液壓振動消應力裝置的仿真研究

(1.天津職業技術師范大學(天津)機械工程學院 天津 300220; 2.大連華銳重工冶金設備制造有限公司 遼寧 大連 116000)

引言

金屬工件在焊接、鑄造等工藝中，會在其內部產生大量的殘余應力。殘余應力會增強工件的應力腐蝕作用并且降低工件的使用壽命和疲勞[1-2]。本文設計了一套以液壓振動技術為基礎的液壓振動消應力裝置，主要適用于小型工件的振動處理，并且可以同時處理多個同型號的小型工件。

一、液壓振動消應力裝置的優點

(1)液壓激振的動力是交變液流，不用添加額外的質量模塊，既可以達到高頻率的振動也可以實現平穩振動[3]。

(2)激振裝置結構簡單，沒有復雜的機械零件，不會出現由于偏心力等導致的振動構件損壞的問題。

(3)振動設備的啟停控制方便，可以瞬間的啟動和停止，不存在起振和停振的問題。

(4)振動參數調整方便，可以容易的調整各種激振力和頻率。

二、液壓振動消應力裝置的原理

液壓振動消應力裝置主要包括液壓動力提供單元、檢測反饋單元、液壓波動生成單元。該裝置是直接通過液壓缸驅動工件進行應力消除處理的。

該裝置的工作原理是將激振液壓缸的缸體固定在地基上，振動臺面與液壓缸活塞桿相連，然后將工件安放到振動臺面上，推動振動臺面，使工件發生振動時效的。而該裝置的反饋控制主要是在線檢測工件的振動參數及狀態，通過調整液壓泵壓力流量和伺服電機轉速與實現對整個系統振動的調節。

三、系統的AMESim仿真

采用AMESim軟件液壓振動裝置進行研究，分析在振動時效處理工件時，激波裝置頻率和各個液壓參數變化對系統的影響。

(一)建立系統AMESim仿真模型

在AMESim界面下，建立系統如圖1所示。

圖1 系統的AMESim模擬圖

在AMESim模擬圖中，各元件和系統的物理模型是相互對應的，其對應關系如表1所示。

表1 元件和系統物理模型的對應關系

(二)系統的AMESim仿真

影響系統激振力和頻率的變參量主要包括：(1)激波裝置產生的壓力波頻率；(2)液壓泵的輸出的壓強；(3)彈性支撐參數。

1.壓力波頻率對激振振幅和激振力的影響

首先給出系統的變參量：活塞直徑dc=0.12m，桿徑dg=0.054m；設工件質量和振動臺面之和為32kg；阻尼系數為100N/m/s；彈性支撐的系數為400KN/m；液壓泵輸出的壓力值為22MPa。這時我們讓STN0的頻率取一組值：10Hz、30Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz，便可以得到在不同的激振頻率下系統的激振振幅和激振力，可以得到如下結論：

(1)激振振幅隨著激振頻率的增大而減小。通過振動時效可以知道，大振幅會加快時效處理速度，小振幅會讓時效處理更加均勻。(2)激振頻率低時，激振力振動比較劇烈，振動形態隨著頻率的增加趨于緩和，所以系統的高頻特性較好，可以應用到高頻時效處理當中。

2.液壓泵的輸出壓強對激振振幅與激振力的影響

現設定激波裝置的頻率為50Hz，其他參數不變，液壓泵的輸出壓力分別取16MPa、20MPa、24MPa、28MPa。便可以得到在不同的液壓泵輸出壓力值下，系統振幅和激振力的影響，可以得到如下結論：

(1)液壓泵輸出壓力的增大會使整個系統的能量增大，隨著壓力的提升，系統振幅會有少量的增大，振幅中心會發生少量的上移。(2)隨著壓力的升高，系統激振力最大值也會提高，所以針對較重工件，在進行時效處理時，可以通過提高液壓泵壓力來增加激振力。(3)通過增大系統的壓力去改變參數范圍是有限的，所以這不是很好的途徑。(4)在進行一般工件的時效處理時，可以使用較小的壓力值以避免產生浪費能量的現象。

3.彈性支撐參數對激振振幅與激振力的影響

設定激波裝置的頻率為50Hz，系統其他參數不變，分別取彈性系數為100KN/m、300KN/m、500KN/m、1000KN/m，研究若改變彈性支撐的剛度，則對系統激振振幅與激振力的影響，可得如下結論：

(1)系統振幅受彈性系數增大的影響較小，幅值也沒有產生太大的變化，激振中心發生下滑，接近于系統零點。(2)系統的激振力隨著彈性系數的增大而變大，其峰值與幅值的差值也增大，當彈性系數為100KN/m時，激振力會趨于恒力作用。(3)當彈性系統較小時，不利于振動時效處理現象的產生，所以應該采用彈性系數較大的彈性支撐件。

四、結論

液壓振動消應力系統是振動液壓缸從振動臺面底部直接驅動來使工件產生振動，到達消應力目的。適合于小型工件，并且可以同時處理多個同型號的小型工件。在明白其原理基礎上，使用AMESim對其進行液壓系統建模，通過AMESim強大的分析和處理能力研究了各參變量對系統激振振幅與激振力的影響作用。參變量主要包括壓力波頻率，液壓泵輸出壓力，彈性支撐系數與工件質量等。因為這些參變量或多或少的都會影響到時效處理所需的激振振幅與激振力，所以在實際的應用中應該綜合考慮各方面，來選取各個參變量的數值大小，一邊達到最好的效果。

[1]張國柱．應力消除技術研究現狀與發展[J]．科技資訊,2011(05):20-21．

[2]馬振宇．激振時效技術機理研究和裝置的研究開發[D].杭州:浙江大學,2003:11-12．

[3]邢玉龍．振動時效設備及相關技術研究[D]．沈陽:東北大學,2008:24-25．

天津市教委項目：項目名稱：二次調節加載系統的控制策略與解耦方法研究，項目編號2017KJ100