SHX2106型全自動彩屏振動時效儀的研制與開發

（南寧市神華振動時效技術研究所，廣西 南寧 530004）

節能減排是我國的基本國策之一。目前，我國每年約有3 500萬t機械零件采用熱時效爐處理，能耗高達175億kW·h，費用高達200億元，CO2排放量高達1 528萬t，而傳統的手動或半自動振動時效設備，自動化程度不高，制約了振動時效的普及應用。

廣西南寧市科技局將“SHX2106型全自動彩屏振動時效儀研制與開發”項目，納入南寧市科技攻關與新產品試制項目（201003018A），項目總投資100萬元，其中財政資助30萬元，由振動時效、機械、電子和計算機工程師組成項目小組，現項目已經順利完成。項目產品已經在香港龍記模具公司、廣州機床廠有限公司、南寧發電設備總廠等數十家機械制造企業使用，效果良好。

本項目產品系廣西壯族自治區內獨創產品。是通過應用89C52單片機、軟件程序、IGBT驅動和液晶顯示等先進技術，使振動時效設備實現了全自動化和彩屏顯示，具有振動時效品質穩定、操作直觀簡便、時效噪音低和故障率低等優點，可達到國際先進水平，能為振動時效的普及應用奠定先進可靠的裝備基礎。

本項目產品，能取代熱時效爐對機械零部件進行時效處理，可節能99%，減排100%，能從根本上解決熱時效的高能耗、高污染和高成本問題，降低時效技術處理費用90%，而且也是手動或半自動振動時效設備的升級換代產品，可在國內外機械制造企業大量推廣應用，對于實現節能減排目標、提高產品品質和經濟效益、重大項目的保質按期完成等，都具有重要意義。

1 立項依據

1.1 立項背景

（1）時效處理概況。時效處理就是消除機械工件的殘余應力，防止工件變形或開裂的一種工藝方法，是機械制造企業一項基本工藝技術，大部分機械企業都要使用時效工藝。

時效處理有自然時效、熱時效和振動時效三種方法。自然時效是將工件放置一年左右，自然降低殘余應力的方法；熱時效是將工件放置到熱時效爐中，加熱到550～600℃并且保溫5～10 h，然后隨爐冷到室溫，以消除殘余應力的方法；振動時效是在常溫下，使用振動時效設備，對工件進行15～30 min的亞共振振動，以消除殘余應力的方法。

自然時效由于周期長、占用資金量大及不能及時滿足市場的變化，現已很少使用。熱時效是傳統的時效方法，但是存在著費用高、能耗大、環境污染嚴重、有氧化皮和難處理大型件等弊病。振動時效僅僅需要“半小時、一度電和幾元錢”的成本，就可以隨時隨地處理小到數千克，大到上百噸的工件，也沒有氧化皮，屬于高效、節能和環保的革命性時效新技術，是自然時效和熱時效均無可比擬的理想的時效新技術。

（2）時效設備概況。無論是熱時效或者是振動時效，都要使用相應的設備。

熱時效設備按照加熱方式不同，主要分為煤、重油、天然氣和電熱時效爐這4大類，對實際生產應用比例而言，煤、重油、天然氣和電熱時效爐分別占80%、10%、5%、5%，而煤、重油、天然氣的燃燒，均存在環境污染問題，因而熱時效爐成了機械企業的重要污染源之一。

振動時效設備按照自動化程度不同，可分為手動、半自動和全自動振動時效設備這3大類。我國目前主要使用的還是手動和半自動振動時效設備，占到80%左右。振動時效品質不穩定，操作復雜，時效噪音大和設備故障率高，是手動和半自動振動時效設備存在的主要問題，制約了振動時效的普及推廣應用。

本項目研制開發的全自動彩屏振動時效儀，不僅能取代熱時效爐，從根本上解決熱時效的高能耗、高污染和高成本問題，也是手動和半自動振動時效設備的升級換代產品。本項目產品取代熱時效爐，不僅實現節能、減排與節約成本、提高生產效率，還可以節省熱時效爐及其廠房等投資的90%，提高生產效率和經濟效益十分顯著。

