振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用

1 引言

   小型挖掘機(jī)的底盤、平臺(tái)、動(dòng)臂和斗桿等均是焊接結(jié)構(gòu)件，焊接后會(huì)有殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力是導(dǎo)致其變形或者開裂的重要原因，因此要對這些工件進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的時(shí)效處理。

時(shí)效有自然時(shí)效、熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效三種基本工藝技術(shù)。自然時(shí)效是將工件在室溫條件下放置一年左右，自然釋放殘余應(yīng)力的時(shí)效技術(shù)；熱時(shí)效是將工件放置在電爐中，在約600℃保溫5小時(shí)左右隨爐緩冷的消除殘余應(yīng)力的時(shí)效技術(shù)；振動(dòng)時(shí)效是使用振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，對工件進(jìn)行半小時(shí)左右的亞共振振動(dòng)，消除殘余應(yīng)力的時(shí)效技術(shù)。

自然時(shí)效由于時(shí)效周期太長，不能滿足生產(chǎn)進(jìn)度要求，不可能應(yīng)用；熱時(shí)效設(shè)備投資較大，時(shí)效成本很高，生產(chǎn)效率較低，應(yīng)用有難度；振動(dòng)時(shí)效設(shè)備投資少，生產(chǎn)效率高，時(shí)效成本低，是比較理想的。通過對三種時(shí)效技術(shù)的綜合分析比較，決定采用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)。         

本文比較詳細(xì)地介紹了振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在挖掘機(jī)工程機(jī)械上應(yīng)用的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)、設(shè)備、工藝、工藝效果、工藝管理和經(jīng)濟(jì)效益，以期為振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在我國工程機(jī)械上的推廣應(yīng)用起到拋磚引玉的目的。

2 振動(dòng)時(shí)效技術(shù)與設(shè)備

2.1振動(dòng)時(shí)效技術(shù)

振動(dòng)時(shí)效是使用振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，對金屬工件進(jìn)行半小時(shí)左右的亞共振振動(dòng)，降低和均化殘余應(yīng)力，防止應(yīng)力變形或者開裂的時(shí)效高新技術(shù)，廣泛用于對鑄件和焊接件的時(shí)效處理。

振動(dòng)時(shí)效的工藝過程很簡便。首先用膠墊支撐好工件，然后將激振器和測振器固定在工件上，就可以開機(jī)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理了。如果使用全自動(dòng)工藝，先是振前掃頻搜尋共振峰，找到共振峰后，設(shè)備將自動(dòng)優(yōu)選*佳亞共振點(diǎn)共振時(shí)效半小時(shí)左右，并自動(dòng)進(jìn)行振后掃頻和打印時(shí)效曲線作為質(zhì)檢依據(jù)，整個(gè)時(shí)效過程就完成了。

振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的基本原理是這樣的。從振動(dòng)時(shí)效工藝過程分析，在數(shù)萬次亞共振振動(dòng)過程中，工件已經(jīng)產(chǎn)生微觀塑性變形，而且變形已趨穩(wěn)定，殘余應(yīng)力已經(jīng)釋放，處于平衡狀態(tài)。從振動(dòng)的動(dòng)應(yīng)力分析，在振動(dòng)時(shí)效時(shí)，工件會(huì)受到一個(gè)較大的交變動(dòng)應(yīng)力作用，這個(gè)動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加，達(dá)到數(shù)值后，在應(yīng)力集中*嚴(yán)重的部位，就會(huì)超過屈服*限而產(chǎn)生塑性變形，從而降低了該處的殘余應(yīng)力，而后振動(dòng)又在另處應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位產(chǎn)生同樣作用，直到不能引起任何部位的塑性變形為止。因此，振動(dòng)時(shí)效可以將殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象消除，使殘余應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，從而能有效防止應(yīng)力變形或者開裂。

2.2 振動(dòng)時(shí)效設(shè)備

振動(dòng)時(shí)效設(shè)備是成功地應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的基本條件。通過對國內(nèi)外振動(dòng)時(shí)效設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的綜合分析比較，*終公司選擇了南京聚航科技有限公司生產(chǎn)的JH-200A全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效裝置。JH-200A全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效裝置具有的全自動(dòng)功能，可以一次性全自動(dòng)完成振動(dòng)時(shí)效工藝全過程，不僅能確保振動(dòng)時(shí)效工藝效果，而且操作簡單方便，性能穩(wěn)定可*。公司2000年所購買的兩套振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，經(jīng)常都要加班加點(diǎn)使用，很好地確定了振動(dòng)時(shí)效生產(chǎn)需求。

3 振動(dòng)時(shí)效工藝

   公司生產(chǎn)的小型挖掘機(jī)的底盤、平臺(tái)、動(dòng)臂、斗桿等焊接結(jié)構(gòu)件，均要進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。其中底盤和平臺(tái)比較大的工件，可以單件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，動(dòng)臂和斗桿比較小的工件，原來也曾經(jīng)試用單件振動(dòng)時(shí)效處理，但是其固有共振頻率很高，振動(dòng)時(shí)效的聲音很大，激振器在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)行也容易出現(xiàn)故障，因此改用振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行批量振動(dòng)時(shí)效處理，大大降低了工件的固有共振頻率和振動(dòng)時(shí)效的聲音。

4 振動(dòng)時(shí)效工藝效果

  為了了解振動(dòng)時(shí)效工藝效果，我們從振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力檢測、振動(dòng)時(shí)效工藝曲線和振動(dòng)時(shí)效工件的實(shí)際使用效果等方面進(jìn)行了綜合考察。結(jié)果表明振動(dòng)時(shí)效工藝效果都很好。

