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振動時效技術在礦機上的使用

振動時效技術在礦機上的應用

                    錦州大可礦山機械制造有限公司    

                    濟南馳奧機電設備有限公司           

                                   學         

一、摘要:

    本文著重介紹礦用提升機和礦用提升絞車的整體卷筒應用振動時效工藝及應用效果,對該滾筒采用振動時效工藝的實際效果跟蹤,介紹振動時效技術在焊接構件上的應用。

關鍵詞:振動時效、熱時效、卷筒、殘余應力、裂紋、變形。

、概述:焊接構件在焊接過程中,由于受熱不均等原因,會產生不同程度的焊接殘余應力,該殘余應力的存在對構件的強度、疲勞壽命及結構變形方面都是十分有害的。因此,消除焊接結構件的殘余應力是機械加工行業的一項非常重要的任務。

    振動時效在國外被稱做“Vibratory Stress Relief Method”(簡稱VSR)。由于這種方法可以降低或均化構件內的殘余應力,因此可以提高構件的使用強度,可以減少變形而穩定精度,可以防止由于使用環境惡劣產生的微觀裂紋的發生。特別是在節省能源、提高工效上具有明顯的效果,國內外使用振動處理方法消除金屬構件內的殘余應力,以代替熱時效。這種技術因此被許多國家大量使用。我們在該項技術的機理和應用研究上,近些年來都取得了較大的進展。

三、振動時效機理簡述:

    振動消除應力實際上就是用周期的動應力與殘余應力疊加,使局部產生塑性變形而釋放應力。這里,殘余應力是作為平均應力提高周期應力水平而起作用的。

    振動處理是對構件施加一交變應力,如果交變應力幅與構件上某些點所存在的殘余應力之和達到材料的屈服極限時,這些點將產生塑性變形。如果這種循環應力使某些點產生晶格滑移,盡管宏觀上沒有達到屈服極限,也同樣會產生微觀的塑性變形,況且這些塑性變形往往是首先發生在殘余應力最大的點上,因此,使這些點受約束的變形得以釋放從而降低了殘余應力。這就是用振動時效可以消除殘余應力的機理。振動消除應力是在交變應力達到一定周次后實現的,這就是包辛格效應作用的結果[5-7]。

四、礦用提升機和礦用提升絞車使用現狀:

   礦用提升機和礦用φ1.2、φ1.6提升絞車用于煤礦、金屬礦、非金屬礦豎井或傾斜巷道作提升或下放物料及升降人員之用。由于受到不同環境的影響不允許出現疲勞破壞。

五、礦用提升機和礦用提升絞車的結構形式及制造工藝:

礦用提升機和礦用提升絞車主要部件卷筒是由14厚Q345、板冷加工成型形成筒殼。然后進行筋板、幅板、圓環、檔繩板和制動盤焊接形成卷筒,

 

六、礦用提升機和礦用


提升絞車殘余應力的產生

1、該卷筒的焊接面積大和焊接結構比較復雜是造成焊接應力的主要原因、

2、筒殼是由14厚Q345板冷加工成型,(在冷加工過程中會在材料內部產生一個比較大的彈性應力)。然后進行焊接,又在焊縫兩端形成了焊接應力。

3、

七、焊接應力和彈性應力會給卷筒造成的損壞、

應用過程中卷筒會受到外力的作用,從而產生較大應力。同時,卷筒的材料內部殘留的組織應力、受阻應力以及微觀的組織應力等作用,致使卷筒處于復雜的交變應力狀態,當這種應力的累積大于本體極限強度時,卷筒將會發生變形開裂,最終導致卷筒報廢。

八、時效處理:

    為了消除卷筒的殘余應力保證產品質量,公司對其規格JTP -1.2、JTP -1.6型礦用提升絞車;JK-2.0、JK-2.5、JK-3.0礦用提升機所有構件進行焊接后熱時效,

從2008年開始對上述產品進行振動時效科技的實驗分析,并且對其中一個卷筒進行了應力測試分析,主要分析振動時效前、后的應力狀況,采用的是盲孔測試法、在振動處理前、在卷筒主要焊縫選擇5點進行殘余應力的檢測。然后進行振動時效處理、振動時效結束后在時效前5點測試的位置附近再次進行殘余應力測試、然后進行振動時效前后的應力狀況的計算分析、計算結果見。

       單位:MPa 

點號

振前

σ1

振后

σ1

變化率

振前

σ2

振后

σ2

變化率

振前

θ(度)

振后

θ(度)

1

326.81 

182.24 

-42.90 

106.07 

61.95 

-40.34 

-0.05 

0.21 

2

316.76 

192.85 

-39.11 

123.73 

68.92 

-42.97 

0.05 

-0.03 

3

301.49 

188.81 

-36.25 

108.45 

21.92 

-77.39 

0.06 

-0.38 

4

279.73 

177.78 

-35.35 

92.61 

42.60 

-52.37 

-0.03 

-0.02 

5

320.67 

172.63 

-46.17 

75.87 

46.64 

-37.38 

0.03 

-0.05 

應力水平

309.09 

182.86 

-40.84 

101.35 

48.40 

-52.24 

    測試數據可以看出振前(振動時效前)的平均應力1309.09MPa ,而振后(振動時效后)主應力  2   為182.86MPa,經過振動時效的殘余應力消除率為40.84%,后經過了反復的實驗論證,各項指標均達到和超過標準要求。其他數據為最大靜扭矩——Mj=36kN.m;工作扭矩——Mg=1.25Nj;尖峰扭矩——Mjf=3.0Nj;振動時效技術完全可以代替熱時效處理。