1.2 立項的必要性

（1）為了機械企業實現節能減排目標。據統計，目前我國的鋼產量已經超過7億t，鑄件產量超過3 000萬t，均為世界第一。每年需要時效處理的鋼件約占鋼產量的5%，需要時效處理的鑄件約占鑄件產量的60%，也就是每年約有5 000萬t以上的鋼鐵零件，需要進行時效處理。

目前，我國每年約有總量30%的鋼鐵零件進行振動時效處理，仍有總量占70%、高達3 500萬t的鋼鐵零件以熱時效為主，其巨大的能耗和CO2排放，使我國節能減排任務十分艱巨。

本項目是實現振動時效普及化的關鍵裝備，為了促進機械企業的節能減排工作，實現節能減排目標，所以對此立項很有必要。

（2）為了提高機械企業的經濟效益。機械企業作為傳統產業，產品的利潤率并不高，效益都不是很好。而努力降低生產成本，是獲得效益的重要途徑。本項目除了具有顯著的節能減排效果外，還具有十分顯著的降低時效成本、提高生產效率和降低熱時效設備投資的效果。

以一個企業年時效處理1萬t工件為例，如果使用熱時效，其熱時效的綜合成本為500元/t，則一年的時效費用為500萬元；而使用振動時效，其綜合成本為10元/t，一年的時效費用僅僅需要10萬元，每年可以節省490萬元的熱時效費用。而且是年年如此，效益十分巨大，所以對此立項很有必要。

（3）為了提高機械企業的產品品質。在機械產品中，重要的零部件都應該進行時效處理。但實際上由于采用熱時效的成本很高，相當多企業都不愿意增加這項成本支出，對于本來需要進行時效處理的零件，都沒進行時效處理，這自然會降低產品品質。

另外一方面，即使進行熱時效處理的零件，在實際熱時效生產過程中，為了降低生產成本，往往沒有嚴格按工藝要求進行，常見的就是縮短熱時效時間和降低熱時效溫度，比如按照工藝要求應該在600℃保溫8 h才行，但實際上可能是500℃保溫3 h就出爐了。這樣，將達不到熱時效的工藝效果，對產品品質帶來的影響是很大的。

此外，燃煤熱時效爐是主要的熱時效設備，但因為環境污染嚴重，已被環保部門明令禁用，雖然可以改用其他熱時效爐，但是要另外購買設備，時效成本也要大增，這樣往往導致企業干脆就取消熱時效工序，這勢必對產品品質產生不利的影響。

除此之外，雖然我國振動時效事業已經取得了重大成就，但是目前還是以手動或者半自動振動時效設備為主，這種設備難以保證振動時效處理的品質，也會成為機械產品的品質隱患。

由此可見，為了提高機械企業的產品品質，對此立項很有必要。

（4）為了解決超大型工件的時效處理難題。我國的重大項目很多，要求進行時效處理的超大型工件不少，而且這些都是最重要的零件，品質要求很高，工期要求也高。對這些“大家伙”，要使用熱時效爐進行處理，肯定不行，只能使用振動時效技術。為了解決超大型工件的時效處理難題，保證重大項目的產品品質和工期，對此立項很有必要。

1.3 立項的意義

本項目對于振動時效技術的大規模普及推廣應用，對于機械企業實現節能減排目標，對于提高機械企業的產品品質和經濟效益，對于重大項目的保質按期完成，對于增強企業的市場競爭力，都具有重要的意義。

1.4 與國內外同類產品的競爭分析

本項目產品為廣西壯族自治區內獨創，要領先于國內同類產品，可以達到國際先進水平，產品的制造成本低，售價合理，在國內外同類產品中具有很強的競爭力。

1.5 國內外市場現狀分析

本項目產品由于其具有節能減排、快速高效、運行成本低、時效效果好、操作簡便、性能穩定和售價低等特點，具有極強的競爭力，必將在國內外機械企業得到普及應用，具有很好的市場需求前景。

據調查，我國上規模的機械企業有近萬家，其中大部分企業的機械零件，都需要進行時效處理，每年需要進行時效技術處理的工件的總質量預計超過5 000萬t。經過數十年的發展，雖然振動時效技術得到了推廣應用，但是目前也只有約30%的企業使用了振動時效設備，而70%的企業仍是以熱時效為主。

