矿山机械加工应采用振动时效工艺

闫晓花

济南中燃科技发展有限公司

矿山机械加工应采用振动时效工艺

闫晓花

济南中燃科技发展有限公司

工矿企业在生产机械制造或技术改造配件制作时，为了防止工件变形，维持加工精度，或由应力带来的开裂损伤，矿山机械中大量的焊接件、锻件及铸件在加工过程中均需要进行去应力的时效处理工艺。时效处理的方法主要有自然时效、热时效及振动时效3种。自然时效是指将机械坯件放在自然界中，利用时间效应，经过气候温度的反复变化，使残余应力松弛，一般时间在1a左右，残余应力下降2%～10%，提高了构件的松弛刚度，因而尺寸稳定性好，再加工后能保持精度。下面将会对相关工艺应用内容进行阐述，以供参考。

矿山机械工程；加工；振动时效

振动时效系统的基本原理是首先通过与工件绑定在一起的激振器来带动工件从静止开始逐渐加速振动，在振动的过程中，通过对工件的振动参数进行分析，得到工件的固有频率和谐振频率，然后让激振器带动工件在其固有频率和谐振频率位置持续振动数分钟，就可以有效的实现消除或均化内应力的目的。为了能更有效地实现整个系统，如何快速地寻找到工件的固有频率和谐振频率，如何高效地完成系统的复杂控制就成为研究振动时效时首先要讨论的问题。

1 系统应用优势

大型矿山设备中：大的锻件、焊接件、铸件较多，如掘进机切割头悬臂梁、采矿机切割部悬臂梁、减速机壳体、液压支架底座、掩护梁及顶梁等。因为热时效处理的条件所限，构件内残余应力仍然较高。一些焊接构件只能进行自然时效处理，或不进行任何处理，因而在生产实用中，出现一些断裂或开焊现象，而且大量的配件与国外同类产品性能相比，普遍存在着使用寿命短的问题，究其原因，主要是国内产品韧性不足、残余应力峰值较高以及生产工艺落后等造成的。这样既影响了生产，又给安全带来极大的隐患。如果在矿山设备的制造工艺中采用振动时效代替热时效和自然时效，将会延长这些机械设备的使用期，既节约生产费用，又给安全生产带来一定的保证。

2 系统的实现

2.1 系统硬件设计

目前，越来越多的厂家开始生产各种型号的振动时效设备。现在振动时效设备种类繁多，控制器有使用单片机的，也有使用集成块的。显示部分有数码管显示，也有液晶显示的，激振器有使用直流电机的，也有使用交流电机的，但是它们的基本构成都是一致的。

本振动时效设备硬件部分的基本构成如图3-1所示。本振动时效设备由以下几部分构成：ARM微控制器LPC2138、片内程序存储器、片内数据存储器、LCD显示器、键盘、功率转换电路、加速度检测、转速检测、电流检测、激振器(电机)。

ARM微控制器采用Philips公司的一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器LPC2138，它提供了本系统所需的各种资源。在此次设计中，它是振动时效微机控制系统的核心部件，负责对各种采集来的加速度信号、电流信号、转速信号进行处理，发送显示信号到显示器，接收键盘传送来的指令，发送控制信号到打印机，并发送PWM(脉宽调制)信号到激振器等工作。显示器采用TOPRO液晶控制板，它可控制640*480点阵彩色TFT液晶显示屏，可同时存储2页显示内容，并且页之间的内容可方便地实现交替显示。这部分由它负责显示各种信号曲线以及显示经过ARM运算后的各种结果信息。

SRAM数据存储器作为显示缓存，动态的存放要显示在液晶显示器上的数据信息。

片内Flash程序存储器LPC2138拥有512KB的片内FLASH，它用于存放表示电路信息的配置文件及用户程序，因为ARM是基于SRAM编程，因此掉电后ARM就成为一个白片，没有任何电路信息，所以在使用时，要将配置文件存储到一个外部的存储器上，ARM上电后，就自动加载配置信息到内部，并且器件根据配置文件的内容来自动进行内部连线，以实现指定的功能。

2.2 系统软件设计

启动程序：启动程序都是由汇编来编写，它可以实现向量表定义，堆栈初始化，系统变量初始化，中断初始化，I/O初始化，外围初始化和地址重映射等操作。本系统的启动文件由汇编文件，C文件，头文件，分散加载文件组成。

应用程序编写：振动时效软件在不同的振动时效设备中具有大致相同的结构，具有数据采集部分，转速控制部分，显示部分，数据处理部分，存储部分，时效部分，打印部分等。因为本系统需要外接微型打印机，LCD显示器等，所以需要开发其相关的驱动程序。

2.3 振动时效工作流程

振动时效有统一的工作流程。

(1)支撑。通常情况下采用自由支撑方式，支撑用橡胶垫垫在距工件两端的2/9处，使在较少的激振能量消耗下获得最大的振幅，取得最好的稳定化效果。

(2)安装。将激振器安装在工件端部，激振器轴方向平行或垂直于工件长度方向；电缆弯插头接电机，直插头接控制器；加速度传感器安装在工件远离激振器的另一端或对角。

(3)扫频。打开振动时效设备电源，然后控制激振器产生固定激振力，调节激振器转速从静止开始连续上升至设定的最高转速(如果没有设定，则为激振器的最高转速)，在激振器转速不断上升过程中，振动时效软件通过加速度采集部件和速度采集部件不断采集加速度信号和速度信号并将这些信息存储记录下来。

(4)判峰。按照信号处理操作步骤，在采集数据之后，应该根据采集到的数据求取对应的传递函数。在振动时效扫频判峰中只需要找到固有频率和谐振频率(如果有谐振频率)，由于采集数据时，激振器转速是匀速上升的，并且激振器在工件上加固定的激振力，这个过程产生的激振相当于白噪声(一种功率频谱密度为常数的随机信号)，所以不需要求取工件的传递函数，只需要找到振动加速度在频率上的幅值谱即可。

综上所述，矿山机械制作采用振动时效处理后，能克服因残余应力造成的变形，保持使用精度和避免一些运行事故的发生。对此，提出了为提高生产效率，应采用时效处理。

[1]王超.振动时效机理、多点振动时效方法的研究及实现[D].兰州交通大学，2013.

[2]代永峰.振动时效消减焊接残余应力的数值仿真及试验研究[D].哈尔滨工业大学，2012.

[3]王正奎.基于ARM的振动时效系统设计[D].哈尔滨工业大学，2008.