柴油機(jī)氣缸體的振動(dòng)時(shí)效裝置研發(fā)

楊勝鋒，梁清延，王春風(fēng)，何春華，謝正良，熊文府，田小艷，楊 坤，李 艷，楊宇光

（1.南寧神華機(jī)器人科技有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537000；3.南寧市神華振動(dòng)時(shí)效技術(shù)研究所，廣西 南寧 530007）

0 引言

氣缸體是柴油機(jī)的機(jī)械骨架，外部形狀為立方體，頂面和底面為平面結(jié)構(gòu)，側(cè)面為復(fù)雜的圓弧結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有油、氣和水管道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，氣缸體品種多，不同品種的尺寸和重量也不一樣。

柴油機(jī)氣缸體采用HT250 等牌號(hào)的灰口鑄鐵鑄造而成，在鑄造時(shí)要產(chǎn)生鑄造殘余應(yīng)力，最大值可達(dá)到約80 MPa，滿足不了其殘余應(yīng)力的設(shè)計(jì)技術(shù)要求（≤30 MPa），因此必須進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的時(shí)效處理。長期以來，柴油機(jī)制造企業(yè)都是用熱時(shí)效來降低柴油機(jī)氣缸體的殘余應(yīng)力，即鑄型澆注冷卻到約600 ℃開箱，然后轉(zhuǎn)到連續(xù)式電阻熱時(shí)效爐中，在約550 ℃保溫約5 h，緩冷到約200 ℃出爐空冷，整個(gè)工藝過程約需要36 h。熱時(shí)效雖然能將柴油機(jī)氣缸體的殘余應(yīng)力降低到30 MPa 以下，但存在成本高和能耗高等問題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國柴油機(jī)氣缸體的年產(chǎn)量約有50 萬噸，每噸熱時(shí)效成本約200 元，每噸耗電約250 kW·h，每年約需要1 億元的熱時(shí)效成本，約耗電1.25 億kW·h，而每用1 kW·h 電，要產(chǎn)生0.997 kg 二氧化碳排放，因此每年還要導(dǎo)致約12.5 萬t 的二氧化碳排放。

振動(dòng)時(shí)效[1]是使用振動(dòng)時(shí)效設(shè)備[2,3]，將激振器固定在工件上，尋找工件的固有頻率，對工件進(jìn)行約半小時(shí)的亞共振振動(dòng)，就可以達(dá)到時(shí)效目的，可將熱時(shí)效的成本和能耗降低95%以上，時(shí)效時(shí)間縮短到半小時(shí)以內(nèi)，用振動(dòng)時(shí)效取代柴油機(jī)氣缸體的熱時(shí)效是解決上述問題較為適宜的技術(shù)方案。

由于柴油機(jī)氣缸體屬于小型工件，固有頻率很高，無法單獨(dú)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，只能采用振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)降低其固有頻率進(jìn)行處理。但柴油機(jī)氣缸體是大批量、多品種生產(chǎn)，我國主要的柴油機(jī)制造企業(yè)的柴油機(jī)氣缸體年產(chǎn)量有10 多萬噸，而且柴油機(jī)氣缸體品種多，重量和尺寸差別大，要應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的難度大。

公知的“壓縮機(jī)缸體振動(dòng)時(shí)效裝置（專利號(hào)201220379434.3）”、“裝載機(jī)前車架振動(dòng)時(shí)效裝置（專利號(hào)201220679732.4）”、“振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)（專利號(hào)201310701018.X）”、“游標(biāo)卡尺振動(dòng)時(shí)效裝置（專利號(hào)201220339746.1）”等專利中，均公開了采用振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)對小工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理的技術(shù)方案，但均是采用螺栓人工裝夾的方法，將小工件固定到振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)上進(jìn)行處理，這對小批量生產(chǎn)的小工件是可行的，但對于年產(chǎn)量高達(dá)十萬噸的柴油機(jī)氣缸體進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，則不具有可行性，因?yàn)閯趧?dòng)強(qiáng)度太大，裝夾時(shí)間太長，無法滿足大批量、多品種生產(chǎn)要求。