     2012年至今采用振動時效處理工藝生產的卷筒設備已有300余臺套投入市場,至今無任何質量問題,客戶也無不良質量反饋及投訴。

八、振動時效處理工藝的制定過程

    振動時效處理、將被振構件用相應的彈性物體支撐好,其支承位置應盡量選在構件共振時的節線處并保持構件的平穩,振動傳感器安裝在構件共振時的波峰位置上。再將激振器剛性的固定在靠近波峰的位置與控制系統連接好。調整適當的激振力,上述準備工作完成之后,開始進行振動處理工藝的參數選擇:操作控制系統進行變頻掃描,當構件出現共振現象時,振幅頻率將出現一個波峰,振幅曲線也將出現一個最大幅值。在共振的同時,要注意觀察構件的振型,以調整支撐位置、適當調整激振力及振動傳感器位置。以使構件產生最佳振幅。這些均需反復進行。

一、上述工藝調整好之后,開始進行振動時效處理,時效處理過程需要三個步驟。首先對構件進行時效前掃頻,在掃頻范圍內出現的共振峰進行有效判斷,掃頻結束后系統會自動對該有效諧振點進行振動時效處理

    然后進行振動時效處理,時效處理過程中進行時效時間的工藝設定,觀測振動時效數據曲線的變化進行判斷。根據中華人民共和國機械行業振動時效工藝標準,第6振動時效效果評定方法、第6.1、參數曲線觀測法、1、a—t時間振幅曲線上升后變平;2、a—t 曲線上升后下降,最終變平進行判斷;在振動時效過程中時效曲線會產生不規則的變化,但隨著殘余應力的下降a—t曲線也變得趨于平穩、最終變平,當a—t曲線變平后說明振動時效已經達到消除應力效果,再延長10-15分鐘時效時間起到穩固作用,上述累計時效時間可作為工藝時效時間進行設定。(見圖2-6、2-                                 

                                                                                    

    最后進行時效后掃頻,掃頻結束后系統會自動打印出時效前、后掃頻曲線和時效曲線及所有參數,進行時效效果分析判斷,(見圖2-8

                   

   九、激振力選擇

激振力的大小是通過工件承受動應力值大小來衡量的,是振動時效工藝的一個決定性參數,直接影響振動時效的效果。

    振動時效過程中,激振器施加給構件動態附加動應力,其交變周期與激振力的交變周期相對應。只有動應力與殘余應力之和大于材料的屈服極限,即R+ R≥R。如果工件的殘余應力較小時,只需要選用較小的動應力,產生不大的塑性變形就能使構件達到時效的目的;如果構件的殘余應力較大的時候,就要選用較大的動應力,產生較大的塑性變形來達到實效的目的。但是,動應力必須要小于材料的疲勞極限。

    構件振動的動應力來自于激振裝置的激振力。對于機械式激振裝置,激振力就是偏心輪的旋轉產生的離心力,其大小為:F=mrw2sinwt),其中 m:偏心輪質量;r:偏心輪偏心距;w:角速度[8]。對于振動時效激振力的確定有以下方法:

    一般來說動應力大則相應的加速度就大,對于不同的結構件在時效處理時對動應力的要求是不一樣的。 在有條件的情況下我們可以用動態電阻應變儀來實際測量動應力,用以確定激振力的大小。有關試驗數據說明,在主振頻率下,最佳激振力值為:0.0250.035 KN/mm2,若工件剛性大,固有頻率高,激振力達不到最佳動應力值時,可適當放寬要求,一般鋼件不小于0.015 KN/mm2。

   為了便于動應力的判斷,大工睿智VSR-90振動時效系統的加速度系統進行了動應力匹配標定,可以直觀的判斷激振力大小。

十、結論

錦州大可礦山機械有限公司生產礦用提升機和礦用提升絞車卷筒,采用振動時效工藝、數十家客戶300余臺套的實際應用被客戶接受、        

通過產品質量和良好的服務,贏得了廣大用戶的好評。至2012年共采用振動時效技術處理了300余臺卷筒。通過現場使用對比驗證,經振動時效處理的卷筒比經熱時效處理的卷筒質量穩定,使用壽命普遍提高,綜合測算,經振動時效處理的卷筒比經熱時效處理的卷筒提高壽命3倍以上,時效處理的成本降低了98%以上,并且大大減輕了工人勞動強度。處理過程無環境污染,無明顯噪音,社會效益顯著。實踐證明振動時效是一種節能、降耗、能有效提高轉爐爐口使用壽命的工藝措施,有較大的推廣應用前景。

致 謝

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