用振動時效設備取代熱時效爐，是一個必然的發展方向。而且振動時效設備使用壽命，一般在5年左右，超過了使用期限，企業都需要重新購置，因此振動時效設備的市場需求量是相當大的。

歐美等西方國家振動時效設備的性能水平雖然比較高，但是價格昂貴，售價是本項目產品的10倍左右，因此本項目也具有進入歐美市場的商機。

東盟國家振動時效技術的應用，目前大體上仍是一個空白，尚未有專門的振動時效設備生產企業，加之東盟各國與廣西在地理位置上是近鄰，本項目產品完全有能力進入并逐步在東盟市場占有一席之地。

2 項目總體目標和主要內容

2.1 總體目標

研制開發SHX2106型全自動彩屏振動時效儀20臺。

2.2 主要技術指標

設備型號：SHX2106；

自動化程度：全自動；

額定激振力：35 kN；

額定轉速：8 000 r/min；

額定功率：2.2 kW；

穩速精度：1 r/min；

額定電壓：220 V；

額定處理工件單件凈質量：50 t；

額定處理單件工件時間：30 min；

額定處理單件工件能耗：1 kW·h/件；

設備自身總質量：50 kg；

控制器外形尺寸：440 mm×364 mm×147 mm。

2.3 研究開發內容

（1）通過應用89C52單片機及編制新的軟件控制程序，實現振動時效設備的全自動控制功能，即一次性全自動完成振動時效工藝處理全過程。

這個過程包括：自動進行振前掃頻，尋找工件的共振峰，自動確定掃頻范圍；尋找到共振峰后，自動選擇共振峰前沿的2/3亞共振點，進行振動時效處理；在時效處理過程中，自動跟蹤工件共振頻率的變化，自動調節共振轉速，始終進行亞共振時效處理；根據時效過程中加速度的平緩度變化情況，自動確定振動時效處理的時間；達到時效效果后，自動進行振后掃頻，自動根據振前與振后掃頻曲線的變化及參數曲線法判定標準，自動判定振動時效工藝效果，并自動通過液晶顯示器將結果顯示，自動通過打印機將時效曲線與參數打印出來，作為工件時效處理品質檢驗的依據。

振動時效設備全自動功能的實現，使振動時效處理的工藝參數，完全由計算機精確控制，解決了傳統的手動或者半自動振動時效設備處理的工藝參數，主要通過人工控制及工藝品質不穩定的難題。

全自動功能的實現，還使振動時效設備的操作極為簡便，普通的人員就能夠掌握操作，解決了傳統的手動或者半自動振動時效設備需要工程技術人員才能掌握操作的難題。

（2）通過應用彩色液晶顯示器取代數碼管顯示，直接在液晶屏上顯示振動時效工藝曲線、參數及故障維修處理提示。工藝曲線包括振前掃頻曲線、時效曲線、振后掃頻曲線和振動時效前后對比掃頻曲線；工藝參數包括電機轉速、振動加速度、時效時間和電流，故障維修提示包括故障原因及解決辦法。

彩色彩色液晶顯示器作為當代高新技術的結晶產品，其不僅具有超薄平面、色彩逼真和能夠動態顯示曲線數據的特點，而且還具有體積小、耗電省、壽命長、無射線、抗震和防爆等數碼管所無法相比的優點，是工控儀表、機電設備等行業更新換代的理想顯示器。

彩屏顯示技術的實現，使得振動時效十分抽象的共振、亞共振等基本理論，可以通過工藝曲線直觀顯示，有利于人們了解和掌握振動時效的原理，更好地應用振動時效技術，同時也可以方便地用英文等文字編寫顯示內容，有助于產品的國際銷售。

故障維修提示功能，能夠使廠家及時進行維修處理，不影響生產。

（3）采用目前最先進的IGBT驅動功率器件，取代傳統的可控硅驅動器件，用于對振動時效設備的直流電機的驅動。IGBT新型功率器件采用場控，工作頻率更高，機械特性更好，驅動電路更簡單，能夠大幅度降低設備的故障率，顯著提高設備的使用壽命。