在現(xiàn)有的振動(dòng)時(shí)效裝備中，還沒有一種振動(dòng)時(shí)效裝備可以適用于柴油機(jī)氣缸體的振動(dòng)時(shí)效處理。

針對上述現(xiàn)有缺陷，需研發(fā)一種柴油機(jī)氣缸體振動(dòng)時(shí)效裝置，能大批量有效地消除柴油機(jī)氣缸體鑄造殘余應(yīng)力，滿足不同種類的柴油機(jī)氣缸體的大批量生產(chǎn)要求，大幅度減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能夠保證裝夾質(zhì)量，進(jìn)而保證振動(dòng)時(shí)效質(zhì)量效果。

1 技術(shù)方案

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

本裝置包括激振器、振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)和液壓缸裝夾組件，如圖1-2 所示。其中，振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)為高強(qiáng)度實(shí)芯長形鋼板，在其頂面上沿其長度方向設(shè)置有三條與長邊平行的梯形槽，在其長邊中部底面外緣設(shè)置有激振器固定螺孔。激振器固定在長形鋼板底部，以驅(qū)動(dòng)長形鋼板振動(dòng)。液壓缸裝夾組件由導(dǎo)柱、定位螺母、上壓板、液壓缸、壓緊蓋和下壓板構(gòu)成，導(dǎo)柱底部設(shè)置有導(dǎo)柱法蘭，導(dǎo)柱法蘭環(huán)設(shè)有導(dǎo)柱法蘭孔；通過T 型螺栓穿裝過導(dǎo)柱法蘭孔固定到振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)的梯形槽位置；導(dǎo)柱的外圓面上開設(shè)有外螺紋。

上壓板為長方體結(jié)構(gòu)，其設(shè)置有上壓板導(dǎo)柱孔和上壓板液壓缸孔，上壓板的上壓板導(dǎo)柱孔穿裝到導(dǎo)柱上；并通過設(shè)置在上壓板上下方的兩件定位螺母與導(dǎo)柱的外螺紋旋合反轉(zhuǎn)，將上壓板夾緊固定，而上壓板也可以通過調(diào)整兩件定位螺母的位置進(jìn)行上下調(diào)整，上壓板本身也可以軸向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

液壓缸固定在上壓板的自由旋轉(zhuǎn)端上，液壓缸設(shè)置有液壓缸法蘭、液壓缸法蘭孔，液壓缸通過液壓缸法蘭孔和液壓缸法蘭連接螺栓固定在上壓板液壓缸孔的位置。液壓缸的輸出端垂直穿出上壓板底部并通過壓緊蓋固定連接下壓板，下壓板為長方體結(jié)構(gòu)。下壓板呈長條形沿長形鋼板的寬度方向跨設(shè)。

本裝置還采取了提高液壓缸缸頭壽命的技術(shù)方案，液壓缸的輸出端設(shè)置有液壓缸球形頭，液壓缸球形頭穿裝有壓緊蓋，下壓板上設(shè)置有容納液壓缸球形頭的半球形容腔。壓緊蓋設(shè)置為對半均分的半圓結(jié)構(gòu)，卡裝在液壓缸球形頭的凹頸處，使用壓緊蓋螺栓將壓緊蓋與下壓板壓緊蓋螺孔固定連接，從而把液壓缸球形頭與下壓板鏈接。與下壓板采用球形鏈接方式，可穩(wěn)定可靠地壓緊氣缸體，防止對液壓缸產(chǎn)生非軸向的反作用力，提高液壓缸使用壽命。

此外，本裝置還可在導(dǎo)柱頂部設(shè)置吊環(huán)，便于通過吊車吊裝調(diào)整液壓缸裝夾組件在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)的梯形槽上的安裝位置。

圖1 柴油機(jī)氣缸體振動(dòng)時(shí)效裝置結(jié)構(gòu)

