石油机械制造中振动时效技术的应用

2023-02-28臧玮

中国设备工程 2023年4期

臧玮

（中海石油（中国）有限公司天津分公司工程建设中心，天津 300450）

随着我国科学技术水平日新月异的发展，也带动了我国振动时效技术的进一步提升，且在国内外均得以越来越广泛地应用。振动时效技术作为石油机械设计阶段的重要组成部分，科学合理地利用，能在很大程度上促进我国石油机械行业的进一步发展。由此可见，在石油机械制造中，相关工作人员应充分掌握振动时效机理，了解振动时效处理参数，并将振动时效技术落到实处。如此一来，不仅能提升石油机械制造的精准性与高效性，而且也有利于为我国石油机械行业未来的持续、长远发展奠定基础。

1 振动时效机理

众所周知，石油机械是否精准在很大程度上取决于其设计是否科学、是否规范。所以，加大石油机械设计阶段的把控力度尤为重要，这样才能确保石油机械设计的精准性，并且最大程度上满足振动时效技术的生产需求。振动时效技术可划分为以下几点：（1）现阶段，振动时效技术成型是应用不常见的技术之一，振动时效技术成型的关键在于振动时效的应用案例及其效果，在对振动时效进行处理阶段，明确工艺参数与确定振动阶段的力、时间以及频率等是其关键技术，同时，以工件实际形状为基础，明确支撑点、振动点、以及拾振点位置。对钻机传动装置的联动机底座进行振动时效处理，也能获得良好成效。从大立场的角度来讲，在周期性等外在因素的影响下，可能会导致工件存在交变动应力，值得注意的是，一旦出现交变动应力的情况下，会与内部存在的应力叠加在一起，从而增加部分位置的应力，更严重的还会出现塑性变形，参与的应力峰值会越来越低，原有内应力场发生改变，需要重新分布工件应力。从小立场的角度来讲，增加振动能量，不仅能促进构件内部晶体功能得以进一步强化，而且也能加快晶格恢复速度，并且其他因素不会对其造成影响。在强化其根本的过程中，也能从根源减少构件应力水平，为工件抗变形能力与之稳定性提供可靠的保障。构件精准性也能得以大幅度提升，并且实现合理利用，增加其模型振动时效技术周期。在此阶段，通过振动时效技术的有效落实，无论是对构件的建模，还是对构件受力欠佳区域的分析均能奠定基础，以此来充分掌握构件在发挥作用阶段的受力性能，相关工作人员可以此为基础，对其进行科学合理的调整，确保石油机械设计最大程度满足受力、外观等要求。（2）在对振动时效技术石油机械设计阶段，做好实际应用化的快速设计系统也尤为重要，通过对石油机械的科学设计，能促使后期高效、科学使用，所以，若想加强提升设计质量，要求业内人士基于实际情况科学合理开展设计，并对设计结果进行全面审核，如此一来，才能确保该技术在石油机械制造中彰显其作用，为石油机械设计质量提供可靠的保障。石油机械和振动的时效技术作为振动时效技术应用阶段的重要组成部分，若想避免后续产生问题，在设计工作开展阶段，应最大程度降低因为使用单一而形成的限制。（3）结合设计工作的实施情况不难发现，通用技术在交互重叠阶段的应用更常见，普遍来讲，相关工作人员要以整体结构为基础，对部分构件进行合理设计，并利用自身以往的工作经验，设计几何图形，值得注意的是，这种方式难以第一时间发现设计中存在的不足，因此，难以确保设计质量。若想对不足之处加以完善和解决，可结合实际情况，将石油机械设计相关技术有效融合在一起。如图1所示。

图1 振动时效处理设备安装示意图

2 振动时效处理参数

2.1 激振力

针对激振力来讲，其在工件上能形成附加动应力场，激振力与热时效加热温度有很多类似的地方。结合以往工作情况不难发现，动应力残留量和激振力有着密不可分的联系，简而言之，动应力大小和参与应力降低量成正比。由此可见，激振力也可看作振动时效处理参数的呈现方式，在激振力欠佳的情况下，残留应力水平也难以实现提升。如果在激振力充足的情况下，则可能会导致长时间运行的工件产生问题。为了避免问题的发生，要求相关人员结合实际情况，对激振力加大控制力度，并将其控制在相应的范围内。普遍来讲，动应力情况应在工件承受疲劳荷载的一半。

2.2 激振频率

针对振动时效的处理来讲，应尽最大程度利用最小的激振力去获取最大动应力。具体来讲，由于共振本身带有一定的作用，在亚共振区域周边安设激振，不仅能为产生振动提供有利条件，而且也能从根源避免因为转速变化而形成问题，如振动不稳。如图2所示。

