在矿机上的应用

发布人:发布时间:2014-06-24

锦州大可矿山机械制造有限公司    张奇  王智辉 
大连大工振动时效科技有限公司    李明义  
大  连   理   工   大   学             陈金涛

一、摘要:
      本文着重介绍矿用提升机和矿用提升绞车的整体卷筒应用振动时效工艺及应用效果,对该滚筒采用振动时效工艺的实际效果跟踪,介绍振动时效技术在焊接构件上的应用。
      关键词:振动时效、热时效、卷筒、残余应力、裂纹、变形。

二、概述:
      焊接构件在焊接过程中,由于受热不均等原因,会产生不同程度的焊接残余应力,该残余应力的存在对构件的强度、疲劳寿命及结构变形方面都是十分有害的。因此,******焊接结构件的残余应力是机械加工行业的一项非常重要的任务。
      振动时效在国外被称做“Vibratory Stress Relief Method”(简称VSR)。由于这种方法可以降低或均化构件内的残余应力,因此可以提高构件的使用强度,可以减少变形而稳定精度,可以防止由于使用环境恶劣产生的微观裂纹的发生。特别是在节省能源、提高工效上具有明显的效果,国内外使用振动处理方法******金属构件内的残余应力,以代替热时效。这种技术因此被许多国家大量使用。我们在该项技术的机理和应用研究上,近些年来都取得了较大的进展。

三、振动时效机理简述:
      振动******应力实际上就是用周期的动应力与残余应力叠加,使局部产生塑性变形而释放应力。这里,残余应力是作为平均应力提高周期应力水平而起作用的。
      振动处理是对构件施加一交变应力,如果交变应力幅与构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时,这些点将产生塑性变形。如果这种循环应力使某些点产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到屈服极限,也同样会产生微观的塑性变形,况且这些塑性变形往往是首先发生在残余应力******的点上,因此,使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力。这就是用振动时效可以******残余应力的机理。振动******应力是在交变应力达到一定周次后实现的,这就是包辛格效应作用的结果[5-7]。

四、矿用提升机和矿用提升绞车使用现状:
      矿用提升机和矿用φ1.2、φ1.6提升绞车用于煤矿、金属矿、非金属矿竖井或倾斜巷道作提升或下放物料及升降人员之用。由于受到不同环境的影响不允许出现疲劳破坏。

五、矿用提升机和矿用提升绞车的结构形式及制造工艺:
      矿用提升机和矿用提升绞车主要部件卷筒是由14厚Q345、板冷加工成型形成筒壳。然后进行筋板、幅板、圆环、档绳板和制动盘焊接形成卷筒,


六、矿用提升机和矿用提升绞车残余应力的产生
      1、该卷筒的焊接面积大和焊接结构比较复杂是造成焊接应力的主要原因、
      2、筒壳是由14厚Q345板冷加工成型,(在冷加工过程中会在材料内部产生一个比较大的弹性应力)。然后进行焊接,又在焊缝两端形成了焊接应力。

七、焊接应力和弹性应力会给卷筒造成的损坏、
      应用过程中卷筒会受到外力的作用,从而产生较大动应力。同时,卷筒的材料内部残留的组织应力、受阻应力以及微观的组织应力等作用,致使卷筒处于复杂的交变应力状态,当这种应力的累积大于本体极限强度时,卷筒将会发生变形开裂,***终导致卷筒报废。

八、时效处理:
      为了******卷筒的残余应力保证产品质量,公司对其规格JTP -1.2、JTP -1.6型矿用提升绞车;JK-2.0、JK-2.5、JK-3.0矿用提升机所有构件进行焊接后热时效,
      并从2008年开始对上述产品进行振动时效科技的实验分析,并且对其中一个卷筒进行了应力测试分析,主要分析振动时效前、后的应力状况,采用的是盲孔测试法、在振动处理前、在卷筒主要焊缝选择5点进行残余应力的检测。然后进行振动时效处理、振动时效结束后在时效前5点测试的位置附近再次进行残余应力测试、然后进行振动时效前后的应力状况的计算分析、计算结果见下表。
       单位:MPa


      测试数据可以看出振前(振动时效前)的平均应力 1为309.09MPa ,而振后(振动时效后)主应力   2   为182.86MPa,经过振动时效的残余应力******率为40.84%,后经过了反复的实验论证,各项指标均达到和超过标准要求。其他数据为******静扭矩——Mj=36kN.m;工作扭矩——Mg=1.25Nj;尖峰扭矩——Mjf=3.0Nj;振动时效技术完全可以代替热时效处理。
      2012年至今采用振动时效处理工艺生产的卷筒设备已有300余台套投入市场,至今无任何质量问题,客户也无不良质量反馈及投诉。