傳統的振動時效設備采用可控硅技術，由于驅動紋波大，因此要用笨重的電抗器，而電源同步也采用鐵芯變壓器，控制器自身總質量達十多千克，故障率高，主驅動電路為一路，因此在其故障后只可停機待修，而由于老式設備軟件原因，主電路驅動電機啟動頻繁，加劇了此類故障的出現。

IGBT技術可組合目前最先進的主路驅動電路，可使設備的平均無故障時間提高到1萬h以上。IGBT技術的應用，可以取消笨重的鐵芯電抗器和變壓器，控制器自身凈質量降低到6 kg，控制器的成本也大幅度下降，軟件設計的改進，也改變了電機頻繁啟動的狀況，使電機壽命提高2～3倍。

2.4 技術路線

總體設計→電氣原理設計→電路及電路板設計→委托加工電路板→全自動控制軟件設計與編制→液晶顯示器顯示內容設計與編制→采購電子元器件及其他零部件→電路板焊接→樣機組裝→樣機內部試驗→樣機工廠實際使用試驗→樣機鑒定準備→產品檢測鑒定。

2.5 技術關鍵及創新點

（1）技術關鍵問題。研究如何應用89C52單片機及編制軟件控制程序，解決控制器對振動時效工藝參數的全自動控制問題；研究解決如何應用YD-613液晶顯示器及其顯示內容編制問題；研究解決IGBT驅動電路的設計和生產問題。

（2）項目創新點。該項目的技術創新點有：

第一是使振動時效設備實現了全自動化，振動時效處理工藝參數的選擇，完全由計算機精確控制，不僅完全能夠確保振動時效工藝品質穩定可靠，而且操作十分簡便；

第二是振動時效工藝曲線、參數和故障維修提示，均用彩色液晶顯示器直觀顯示，具有優秀的人機操作界面；

第三是振動時效設備的直流電機的驅動，采用目前最先進的IGBT驅動電路，振動時效工藝參數控制采用89C52微處理器，其穩定性與可靠性能得到極大的提高。

3 產品結構和工作原理

3.1 產品構成及工作原理

本儀器由彩屏控制器、激振器、測振器、膠墊、夾具、電纜線和電源線等構成（圖1）。

圖1 SHX2106型全自動彩屏振動時效儀結構圖

其基本原理與操作步驟是：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（圖2），就可以開機進行振動處理了。

圖2 振動時效布置示意圖

如果使用全自動工藝程序，先是振前掃頻搜尋共振峰，找到合適有效的共振峰后，儀器的電腦能自動精確選擇亞共振點共振30 min左右，并自動振后掃頻檢查時效效果，最后自動顯示或者打印工藝曲線作為質檢依據（圖3），時效處理就結束了。整個振動時效過程，均是全自動一次性完成。

圖3 振動時效工藝曲線和參數

3.2 主要部件用途和結構

（1）彩屏控制器。用于實時顯示振動時效工藝曲線、參數、運行狀態及進行全自動、半自動和手動操作。主要由IGBT驅動電路、微機控制電路、彩色液晶顯示器、微型打印機、操作按鍵、開關電源和外圍電路組成（圖4、圖5）。

圖4 彩屏控制器內部結構圖

圖5 彩屏控制器后部結構圖

（2）激振器。用于產生激振力的機械式振動器，由永磁直流電機和偏心激振頭組成，通過彩屏控制器手動或者自動調節電機的轉速，可以尋找工件的共振峰所對應的轉速值，通過調節激振器的偏心角，可以產生不同的激振力。

（3）測振器。用于測量振動的加速度值，其測量頭部為永磁鐵，可以牢固地吸附在鋼鐵工件上。

4 項目產品的使用效果

本項目產品已經在香港龍記集團模具公司、廣州機床廠有限公司、桂林機床股份有限公司、南寧發電設備總廠、中南大學、柳州鋼鐵集團公司、貴州險峰機床廠、佛山市水泵廠、深圳大族激光科技公司等數十家企業應用，使用效果很好。