4.1 振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力檢測

為了定量了解振動(dòng)時(shí)效工藝效果，使用磁測應(yīng)力儀，檢測了挖掘機(jī)平臺(tái)等工件焊縫處振動(dòng)時(shí)效前后的殘余應(yīng)力。

   測量結(jié)果表明，挖掘機(jī)平臺(tái)在振動(dòng)處理前，焊縫處殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴(yán)重。在焊縫*心區(qū)域應(yīng)力較高，*大剪切殘余應(yīng)力值約為54-67MPa，已經(jīng)接近了許用安*剪切應(yīng)力,為不安*的殘余應(yīng)力。在焊縫非*心區(qū)域應(yīng)力較低，約為30-50MPa。經(jīng)振動(dòng)時(shí)效處理，焊縫處殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象已消除，焊縫*心區(qū)域和非焊縫區(qū)域，應(yīng)力值已相近，峰值殘余應(yīng)力已經(jīng)從60MPa左右，下降到25MPa左右，下降率約為60％，遠(yuǎn)小于許用安*剪切應(yīng)力，平臺(tái)處于安*的低應(yīng)力平衡狀態(tài)。表1為挖掘機(jī)平臺(tái)振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)。

表1 挖掘機(jī)平臺(tái)振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)

4.2 振動(dòng)時(shí)效工藝曲線

在振動(dòng)處理平臺(tái)的時(shí)候，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備所記錄和打印的振動(dòng)時(shí)效工藝曲線，包括振前掃頻曲線、時(shí)效曲線和振動(dòng)時(shí)效前后掃頻比較曲線，這三個(gè)曲線綜合反映了振動(dòng)時(shí)效的亞共振振動(dòng)的實(shí)質(zhì)，而且符合振動(dòng)時(shí)效技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)【1】的“參數(shù)曲線觀測法”的要求，據(jù)此也判定達(dá)到了振動(dòng)時(shí)效工藝效果。在實(shí)際生產(chǎn)上，都是依據(jù)振動(dòng)時(shí)效工藝曲線來快速評定振動(dòng)時(shí)效工藝效果的。

4.3 振動(dòng)時(shí)效工件的實(shí)際使用效果

   公司從2000年起應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)5年多來，累計(jì)約有5000臺(tái)挖掘機(jī)產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)件都進(jìn)行了振動(dòng)時(shí)效處理，此外公司是通過ISO9001：2000認(rèn)證的企業(yè)，對產(chǎn)品的質(zhì)量都有一套跟蹤檢查制度。在沒有應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)之前，從產(chǎn)品使用質(zhì)量反饋信息分析，底盤、動(dòng)臂、平臺(tái)和斗桿焊接件的變形和開裂質(zhì)量問題比較突出，應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)之后，這個(gè)質(zhì)量問題基本上解決了?？梢娬駝?dòng)時(shí)效的實(shí)際使用效果是很好的。

5 振動(dòng)時(shí)效工藝管理

   在實(shí)際生產(chǎn)上，公司是通過振動(dòng)時(shí)效工藝曲線來檢測振動(dòng)時(shí)效效果的。每振動(dòng)時(shí)效處理一個(gè)工件，都須要有相應(yīng)的振動(dòng)時(shí)效工藝曲線，這個(gè)工藝曲線，要經(jīng)過質(zhì)量檢驗(yàn)部門依據(jù)工藝部門制訂的振動(dòng)時(shí)效工藝卡的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行驗(yàn)收，如果達(dá)不到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，還要返工重振。驗(yàn)收合格后，振動(dòng)時(shí)效操作人員才有工時(shí)計(jì)算工資，振動(dòng)時(shí)效處理的工件才能轉(zhuǎn)到下一工序。通過這樣嚴(yán)格的工藝管理，有效地確定了振動(dòng)時(shí)效工藝質(zhì)量穩(wěn)定。

6 振動(dòng)時(shí)效經(jīng)濟(jì)效益分析

   要消除挖掘機(jī)工程機(jī)械的焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，只能應(yīng)用熱時(shí)效或者振動(dòng)時(shí)效。以下通過熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效的費(fèi)用比較來說明應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。

   從2000年開始公司累計(jì)振動(dòng)時(shí)效處理了5000臺(tái)產(chǎn)品的焊接件，每臺(tái)產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)件平均重量約為1噸，總計(jì)處理了約5000噸。公司購買了兩套振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，設(shè)備購置費(fèi)為10萬元，操作人員1人，5年累計(jì)工資額為8萬元，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備每天耗電量為10度，每度電按照0.8元計(jì)，5年累計(jì)使用電費(fèi)為1.4萬元。5年累計(jì)振動(dòng)時(shí)效的總費(fèi)用為19.4萬元。

   如果使用熱時(shí)效，需要購買熱時(shí)效爐，因?yàn)榄h(huán)境污染問題，不能使用燃煤熱時(shí)效，只能使用電爐熱時(shí)效。按照公司的產(chǎn)量，需要購買5臺(tái)100Kw的電爐，設(shè)備投資約100萬元，電爐的用電量很大，其綜合熱時(shí)效成本為每噸500元，處理5000噸工件，需要250萬元。

5年累計(jì)熱時(shí)效的總費(fèi)用需要350萬元。

   與熱時(shí)效相比，振動(dòng)時(shí)效可以節(jié)省330萬元的時(shí)效費(fèi)用，由此可見應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)顯著的。

7 結(jié)束語

   振動(dòng)時(shí)效可以有效消除挖掘機(jī)工程機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，防止其變形或者開裂，提高工程機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，能取得相當(dāng)顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 振動(dòng)時(shí)效技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T5926-91  JB/T10375-2002）