礦山機械加工應采用振動時效工藝

閆曉花

濟南中燃科技發展有限公司

礦山機械加工應采用振動時效工藝

閆曉花

濟南中燃科技發展有限公司

工礦企業在生產機械制造或技術改造配件制作時，為了防止工件變形，維持加工精度，或由應力帶來的開裂損傷，礦山機械中大量的焊接件、鍛件及鑄件在加工過程中均需要進行去應力的時效處理工藝。時效處理的方法主要有自然時效、熱時效及振動時效3種。自然時效是指將機械坯件放在自然界中，利用時間效應，經過氣候溫度的反復變化，使殘余應力松弛，一般時間在1a左右，殘余應力下降2%～10%，提高了構件的松弛剛度，因而尺寸穩定性好，再加工后能保持精度。下面將會對相關工藝應用內容進行闡述，以供參考。

礦山機械工程；加工；振動時效

振動時效系統的基本原理是首先通過與工件綁定在一起的激振器來帶動工件從靜止開始逐漸加速振動，在振動的過程中，通過對工件的振動參數進行分析，得到工件的固有頻率和諧振頻率，然后讓激振器帶動工件在其固有頻率和諧振頻率位置持續振動數分鐘，就可以有效的實現消除或均化內應力的目的。為了能更有效地實現整個系統，如何快速地尋找到工件的固有頻率和諧振頻率，如何高效地完成系統的復雜控制就成為研究振動時效時首先要討論的問題。

1 系統應用優勢

大型礦山設備中：大的鍛件、焊接件、鑄件較多，如掘進機切割頭懸臂梁、采礦機切割部懸臂梁、減速機殼體、液壓支架底座、掩護梁及頂梁等。因為熱時效處理的條件所限，構件內殘余應力仍然較高。一些焊接構件只能進行自然時效處理，或不進行任何處理，因而在生產實用中，出現一些斷裂或開焊現象，而且大量的配件與國外同類產品性能相比，普遍存在著使用壽命短的問題，究其原因，主要是國內產品韌性不足、殘余應力峰值較高以及生產工藝落后等造成的。這樣既影響了生產，又給安全帶來極大的隱患。如果在礦山設備的制造工藝中采用振動時效代替熱時效和自然時效，將會延長這些機械設備的使用期，既節約生產費用，又給安全生產帶來一定的保證。

2 系統的實現

2.1 系統硬件設計

目前，越來越多的廠家開始生產各種型號的振動時效設備。現在振動時效設備種類繁多，控制器有使用單片機的，也有使用集成塊的。顯示部分有數碼管顯示，也有液晶顯示的，激振器有使用直流電機的，也有使用交流電機的，但是它們的基本構成都是一致的。

本振動時效設備硬件部分的基本構成如圖3-1所示。本振動時效設備由以下幾部分構成：ARM微控制器LPC2138、片內程序存儲器、片內數據存儲器、LCD顯示器、鍵盤、功率轉換電路、加速度檢測、轉速檢測、電流檢測、激振器(電機)。

ARM微控制器采用Philips公司的一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器LPC2138，它提供了本系統所需的各種資源。在此次設計中，它是振動時效微機控制系統的核心部件，負責對各種采集來的加速度信號、電流信號、轉速信號進行處理，發送顯示信號到顯示器，接收鍵盤傳送來的指令，發送控制信號到打印機，并發送PWM(脈寬調制)信號到激振器等工作。顯示器采用TOPRO液晶控制板，它可控制640*480點陣彩色TFT液晶顯示屏，可同時存儲2頁顯示內容，并且頁之間的內容可方便地實現交替顯示。這部分由它負責顯示各種信號曲線以及顯示經過ARM運算后的各種結果信息。

SRAM數據存儲器作為顯示緩存，動態的存放要顯示在液晶顯示器上的數據信息。

片內Flash程序存儲器LPC2138擁有512KB的片內FLASH，它用于存放表示電路信息的配置文件及用戶程序，因為ARM是基于SRAM編程，因此掉電后ARM就成為一個白片，沒有任何電路信息，所以在使用時，要將配置文件存儲到一個外部的存儲器上，ARM上電后，就自動加載配置信息到內部，并且器件根據配置文件的內容來自動進行內部連線，以實現指定的功能。

2.2 系統軟件設計

啟動程序：啟動程序都是由匯編來編寫，它可以實現向量表定義，堆棧初始化，系統變量初始化，中斷初始化，I/O初始化，外圍初始化和地址重映射等操作。本系統的啟動文件由匯編文件，C文件，頭文件，分散加載文件組成。

應用程序編寫：振動時效軟件在不同的振動時效設備中具有大致相同的結構，具有數據采集部分，轉速控制部分，顯示部分，數據處理部分，存儲部分，時效部分，打印部分等。因為本系統需要外接微型打印機，LCD顯示器等，所以需要開發其相關的驅動程序。

2.3 振動時效工作流程

振動時效有統一的工作流程。

(1)支撐。通常情況下采用自由支撐方式，支撐用橡膠墊墊在距工件兩端的2/9處，使在較少的激振能量消耗下獲得最大的振幅，取得最好的穩定化效果。

(2)安裝。將激振器安裝在工件端部，激振器軸方向平行或垂直于工件長度方向；電纜彎插頭接電機，直插頭接控制器；加速度傳感器安裝在工件遠離激振器的另一端或對角。

(3)掃頻。打開振動時效設備電源，然后控制激振器產生固定激振力，調節激振器轉速從靜止開始連續上升至設定的最高轉速(如果沒有設定，則為激振器的最高轉速)，在激振器轉速不斷上升過程中，振動時效軟件通過加速度采集部件和速度采集部件不斷采集加速度信號和速度信號并將這些信息存儲記錄下來。

(4)判峰。按照信號處理操作步驟，在采集數據之后，應該根據采集到的數據求取對應的傳遞函數。在振動時效掃頻判峰中只需要找到固有頻率和諧振頻率(如果有諧振頻率)，由于采集數據時，激振器轉速是勻速上升的，并且激振器在工件上加固定的激振力，這個過程產生的激振相當于白噪聲(一種功率頻譜密度為常數的隨機信號)，所以不需要求取工件的傳遞函數，只需要找到振動加速度在頻率上的幅值譜即可。

綜上所述，礦山機械制作采用振動時效處理后，能克服因殘余應力造成的變形，保持使用精度和避免一些運行事故的發生。對此，提出了為提高生產效率，應采用時效處理。

[1]王超.振動時效機理、多點振動時效方法的研究及實現[D].蘭州交通大學，2013.

[2]代永峰.振動時效消減焊接殘余應力的數值仿真及試驗研究[D].哈爾濱工業大學，2012.

[3]王正奎.基于ARM的振動時效系統設計[D].哈爾濱工業大學，2008.