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振動時效技術在水工鋼結構制造中的應用

文檔作者：殷高翔呂登鳳趙文斌文檔來源：中國水利水電第五工程局有限公司第一水工機械廠		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年08月31日
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第34卷第1期水電站機電技術
201 1年2月Mechanical＆Electrical Technique of Hydropower Station
V01．34 No．1
Feb．201l
振動時效技術在水工鋼結構制造中的應用
殷高翔，呂登鳳，趙文斌
(中國水利水電第五工程局有限公司第一水工機械廠，四川廣元628003)
摘要：針對振動時效的原理和水工鋼結構的特點，分析水工鋼結構制造中采用振動消除應力技術的優(yōu)越性，并提
出了水工金屬結構制造過程中使用振動消除應力系統(tǒng)有關支攆點、激振器、拾振器和激振力的設置建議。
關鍵詞：振動時效；水工鋼結構；平面閘門；殘余應力
中圖分類號：TGl56．92 文獻標識碼：B 文章編號：1672—5387(2011)01-0030-03
。前言2未；墨鬻黼應力特點和采用振
水工鋼結構由于制造單元外形尺寸較大，焊后
殘余應力采用振動時效處理比較合適，同時振動時
效具有環(huán)保、節(jié)能、高效和穩(wěn)定結構尺寸的時效工藝
處理特點，越來越體現(xiàn)了振動時效在水工鋼結構制
造中焊后時效處理的優(yōu)越性。
1振動時效的原理及系統(tǒng)組成
1．1振動時效的原理
振動時效中的振動就是對金屬構件施加周期性
的作用力。在振動過程中，施加到金屬構件各部分的
動應力與內部殘余應力疊加，當疊加幅值大于金屬
構件的屈服極限時，這些點晶格滑移，產生微小的塑
性變形，構件宏觀內應力隨之松弛，使殘余應力的峰
值下降，釋放和均化金屬內部的殘余應力，改變了構
件原有的應力場，最終使構件的殘余應力降低并重
新分布，使較低的應力達到平衡。從而也強化了基
體，提高了構件抗變形能力，使構件的尺寸精度趨于
穩(wěn)定。
1．2振動時效系統(tǒng)組成
水工鋼結構采用的振動時效系統(tǒng)由控制器、激
振器、拾振器和彈性支撐組成。各組件的作用如表1
所示。
表1振動時效系統(tǒng)各組件的作用表
名稱作用
控制器控制激振器產生所需振動能量、頻率的設備。
激振器剛性連接在工件上，產牛激振力，帶動工件產生振動
的設備．由電機與偏心輪組成。
拾振器獲取T件受振能量信息的設備。
彈性支捧將用于支撐工件并提高其振動自由度彈性體．一般用
橡膠材料制作。
2．1 水工鋼結構焊接殘余應力特點
水電站常用的水工鋼結構主要是平面閘門、弧
形閘門、人字閘門、攔污柵和壓力管道鋼岔管等。其
中閘門采用的材料鋼號常為Q235和Q345，其屈服
強度盯8分別為235 MPa和345 MPa。閘門板厚通
常為10 mnl至60 mln，厚板比例較大，較大部份焊
縫按《DⅥ5018—2004}要求的一、二類焊縫進行制
作，需開坡口焊接，焊縫填充量較大。國內進行的一
些鋼結構焊接殘余應力測量表明，底層先焊焊縫
的殘余應力水乎比較低，后焊接的上層焊縫的應
力水平則很高，個別拉伸殘余應力值接近母材
盯s，存在較大的不均勻性，平均值接近或超過
仃s／20
如圖1埋弧自動對接焊層的一種形式。其焊接
后接殘余應力各層大小為：盯4>盯3>仃2>仃l。
圖1埋弧自動對接焊層的一種形式
焊接構件由于存在高的拉伸殘余應力，且焊縫
部位存在熱影響區(qū)、焊趾缺陷、接頭應力集中，形成
收稿日期：2010-12—06
作者簡介：殷高翔(1973一)。男。工程師，從事金屬結構制造技術與管
理工作。
萬方數(shù)據(jù)
第l期殷高翔，等：振動時效技術在水工鋼結構制造中的應用31
構件上組織和力學的薄弱部位，有可能導致構件運
行時的變形、早期開裂、應力腐蝕、疲勞斷裂和脆性
斷裂。因此，在可能的情況下采用適合的時效工藝以
改善組織性能及消除殘余應力，將可有效地提高構
件的穩(wěn)定性和安全性及使用壽命。
2．2水工鋼結構焊接殘余應力采用振動時效的優(yōu)
越性
