閆曉花

濟(jì)南中燃科技發(fā)展有限公司

礦山機(jī)械加工應(yīng)采用振動(dòng)時(shí)效工藝

閆曉花

濟(jì)南中燃科技發(fā)展有限公司

工礦企業(yè)在生產(chǎn)機(jī)械制造或技術(shù)改造配件制作時(shí)，為了防止工件變形，維持加工精度，或由應(yīng)力帶來(lái)的開裂損傷，礦山機(jī)械中大量的焊接件、鍛件及鑄件在加工過(guò)程中均需要進(jìn)行去應(yīng)力的時(shí)效處理工藝。時(shí)效處理的方法主要有自然時(shí)效、熱時(shí)效及振動(dòng)時(shí)效3種。自然時(shí)效是指將機(jī)械坯件放在自然界中，利用時(shí)間效應(yīng)，經(jīng)過(guò)氣候溫度的反復(fù)變化，使殘余應(yīng)力松弛，一般時(shí)間在1a左右，殘余應(yīng)力下降2%～10%，提高了構(gòu)件的松弛剛度，因而尺寸穩(wěn)定性好，再加工后能保持精度。下面將會(huì)對(duì)相關(guān)工藝應(yīng)用內(nèi)容進(jìn)行闡述，以供參考。

礦山機(jī)械工程；加工；振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)的基本原理是首先通過(guò)與工件綁定在一起的激振器來(lái)帶動(dòng)工件從靜止開始逐漸加速振動(dòng)，在振動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)工件的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)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(dòng)工件在其固有頻率和諧振頻率位置持續(xù)振動(dòng)數(shù)分鐘，就可以有效的實(shí)現(xiàn)消除或均化內(nèi)應(yīng)力的目的。為了能更有效地實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)，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(tǒng)的復(fù)雜控制就成為研究振動(dòng)時(shí)效時(shí)首先要討論的問題。

1 系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

大型礦山設(shè)備中：大的鍛件、焊接件、鑄件較多，如掘進(jìn)機(jī)切割頭懸臂梁、采礦機(jī)切割部懸臂梁、減速機(jī)殼體、液壓支架底座、掩護(hù)梁及頂梁等。因?yàn)闊釙r(shí)效處理的條件所限，構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力仍然較高。一些焊接構(gòu)件只能進(jìn)行自然時(shí)效處理，或不進(jìn)行任何處理，因而在生產(chǎn)實(shí)用中，出現(xiàn)一些斷裂或開焊現(xiàn)象，而且大量的配件與國(guó)外同類產(chǎn)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(guó)內(nèi)產(chǎn)品韌性不足、殘余應(yīng)力峰值較高以及生產(chǎn)工藝落后等造成的。這樣既影響了生產(chǎn)，又給安全帶來(lái)極大的隱患。如果在礦山設(shè)備的制造工藝中采用振動(dòng)時(shí)效代替熱時(shí)效和自然時(shí)效，將會(huì)延長(zhǎng)這些機(jī)械設(shè)備的使用期，既節(jié)約生產(chǎn)費(fèi)用，又給安全生產(chǎn)帶來(lái)一定的保證。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

目前，越來(lái)越多的廠家開始生產(chǎn)各種型號(hào)的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備?，F(xiàn)在振動(dòng)時(shí)效設(shè)備種類繁多，控制器有使用單片機(jī)的，也有使用集成塊的。顯示部分有數(shù)碼管顯示，也有液晶顯示的，激振器有使用直流電機(jī)的，也有使用交流電機(jī)的，但是它們的基本構(gòu)成都是一致的。

本振動(dòng)時(shí)效設(shè)備硬件部分的基本構(gòu)成如圖3-1所示。本振動(dòng)時(shí)效設(shè)備由以下幾部分構(gòu)成：ARM微控制器LPC2138、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、LCD顯示器、鍵盤、功率轉(zhuǎn)換電路、加速度檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電流檢測(cè)、激振器(電機(jī))。