八、振动时效处理工艺的制定过程
      振动时效处理、将被振构件用相应的弹性物体支撑好,其支承位置应尽量选在构件共振时的节线处并保持构件的平稳,振动传感器安装在构件共振时的波峰位置上。再将激振器刚性的固定在靠近波峰的位置与控制系统连接好。调整适当的激振力,上述准备工作完成之后,开始进行振动处理工艺的参数选择:操作控制系统进行变频扫描,当构件出现共振现象时,振幅—频率将出现一个波峰,振幅曲线也将出现一个******幅值。在共振的同时,要注意观察构件的振型,以调整支撑位置、适当调整激振力及振动传感器位置。以使构件产生******振幅。这些均需反复进行。
      一、上述工艺调整好之后,开始进行振动时效处理,时效处理过程需要三个步骤。首先对构件进行时效前扫频,在扫频范围内出现的共振峰进行有效判断,扫频结束后系统会自动对该有效谐振点进行振动时效处理。(见图2-5)

      然后进行振动时效处理,时效处理过程中进行时效时间的工艺设定,观测振动时效数据曲线的变化进行判断。根据中华人民共和国机械行业振动时效工艺标准,第6条振动时效效果评定方法、第6.1、参数曲线观测法、1、a—t(时间—振幅)曲线上升后变平;2、a—t 曲线上升后下降,***终变平进行判断;在振动时效过程中时效曲线会产生不规则的变化,但随着残余应力的下降a—t曲线也变得趋于平稳、***终变平,当a—t曲线变平后说明振动时效已经达到******应力效果,再延长10-15分钟时效时间起到稳固作用,上述累计时效时间可作为工艺时效时间进行设定。(见图2-6、2-7)
                                                                                                     
      ***后进行时效后扫频,扫频结束后系统会自动打印出时效前、后扫频曲线和时效曲线及所有参数,进行时效效果分析判断,(见图2-8)

九、激振力选择
      激振力的大小是通过工件承受动应力值大小来衡量的,是振动时效工艺的一个决定性参数,直接影响振动时效的效果。
      振动时效过程中,激振器施加给构件动态附加动应力,其交变周期与激振力的交变周期相对应。只有动应力与残余应力之和大于材料的屈服极限,即R动+ R残≥R。如果工件的残余应力较小时,只需要选用较小的动应力,产生不大的塑性变形就能使构件达到时效的目的;如果构件的残余应力较大的时候,就要选用较大的动应力,产生较大的塑性变形来达到实效的目的。但是,动应力必须要小于材料的疲劳极限。
      构件振动的动应力来自于激振装置的激振力。对于机械式激振装置,激振力就是偏心轮的旋转产生的离心力,其大小为:F=mrw2sin(wt),其中 m:偏心轮质量;r:偏心轮偏心距;w:角速度[8]。对于振动时效激振力的确定有以下方法:
      一般来说动应力大则相应的加速度就大,对于不同的结构件在时效处理时对动应力的要求是不一样的。 在有条件的情况下我们可以用动态电阻应变仪来实际测量动应力,用以确定激振力的大小。有关试验数据说明,在主振频率下,******激振力值为:0.025~0.035 KN/mm2,若工件刚性大,固有频率高,激振力达不到******动应力值时,可适当放宽要求,一般钢件不小于0.015 KN/mm2。
      为了便于动应力的判断,大工睿智VSR-90振动时效系统的加速度系统进行了动应力匹配标定,可以直观的判断激振力大小。

十、结论
      锦州大可矿山机械有限公司生产的矿用提升机和矿用提升绞车卷筒,采用振动时效工艺、数十家客户300余台套的实际应用被客户接受、        
      通过产品质量和良好的服务,赢得了广大用户的好评。至2012年共采用振动时效技术处理了300余台套卷筒。通过现场使用对比验证,经振动时效处理的卷筒比经热时效处理的卷筒质量稳定,使用寿命普遍提高,综合测算,经振动时效处理的卷筒比经热时效处理的卷筒提高寿命3倍以上,时效处理的成本降低了98%以上,并且大大减轻了工人劳动强度。处理过程无环境污染,无明显噪音,社会效益显著。实践证明振动时效是一种节能、降耗、能有效提高转炉炉口使用寿命的工艺措施,有较大的推广应用前景。