國內外的研究和實驗都表明，采用振動時效降
低鋼結構焊接殘余應力有如下特點：振動處理技術
可用于穩(wěn)定構件的變形，提高抗變形能力，提高構件
的尺寸精度。振動處理技術可以有效地降低和均化
構件的殘余應力，提高使用強度和疲勞壽命。振動處
理技術還可以防止構件在使用中出現(xiàn)斷裂裂紋。就
工件大小重量而言，振動時效處理可以用于長度與
直徑比較大的大型焊接鋼構件，工件的重量從幾公
斤的小型構件至上千噸的大型結構件。
水工鋼結構制造過程焊接殘余應力常規(guī)采用自
然時效、熱時效或焊接局部風鏟沖擊時效處理，這些
時效處理有效率低、耗能大或不適用于大型水工鋼
結構件整體時效處理的缺點。采用振動時效有處理工
藝經濟、簡便、高效、環(huán)保、改善構件焊接處物理性能、
不受構件尺寸大小限制和穩(wěn)定構件尺寸精度的優(yōu)點。
3振動時效在水工鋼結構制造中的使用
3．1振動時效在水工鋼結構制造中的主要使用范圍
目前水工鋼結構采用振動時效的場合主要應用
于裝配精度要求高的閘門、深水頭厚鋼板閘門和其
它設計要求整體時效處理的水工鋼結構件。對于焊
縫返工比例較大的水工鋼結構，其返工焊接殘余應
力比首次焊接殘余應力增大，而且返工后就鋼結構
整體而言，焊接殘余應力的分布更不均勻，建議采用
振動時效進行整體時效處理，以降低整體焊接殘余
應力，降低峰值應力，使應力分布均化。
3．2設備選型
針對水工鋼結構制造單元的尺寸和重量都較大
的特點，振動時效采用多頻施振的方式，確保工件在
亞共振和高低頻諧振后殘余應力降低到最佳效果，
可采用VA2010型振動消除應力系統(tǒng)，設備參數(shù)如
表2所示。
表2 VA2010型振動消除應力系統(tǒng)參數(shù)表
額定穩(wěn)速額定額定轉鰻大激輸出最大處理
電壓精度電流速，r，min 振力功率重量，I(g
／V Irlmin IA IkN IW
220 +l 7．4 10000 20 l 200 50 o【Jo
設備具有諧波和亞共振兩種處理模式及自動處
理程序，能處理較高剛性和較高固有頻率的工件。處
理完畢自動停機、打印和保存處理結果。
3．3振動消除應力系統(tǒng)各裝置的設置
3．3．1支撐點設置
支撐設置的原則是：彈性支撐，盡量使振動阻力
?。恢c盡量少且靠近工件節(jié)線附近；工件支撐平穩(wěn)
安全。
如水電站平面閘門門葉制造單元因外形尺寸較
大，長與寬比和長與高比都較大，重量較重，單節(jié)門
葉常規(guī)重為10 t至50 t，重的單節(jié)門葉達到90多t，
采取面板朝下，用4點支撐，支撐用的橡皮墊要在波
節(jié)處(或節(jié)線附近)支承。因為波節(jié)處振副小?？蓽p少
振動能量的損失，有利于提高工件支承的穩(wěn)定性。一
般葉門的支撐點設置于沿面板十字中心線呈大概對
稱分布，在門葉寬方面間距約為寬度的2／3和門葉
長度方面間距約為長度的2／3臨近的波節(jié)處。在實
際應用時，可根據(jù)實際振動觀察情況進行支承的調
整，或試振前在結構件表面均勻撒沙，在試振時觀察
沙粒變化情況尋找上述區(qū)域內的波節(jié)位置，再調整
支承位置，50 t左右的鋼結構支撐采用直徑約為
書250 mm，厚度為約120 mm的橡膠墊。
3．3．2激振點設置
支撐設置的原則是：固定在工件剛性較大且振
幅較大處。
水電站平面閘門單節(jié)門葉時效處理時前激振器
一般用U型卡固定在門葉主梁后翼緣板上的中間
位置附近(如圖2所示)。實際使用表明此處剛性較
大，振動阻力較小，易獲得振幅較大的振動效果。
圖2激振器與拾振器固定形式
3．3．3拾振器設置
拾振器設置原則是：固定在離激振器較遠且振
幅較大處。
實際應用中對于平面閘門門葉，拾振器可設置
在門葉邊梁后翼緣板靠近一端部位置(如圖2所
示)，此位置距激振器較遠且容易找到較大振幅位
萬方數(shù)據(jù)
32 水電站機電技術第34卷
置，也就是將拾振器盡量設置于上述位置的振動波
峰處，波峰也可以通過結構件表面撒沙試振尋找。
3．3．4激振力設置
激振力設置原則是：使工件在激振器的最大轉
速區(qū)內能產生共振。
鋼結構結構焊接后，生產了殘余應力，殘余應力
導致構件剛度增加，振動時效處理過程中，構件的隨
殘余應力的降低，其剛性也降低，岡0性降低使構件的
固有頻率降低，也就是振后構件的諧振頻率降低，但