圖2 液壓缸裝夾組件

1.2 裝置使用方法

以振動(dòng)時(shí)效處理S50000 型號(hào)的氣缸體為例，本裝置在使用前，振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)使用橡膠墊四件支撐，橡膠墊支撐位置在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)的低頻彎曲共振節(jié)線上，激振器通過螺栓固定在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)的激振器固定螺孔上，測振器通過磁座安裝在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)底面邊角位置。在使用時(shí)，將液壓缸裝夾組件沿梯形槽長度方向設(shè)置數(shù)量為五套，將柴油機(jī)氣缸體輸送到振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)上，布置為兩排排列，每排設(shè)置四件，液壓缸裝夾組件設(shè)置五個(gè)，其中兩個(gè)液壓缸壓緊組件的下壓板位于兩排氣缸體的端頭部，另外三個(gè)下壓板位于兩排兩個(gè)氣缸體之間的連接間隙位置，啟動(dòng)液壓缸，通過下壓板向長形鋼板的寬度方向的兩邊將兩排氣缸體剛性固定在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)上，啟動(dòng)激振器，對氣缸體進(jìn)行30 min 的振動(dòng)時(shí)效處理，時(shí)效結(jié)束后，松開液壓缸缸頭，下壓板脫離氣缸體，就將氣缸體從振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)上運(yùn)走，再進(jìn)行另外一批氣缸體的振動(dòng)時(shí)效處理。

如果處理另外型號(hào)的氣缸體，則要根據(jù)氣缸體的外形尺寸，先調(diào)整液壓缸裝夾組件的上壓板高度位置、導(dǎo)柱法蘭在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)梯形槽上的安裝位置以及液壓缸的數(shù)量，調(diào)整合適之后，就可以按照上述方法進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。

1.3 裝置先進(jìn)性

本裝置采用實(shí)芯高強(qiáng)度粱型鋼板作為振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)，平臺(tái)具有極強(qiáng)的剛性，能夠有效地消除氣缸體的鑄造殘余應(yīng)力。

本裝置采用液壓缸裝夾組件，可以快速地將柴油機(jī)氣缸體裝夾固定在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，處理完成之后，又可以快速地松開下壓板，將氣缸體從振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)上轉(zhuǎn)運(yùn)出去，從而大幅度提高了振動(dòng)時(shí)效生產(chǎn)效率。

本裝置液壓缸裝夾組件設(shè)置在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)的中部，通過下壓板直接壓緊兩排氣缸體，采用該裝夾方法的壓緊點(diǎn)的數(shù)量少，卻能裝夾最多數(shù)量的氣缸體。氣缸體可以通過輸送帶從振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)的短邊輸入和輸出，因此可以實(shí)現(xiàn)大批量振動(dòng)時(shí)效生產(chǎn)目標(biāo)。

本裝置上壓板能夠在導(dǎo)柱上移動(dòng)固定，因此可以裝夾不同高度的氣缸體，導(dǎo)柱的法蘭可以在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)的梯形槽上移動(dòng)固定，而且可以設(shè)置多套液壓缸裝夾組件，因此可以裝夾不同長度的氣缸體，也就是說，本裝置可以處理品種繁多的柴油機(jī)氣缸體，從而滿足不同種類的柴油機(jī)氣缸體的大批量生產(chǎn)要求。

由于本裝置用液壓缸代替了人工裝夾，不僅大幅度減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能夠保證裝夾質(zhì)量，進(jìn)而保證振動(dòng)時(shí)效質(zhì)量效果。

本裝置的導(dǎo)柱、上壓板、下壓板等均設(shè)置為剛性強(qiáng)的尺寸結(jié)構(gòu)，能夠在液壓裝夾過程中不產(chǎn)生變形。液壓缸缸頭與下壓板采用球形鏈接方式，可穩(wěn)定可靠地壓緊氣缸體，防止對液壓缸產(chǎn)生非軸向的反作用力，提高液壓缸使用壽命。激振器和測振器設(shè)置在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)底面位置，可防止氣缸體在裝卸過程中對測振器和激振器的碰觸損壞。