ARM微控制器采用Philips公司的一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(tǒng)所需的各種資源。在此次設(shè)計(jì)中，它是振動(dòng)時(shí)效微機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)對(duì)各種采集來(lái)的加速度信號(hào)、電流信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)送顯示信號(hào)到顯示器，接收鍵盤傳送來(lái)的指令，發(fā)送控制信號(hào)到打印機(jī)，并發(fā)送PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)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(diǎn)陣彩色TFT液晶顯示屏，可同時(shí)存儲(chǔ)2頁(yè)顯示內(nèi)容，并且頁(yè)之間的內(nèi)容可方便地實(shí)現(xiàn)交替顯示。這部分由它負(fù)責(zé)顯示各種信號(hào)曲線以及顯示經(jīng)過(guò)ARM運(yùn)算后的各種結(jié)果信息。

SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器作為顯示緩存，動(dòng)態(tài)的存放要顯示在液晶顯示器上的數(shù)據(jù)信息。

片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器LPC2138擁有512KB的片內(nèi)FLASH，它用于存放表示電路信息的配置文件及用戶程序，因?yàn)锳RM是基于SRAM編程，因此掉電后ARM就成為一個(gè)白片，沒有任何電路信息，所以在使用時(shí)，要將配置文件存儲(chǔ)到一個(gè)外部的存儲(chǔ)器上，ARM上電后，就自動(dòng)加載配置信息到內(nèi)部，并且器件根據(jù)配置文件的內(nèi)容來(lái)自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)部連線，以實(shí)現(xiàn)指定的功能。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)程序：?jiǎn)?dòng)程序都是由匯編來(lái)編寫，它可以實(shí)現(xiàn)向量表定義，堆棧初始化，系統(tǒng)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(tǒng)的啟動(dòng)文件由匯編文件，C文件，頭文件，分散加載文件組成。

應(yīng)用程序編寫：振動(dòng)時(shí)效軟件在不同的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備中具有大致相同的結(jié)構(gòu)，具有數(shù)據(jù)采集部分，轉(zhuǎn)速控制部分，顯示部分，數(shù)據(jù)處理部分，存儲(chǔ)部分，時(shí)效部分，打印部分等。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)需要外接微型打印機(jī)，LCD顯示器等，所以需要開發(fā)其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。

2.3 振動(dòng)時(shí)效工作流程

振動(dòng)時(shí)效有統(tǒng)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(wěn)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(zhǎng)度方向；電纜彎插頭接電機(jī)，直插頭接控制器；加速度傳感器安裝在工件遠(yuǎn)離激振器的另一端或?qū)恰?/p>

(3)掃頻。打開振動(dòng)時(shí)效設(shè)備電源，然后控制激振器產(chǎn)生固定激振力，調(diào)節(jié)激振器轉(zhuǎn)速?gòu)撵o止開始連續(xù)上升至設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速(如果沒有設(shè)定，則為激振器的最高轉(zhuǎn)速)，在激振器轉(zhuǎn)速不斷上升過(guò)程中，振動(dòng)時(shí)效軟件通過(guò)加速度采集部件和速度采集部件不斷采集加速度信號(hào)和速度信號(hào)并將這些信息存儲(chǔ)記錄下來(lái)。

(4)判峰。按照信號(hào)處理操作步驟，在采集數(shù)據(jù)之后，應(yīng)該根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)求取對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)。在振動(dòng)時(shí)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(shù)據(jù)時(shí)，激振器轉(zhuǎn)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(gè)過(guò)程產(chǎn)生的激振相當(dāng)于白噪聲(一種功率頻譜密度為常數(shù)的隨機(jī)信號(hào))，所以不需要求取工件的傳遞函數(shù)，只需要找到振動(dòng)加速度在頻率上的幅值譜即可。

綜上所述，礦山機(jī)械制作采用振動(dòng)時(shí)效處理后，能克服因殘余應(yīng)力造成的變形，保持使用精度和避免一些運(yùn)行事故的發(fā)生。對(duì)此，提出了為提高生產(chǎn)效率，應(yīng)采用時(shí)效處理。

[1]王超.振動(dòng)時(shí)效機(jī)理、多點(diǎn)振動(dòng)時(shí)效方法的研究及實(shí)現(xiàn)[D].蘭州交通大學(xué)，2013.

[2]代永峰.振動(dòng)時(shí)效消減焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]王正奎.基于ARM的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.