都會小于振前門葉的共振頻率。所以在振前要調試
好激振器的激振力，能使激振器在最大轉速區(qū)內能
與門葉共振。激振力的改變是通過改變激振器的偏
心距來實現(xiàn)。實際操作中可以先經驗選定偏心距，再
逐級調節(jié)，以避免振前掃描時出現(xiàn)過載現(xiàn)象。例如用
VA2010型振動時效設備處理約30 t重的常規(guī)鋼結
構平面閘門門葉，支撐點按上述位置設置時，可以調
到50刻度后開啟設備自動掃描確定共振頻率，確定
共振頻率后設備自動調頻至亞共振和諧振進行振動
時效處理，其激振時間由設備自動按處理情況確定。
3．3．5應用情況
云南馬鹿塘二期水電站進水口事故閘門制造過
程中使用振動時效處理得到如圖3振動時效曲線記
錄圖，此為一次諧振處理后的結果。從振動前后頻率
曲線可看出，振后曲線比振前曲線左移，即曲線振后
共振頻率比振前變小。從a_t曲線可看出，曲線上升
后下降變平。按照JB／T5926---2005(振動時效效果
及評定方法》評定標準，分別符合5．1．2(d)與(b)的描
述情況，出現(xiàn)情況之一時，即可判斷工件已達到了時
效處理效果。
圖3振動時效曲線記錄圖
4結論
通過在對一些水電站水工鋼結構制造過程中使
用振動時效技術處理焊接殘余應力的效果來看，振
動時效處理能滿足水工鋼結構制造中焊后時效處理
要求，且時效處理后經檢測構件的幾何尺寸沒有發(fā)
現(xiàn)變化，說明振動時效在降低鋼結構件焊后應力峰
值，均化焊接應力和穩(wěn)定尺寸精度等方面有明顯效
果。同時使用振動時效技術替代熱時效具有環(huán)保、節(jié)
能、高效和經濟的優(yōu)點。
參考文獻：
【1J1 JB／T5926--2005．振動時效效果及評定方法【S1．
【2】顧寧康．金屬構件殘余應力振動消除的理論分析及其在機
械行業(yè)的應用前景IJl．安徽冶金科技職業(yè)學院學報，2005，
(2)．
(上接第18頁)
有效值、平均值和峰峰值等數(shù)據(jù)；其他如氣隙、局放
的特征數(shù)據(jù)，以及監(jiān)控系統(tǒng)過來的緩變量數(shù)據(jù)，在實
時數(shù)據(jù)庫中進行長期的保存，可設定為3至5年的
數(shù)據(jù)容量。
實時數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)是監(jiān)測系統(tǒng)用戶界面
中展示數(shù)據(jù)的主要來源，也是趨勢分析最主要的數(shù)
據(jù)來源，
SQL Server關系數(shù)據(jù)庫的主要作用是保存機組
配置信息、系統(tǒng)配置信息、電廠報表資料等，同時還
保存有機組穩(wěn)定性參數(shù)波形片段，其主要作為實時
數(shù)據(jù)庫的一個子模塊在服務器上運行。
4總結
通過將數(shù)據(jù)的有效劃分，能有效解決水電機組
狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型多樣性向題，同時，將實時數(shù)據(jù)
庫的高數(shù)據(jù)壓縮比、極速數(shù)據(jù)存取優(yōu)勢引入到水電
行業(yè)，使實時數(shù)據(jù)庫在水電狀態(tài)監(jiān)測領域的應用成
為可能。
另外，本文主要針對單臺機組監(jiān)測數(shù)據(jù)的存取
問題進行分析，而實時數(shù)據(jù)庫在分布式構架上的優(yōu)
勢，可以在大型流域級、多機組集成監(jiān)測中心和分析
系統(tǒng)中起到更好的作用，還有待進一步研究和應用。
參考文獻：
【111董鴻魁．關于水輪發(fā)電機組的在線監(jiān)測及狀態(tài)診斷[J]．云
南電力技術。2001，(1)．
【2】潘羅平，周葉，等．水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測技術的現(xiàn)狀及展
望[I]．水電站機電技術，2008，(6)．
【3】徐貞禧，徐智京．國內外電廠在生產技術管理上的差距及
推行狀態(tài)檢修的意見[J]．華北電力技術．2002，(4)．

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