液压振动消应力装置的仿真研究

(1.天津职业技术师范大学(天津)机械工程学院 天津 300220; 2.大连华锐重工冶金设备制造有限公司 辽宁 大连 116000)

引言

金属工件在焊接、铸造等工艺中，会在其内部产生大量的残余应力。残余应力会增强工件的应力腐蚀作用并且降低工件的使用寿命和疲劳[1-2]。本文设计了一套以液压振动技术为基础的液压振动消应力装置，主要适用于小型工件的振动处理，并且可以同时处理多个同型号的小型工件。

一、液压振动消应力装置的优点

(1)液压激振的动力是交变液流，不用添加额外的质量模块，既可以达到高频率的振动也可以实现平稳振动[3]。

(2)激振装置结构简单，没有复杂的机械零件，不会出现由于偏心力等导致的振动构件损坏的问题。

(3)振动设备的启停控制方便，可以瞬间的启动和停止，不存在起振和停振的问题。

(4)振动参数调整方便，可以容易的调整各种激振力和频率。

二、液压振动消应力装置的原理

液压振动消应力装置主要包括液压动力提供单元、检测反馈单元、液压波动生成单元。该装置是直接通过液压缸驱动工件进行应力消除处理的。

该装置的工作原理是将激振液压缸的缸体固定在地基上，振动台面与液压缸活塞杆相连，然后将工件安放到振动台面上，推动振动台面，使工件发生振动时效的。而该装置的反馈控制主要是在线检测工件的振动参数及状态，通过调整液压泵压力流量和伺服电机转速与实现对整个系统振动的调节。

三、系统的AMESim仿真

采用AMESim软件液压振动装置进行研究，分析在振动时效处理工件时，激波装置频率和各个液压参数变化对系统的影响。

(一)建立系统AMESim仿真模型

在AMESim界面下，建立系统如图1所示。

图1 系统的AMESim模拟图

在AMESim模拟图中，各元件和系统的物理模型是相互对应的，其对应关系如表1所示。

表1 元件和系统物理模型的对应关系

(二)系统的AMESim仿真

影响系统激振力和频率的变参量主要包括：(1)激波装置产生的压力波频率；(2)液压泵的输出的压强；(3)弹性支撑参数。

1.压力波频率对激振振幅和激振力的影响

首先给出系统的变参量：活塞直径dc=0.12m，杆径dg=0.054m；设工件质量和振动台面之和为32kg；阻尼系数为100N/m/s；弹性支撑的系数为400KN/m；液压泵输出的压力值为22MPa。这时我们让STN0的频率取一组值：10Hz、30Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz，便可以得到在不同的激振频率下系统的激振振幅和激振力，可以得到如下结论：

(1)激振振幅随着激振频率的增大而减小。通过振动时效可以知道，大振幅会加快时效处理速度，小振幅会让时效处理更加均匀。(2)激振频率低时，激振力振动比较剧烈，振动形态随着频率的增加趋于缓和，所以系统的高频特性较好，可以应用到高频时效处理当中。

2.液压泵的输出压强对激振振幅与激振力的影响

现设定激波装置的频率为50Hz，其他参数不变，液压泵的输出压力分别取16MPa、20MPa、24MPa、28MPa。便可以得到在不同的液压泵输出压力值下，系统振幅和激振力的影响，可以得到如下结论：

(1)液压泵输出压力的增大会使整个系统的能量增大，随着压力的提升，系统振幅会有少量的增大，振幅中心会发生少量的上移。(2)随着压力的升高，系统激振力最大值也会提高，所以针对较重工件，在进行时效处理时，可以通过提高液压泵压力来增加激振力。(3)通过增大系统的压力去改变参数范围是有限的，所以这不是很好的途径。(4)在进行一般工件的时效处理时，可以使用较小的压力值以避免产生浪费能量的现象。

3.弹性支撑参数对激振振幅与激振力的影响

设定激波装置的频率为50Hz，系统其他参数不变，分别取弹性系数为100KN/m、300KN/m、500KN/m、1000KN/m，研究若改变弹性支撑的刚度，则对系统激振振幅与激振力的影响，可得如下结论：

(1)系统振幅受弹性系数增大的影响较小，幅值也没有产生太大的变化，激振中心发生下滑，接近于系统零点。(2)系统的激振力随着弹性系数的增大而变大，其峰值与幅值的差值也增大，当弹性系数为100KN/m时，激振力会趋于恒力作用。(3)当弹性系统较小时，不利于振动时效处理现象的产生，所以应该采用弹性系数较大的弹性支撑件。

四、结论

液压振动消应力系统是振动液压缸从振动台面底部直接驱动来使工件产生振动，到达消应力目的。适合于小型工件，并且可以同时处理多个同型号的小型工件。在明白其原理基础上，使用AMESim对其进行液压系统建模，通过AMESim强大的分析和处理能力研究了各参变量对系统激振振幅与激振力的影响作用。参变量主要包括压力波频率，液压泵输出压力，弹性支撑系数与工件质量等。因为这些参变量或多或少的都会影响到时效处理所需的激振振幅与激振力，所以在实际的应用中应该综合考虑各方面，来选取各个参变量的数值大小，一边达到最好的效果。

[1]张国柱．应力消除技术研究现状与发展[J]．科技资讯,2011(05):20-21．

[2]马振宇．激振时效技术机理研究和装置的研究开发[D].杭州:浙江大学,2003:11-12．

[3]邢玉龙．振动时效设备及相关技术研究[D]．沈阳:东北大学,2008:24-25．

天津市教委项目：项目名称：二次调节加载系统的控制策略与解耦方法研究，项目编号2017KJ100