由于本裝置是利用共振方法激起振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)的共振振動(dòng)達(dá)到時(shí)效目的，所使用的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的功率很小，設(shè)備的額定功率為2 kW，液壓設(shè)備的額定功率為3 kW，本裝置的總額定功率為5 kW，而現(xiàn)有的柴油機(jī)氣缸體連續(xù)式電阻時(shí)效爐的額定總功率約為1500 kW，本裝置約三套的產(chǎn)能可以達(dá)到時(shí)效爐的產(chǎn)能，即總功率為15 kW，因此使用本裝置取代熱時(shí)效爐，可以將熱時(shí)效的能耗及成本降低95%以上。

柴油機(jī)氣缸體采用熱時(shí)效，其鑄造生產(chǎn)工藝流程為：中頻爐熔煉→砂型澆注→600 ℃開箱→熱時(shí)效→震動(dòng)清砂處理→拋丸處理→噴粉處理→轉(zhuǎn)機(jī)加工。如果采用振動(dòng)時(shí)效取代熱時(shí)效，由于振動(dòng)時(shí)效是在室溫下進(jìn)行，不損壞工件表面光潔度，因此可以靈活設(shè)置振動(dòng)時(shí)效工序，如果設(shè)置在震動(dòng)清砂處理后，拋丸處理前進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，則在氣缸體整體應(yīng)力大幅度降低情況下，表層還獲得拋丸所產(chǎn)生的有益的壓應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力分布狀態(tài)對于柴油機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量是很有好處的。

2 試驗(yàn)結(jié)果

使用本裝置對S50000 型號(hào)的氣缸體（材料為HT250）振動(dòng)時(shí)效進(jìn)行了試驗(yàn)和檢測分析。氣缸體在低頻彎曲亞共振頻率處（約55 Hz）全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效處理30 min，振動(dòng)時(shí)效工藝曲線符合GB/T 25712-2010 國家標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖3 所示。使用YC-Ш 型應(yīng)力測量儀，按照企業(yè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（Q/YC 1252.3—2018），檢測了氣缸體測點(diǎn)1-2 振動(dòng)時(shí)效前后的殘余應(yīng)力，測點(diǎn)位置如圖4 所示。氣缸體經(jīng)過鑄造、清砂和拋丸后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，使用三維坐標(biāo)儀檢測了氣缸體主軸孔振動(dòng)時(shí)效前后的變形量，并計(jì)算出平均變形量。檢測結(jié)果表明（表1），氣缸體振動(dòng)前為壓應(yīng)力（拋丸后的應(yīng)力狀態(tài)），振動(dòng)后應(yīng)力顯著降低，有部分轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，殘余應(yīng)力平均消除率可達(dá)到80%以上，應(yīng)力分布均勻，并且小于30 MPa，振動(dòng)時(shí)效過程中主軸孔已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形，機(jī)械加工后其尺寸精度穩(wěn)定性可滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。由此可見，本裝置可獲得理想的消除殘余應(yīng)力的效果。振動(dòng)時(shí)效處理的氣缸體還進(jìn)行了小批量裝機(jī)試驗(yàn)，未出現(xiàn)應(yīng)力變形導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問題。

表1 氣缸體（S50000）振動(dòng)時(shí)效前后應(yīng)力及變形量檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

圖3 氣缸體振動(dòng)時(shí)效工藝曲線

圖4 氣缸體殘余應(yīng)力測量點(diǎn)布置

3 結(jié)語

為解決大批量、多品種生產(chǎn)的柴油機(jī)氣缸體難以應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效的技術(shù)難題，創(chuàng)新研發(fā)了一種柴油機(jī)氣缸體振動(dòng)時(shí)效裝置，該裝置能大批量、高效率和低成本地對不同種類的柴油機(jī)氣缸體進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，能取代柴油機(jī)氣缸體傳統(tǒng)的熱時(shí)效，能創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景好。

“柴油機(jī)氣缸體振動(dòng)時(shí)效裝置”實(shí)用新型專利（ZL202221821214.1）已獲授權(quán)。