图2 激振频率

2.3 激振时间

利用振动时效能对残余应力做出有效把控，最大程度减少不必要应力的同时，也能降低或避免对设备带来的不利影响。具体来讲，主要是将构件的低应力情况替代高残余应力情况，从本质上来看，此种工作模式是动态的过程。值得注意的是，若想确保此工作流程更加顺利、高效地完成，难免需要投入大量的时间。在此背景下，该工作在实施的初始阶段，应加强提升动应力，加大振动时间的把控力度，这样才能确保残余应力始终维持在一定的范围。若想从根源强化激振效果，对激振力、激振频率以及时间等方面的控制也不容忽视，确保三者的平衡性。与此同时，结合实际情况，增加构建支撑方法，科学合理地借助拾振器或激振器，促进处理效果得以进一步提升。

3 焊接构件振动时效技术特点

现阶段，重型焊接构件（图3）作为应用更普遍的石油机械之一，与中小型构件相对而言，重型焊接构件顾名思义，其重量大、占地面积大，且结构要更烦琐。重型焊接构件在生产阶段，不可避免地会形成残余内力，再加上这些内力形式多样化，且分布情况杂乱无章，会在很大程度上对设备后期使用效果带来负面影响。为了规避影响，应结合实际情况，采用切实可行的方式对设备进行处理，以此进一步强化设备处理成效。

图3 重型焊接构件

在借助大功率的激振电机实施振动处理阶段，由于激振电机运行阶段的功率和被振工件处于正比关系，如果频率和阻尼等条件未产生变化的情况下，构件重量和激振功率也处于正比关系，在此背景下，若想从根源上减少构件内残留应力，应尽可能选择大功率激振电机，如此一来，这也与构件对动应力的要求相符。

在开展激振作业阶段，应利用多频、多点激振相融合的方式开展。追溯其根源，主要是因为重型焊接构件内部结构烦琐，再加上焊接量大等因素的影响，使得焊接残留应力分布杂乱无章。这种情况下，利用多频激振与多点激振相融合的方式开展具体工作，能在构件上实现扭转、剪切以及复合振动等功能，从而促进构件残留应力均匀性水平得以大幅度提升。

如果在大构件，且构件由多部分组成、焊接的情况下，可遵循先实施分段振动、后实施整体振动原则的处理法，以此来促进振动效果得以进一步提升。另外，这种原则的处理方式能在强化构件应力水平的同时，也能最大程度降低或避免设备在组装阶段出现变形，为构件振动均匀性提供可靠的保障。

4 石油机械制造中振动时效技术的应用

现阶段，若想确保石油机械质量与行业标准及规定相符，可在石油机械产品设计同步工程中科学合理地利用振动时效技术。值得注意的是，设计人员应参与整个过程中，这样才能从根源上提升设计工作的有效性。众所周知，石油机械在使用阶段，不可避免地会存在各种荷载现象，这种情况下，要设计人员应基于有限元理论，深入分析受力程度。

若想确保振动时效技术的快速设计在振动时效技术中得以最大化应用成效，应从以下几点入手：（1）相关设计人员应充分掌握构件设计目标；（2）利用自身以往设计经验，精准建立该构件的应用；（3）在对该构件进行设计阶段，基于各区域使用功能，科学合理地调整实际模型，如此一来，不仅能进一步强化该构件设计的智能性与先进性，还能促使该项技术得以进一步发展。

5 石油机械制造中振动时效应用实例

从振动时效处理重点技术的本质来看，其是基于工艺参数明确的激振力、激振时间以及频率的。在选择工件处理支撑点区域阶段，应参考工件下的实际几何形状。下文将对我国某地区油田钻机传动装置振动时效处理情况进行分析。

5.1 点位选择

众所周知，振动时效激振力来源于激振器，当工件处于共振情况下，振动波形普遍会呈正弦波形态，通过分析正弦波，能明确各区域实际振动情况。针对波峰、波谷区域位置的判断来讲，可借助振动时效激振器去实现。值得注意的是，由于此模式能利用小激振力获得大振幅，因此，可在波峰区域周边安装激振器，受到波峰区域大振动的影响，如果将激振器完全安装在波峰区域，随着波峰振动幅度的不断变化，激振器底座会逐渐出现一系列问题，如变形、弯曲等。另外，也不可将其安装至波谷区域，因为波谷产生振动的可能性较小。除此之外，针对激振器的安装来讲，若想确保激振器良好的进行振动，应对局部刚度问题加大重视力度，并且尽可能选择刚度大，且较高位置。