對典型用戶的使用效果，作如下陳述。

4.1 香港龍記集團模具公司項目產品使用效果

該公司是世界上最大的標準模架生產企業，年產值超過百億元，每天24 h三班倒連續生產，全年不間斷運行，對所有的生產設備的穩定可靠性要求極高，而且絕大部分生產設備都是選擇進口的設備。2008年，經過國內外招投標，最終選擇南寧市神華振動時效技術研究所作為振動時效設備的供應商。

振動時效設備主要用于標準模架的時效處理，以消除殘余應力，提高模架的尺寸精度穩定性。該公司有10條模架生產線，每條線上都有一道振動時效處理工序。我們總共提供了20套SHX2106型全自動彩屏振動時效儀，采用平臺振動時效工藝方案（圖6），這些設備每天24 h，每年365 d都在不停地進行工作，使用3年多，平均每臺設備已經運行了約30萬h。這充分證明了所開發的振動時效設備具有極好的穩定性和可靠性。

圖6 模具振動時效

4.2 廣州機床廠有限公司項目產品使用效果

廣州機床廠有限公司是華南地區最大的機床生產企業，年產值約5億元。該廠原來購買了6套振動時效設備，其中1套從美國進口，其余為國產設備。這些設備都是手動或者半自動的，由于操作步驟繁雜，設備故障多，振動時效效果不穩定，因此振動時效曾被迫停止使用。2009年在廣州機床展會上，該廠總工程師看到南寧市神華振動時效技術研究所研發的該項目產品——全自動彩屏振動時效儀展品，很感興趣，在詳細了解了設備性能情況后，邀請筆者帶設備到工廠作試驗。

會后，筆者應邀到該廠用該項目設備振動時效處理了10件10 m長的機床床身（圖7）。經過3個月的變形檢測，幾乎沒有變形。

圖7 機床床身振動時效

而同類的機床床身，如果不進行振動時效處理，3個月的變形量可達到0.10 mm左右。這樣，該廠購置了該項目產品，振動時效終于又成功地應用了起來。

這證明了該項目產品——全自動彩屏振動時效儀，是傳統的手動或者半自動振動時效設備的理想的更新換代產品，是振動時效技術得以成功應用的關鍵裝備。

4.3 南寧發電設備總廠項目產品使用效果

南寧發電設備總廠的水力發電機機座，自身總質量8.29 t，外形尺寸Φ 5 000 mm×1 735 mm，材料為Q235A。

其中一件用燃油爐（圖8）進行熱時效處理。熱時效工藝參數為：加熱550～600℃，保溫約3 h，并隨爐冷卻。

圖8 燃油時效爐

另一件則使用本項目產品“SHX2106型全自動彩屏振動時效儀”進行處理（圖9），振動時效處理工藝參數為：機座用3個橡膠墊支撐于底部，激振器固定在機座底部的隔板上，偏心角取60°，進行30 min的全自動振動時效處理。

圖9 機座振動時效

使用一臺磁測應力儀，分別檢測了機座兩種時效方法的效果：其中，振動時效機座平均殘余應力下降率為54%；熱時效機座的平均殘余應力下降率為53%，消除殘余應力的效果相近。

如果該機座用熱時效處理，耗費約4 000元，耗時約50 h；而用振動時效處理，費用僅40元，時間僅0.5 h。兩相比較，振動時效的耗費與耗時僅為熱時效的1%。

現在，該廠的所有焊接件，已經用振動時效取代了傳統的熱時效，時效成本降低了98%，取得了很好的效益。這證明了所開發項目產品的振動時效工藝效果，是穩定可靠的。

4 結束語

SHX2106型全自動彩屏振動時效儀的成功研制開發，使振動時效設備實現了全自動化和彩屏顯示，具有振動時效工藝品質穩定、操作直觀簡便、時效噪音低和故障率低等優點，可達到國際先進水平，能為振動時效的普及應用奠定先進可靠的裝備基礎。本項目產品不僅能取代熱時效爐，可節能99%，減排100%，降低熱時效費用90%，還能從根本上解決熱時效的高能耗、高污染和高成本問題，而且也是手動或半自動振動時效設備的升級換代產品，可在國內外機械企業大量推廣應用。

[1]JB/T 5926-2005，中華人民共和國機械行業標準·振動時效工藝參數選擇及技術要求[S].