振动时效工艺在水工钢闸门上的应用

振动时效设备|消除残余应力|应力 (jhvsr1.skxox.com)

水工钢闸门大多为大型焊接件,焊接时会产生大量的焊接残余应力,残余应力的存在会影响闸门的尺寸稳定和材料的机械性能,以往消除焊接残余应力的主要方法有热处理时效和自然时效。但两个方法都不适用于钢闸门大型构件。本文采用振动时效方法消除平面钢闸门的残余应力,介绍了振动时效工艺流程。

振动时效处理工艺流程

采用JH-700A智能频谱交流振动时效设备,主要由主机、激振器、加速度传感器、夹具、橡胶减震垫、连接电缆等组成。采用高速变频伺服电机,融合了频谱谐波和亚共振技术,适用于高刚性和高固有频率零件的残余应力消除。

支撑点、激振点的选择

支撑点的选择应以工件主振频率的振型为参考,激振器夹持在工件的振峰处,支撑点尽可能选择在振动的波节处(即振动值最小处),传感器应放在远离激振器的另一波峰处。以下是各种类型工件支撑点的位置选择。

梁型工件

梁型工件是指长度大于宽度的工件,如闸门主梁、行车大梁等。这类工件在主振频率上为弯曲振型,一般选择两点支撑,每一点用两个橡胶垫块,分别位于距离两端2/9L处。激振器通常放在中间,或放在梁的两端,传感器必须远离激振器。

环形工件

环形工件的主振振型,一般是沿周边的环状波动弯曲振型,其节线数量为3的整数倍,因此支撑可按三点均匀分布120°分布,激振器安装在任意两点之间,传感器位于远离激振器的波峰处。

矩形工件

矩形工件随着长宽比的不同,其主振振型有弯曲振型和扭曲振型两种。一般长宽比较小(即接近正方向)的工件主振振型通常为扭曲振型,其支撑点为3点。

而长宽比较大即长方形的工件,主振振型通常为弯曲振型,其支撑点为四点。

某水库平面钢闸门就采用后一种形式,激振器用夹具夹持在主梁的后翼缘板上,激振器底座与工件应紧密接触,如果工件表面太粗糙,应用砂轮打磨平整。

传感器安装一定要稳固牢靠,与磁性座接触的工件表面要打磨平整,以吸合后手感无晃动和不易取下为准。

振动频率和振幅的选择

每一种金属结构件都有几种不同阵型的共振频率,这与构件本身的形状、重量、材质等因素有关。振动时效设备能够在一定频率范围内通过试振扫频检测出不同阵型的数个共振频率,并选择最低的共振频率为主振频率。

时效处理的振动一般选择在亚共振区,亚共振区即共振峰值前沿对应最大振幅的1/3-2/3处,亚共振区不会对结构件造成任何疲劳损伤,相反还会提高工件的疲劳寿命。频率和振幅的选择都是由控制器自动完成的。

激振力的确定

激振力的大小是通过工件承受动应力值大小来衡量,是振动时效工艺的一个重要参数,主要通过改变激振器偏心轮的偏心距来实现,测得的加速度值间接反映激振力的大小,一般来说,动应力大则相应的加速度也大,对于不同的结构件在时效处理时对动应力的要求也不一样。

激振时间的确定

在振动时效处理过程中,随着残余应力的降低和均化,工件的共振频率及振幅等均随之变化,当残余应力的降低和均化过程完成后,这些数值也随之稳定,时效过程也随之结束。

时效效果的分析和判断

振动时效的评定依据是GB/T25713-2010《振动时效效果评定方法》。根据振动时效过程中打印的A-T曲线或振后扫频A-N曲线相对于振前扫频曲线的变化来检测和判断,出现下列情况之一,即可判断工件已达到时效效果。

振幅时间(A-T)曲线上升后变平

时效期间,随着残余应力的释放或变化,工件的振幅不断变化,一旦这种变化停止,说明残余应力不再释放或变化,即已达到时效目地。残余应力的变化过程在曲线上表现为振幅上升段,当振幅平稳后即表明时效过程已完成。

振幅频率(A-N)曲线振后的比振前的峰值升高

在时效过程中由于残余应力的释放,作为约束力的残余应力变化使工件刚性发生变化或减小,从而使振幅增大。

振幅频率(A-N)曲线振后比振前的峰值点左移

由于应力的释放,工件的刚性降低而使其共振频率降低。

振幅频率(A-N)曲线振后比振前的带宽变窄

由于时效过程中残余应力变化使刚性降低,工件的共振变得较容易,则频带变窄。

若时效过程结束后,通过曲线和参数发现没有出现其中任何一种变化,则说明工艺参数需进一步调整,直到出现正常效果。

总结

振动时效处理在水库双扉平面闸门的应力消除处理中发挥了良好作用,由于双扉闸门尺寸精度要求加高,水封座板加工面积较大,在闸门整体焊接后进行振动时效处理,以保证加工后闸门尺寸的稳定。通过比较加工后和安装前的检测尺寸,各项尺寸均保持稳定。目前水库的16扇双扉闸门运行8年后状况依然良好,未出现因尺寸不稳定造成的功能缺陷,收到业主的好评,同时也体现了振动时效技术操作简单、投资少、环保节能等特点,特别适用于说工钢结构的应力消除处理,值得在水利行业大力推广。