频谱谐波时效在风电球磨铸铁件的应用研究

频谱谐波振动时效在大型焊接构件中的应用发布时间：2021-05-17T10:17:25.810Z 来源：《基层建设》2020年第30期作者：郭玉宇荀少宝陈启新王海墨祥[导读] 摘要：频谱谐波振动时效是在振动时效原理的基础上，应用先进的电子信息技术，通过傅里叶方法进行频谱分析，寻找低次谐波，自动选用合适的能量在多个谐波频率振动，引起高次谐波累积振动，产生多方向动应力，与多维分布的残余应力叠加，造成塑性屈服，从而降低峰值残余应力，同时使残余应力分布均化。

中车齐齐哈尔车辆有限公司黑龙江齐齐哈尔 161002摘要：频谱谐波振动时效是在振动时效原理的基础上，应用先进的电子信息技术，通过傅里叶方法进行频谱分析，寻找低次谐波，自动选用合适的能量在多个谐波频率振动，引起高次谐波累积振动，产生多方向动应力，与多维分布的残余应力叠加，造成塑性屈服，从而降低峰值残余应力，同时使残余应力分布均化。

关键词：频谱谐波振动；大型焊接；应用本文应用频谱谐波振动设备，对合圆状态外机壳进行频谱谐波振动时效处理试验，以期达到以下目标：工件焊缝残余应力不大于150 MPa，应力消除率不小于30%，应力均化率不小于50%，拆除工装后尺寸变化率小于3‰。

同时通过该试验有效地推动频谱谐波振动时效技术在大型焊接构件中的应用。

1 频谱谐波振动时效试验准备工作（1）频谱谐波振动时效设备频谱谐波振动时效适应性强，能够处理亚共振无法处理的高刚性、高固有频率工件，能够满足尺寸精度要求高的工件。

同时，谐波频谱振动设备操作方便，工作周期短，振动过程噪声低，成本低，不产生烟尘，不产生二次内应力。

频谱谐波振动时效设备由控制器、激振器、传感器三部分组成。

在本文试验中，频谱谐波振动时效设备选用HK2010振动消应力设备，其采用K4型激振器，最大激振力为35 k N，调速范围1 000～8 000 r/min，可处理工件最大质量约100 t。

（2）盲孔法测应力设备依据GB/T 31310-2014《金属材料残余应力测定———钻孔应变法》，采用HK21A应力检测仪，对工件表面进行应力检测，测得每个点初始残余应力的2个主应力σ1、σ2；（3）应力检测点位置选择根据外机壳壳体结构，主要焊缝类型有对接焊缝和角接焊缝2种，针对每种焊缝，在壳体的不同部位分别选择10个应力检测点。

风电铸件用高强高韧球墨铸铁材料的研发与应用孙晓光发布时间：2023-07-03T08:44:45.059Z 来源：《中国经济评论》2023年8期作者：孙晓光[导读] 近年来，我国社会不断进步，双碳”政策与平价上网使得风电行业竞争加剧，产品技术飞速迭代，海上大中型（7MW及以上）半直驱、双馈风机成为了风电行业发展主流。

风力发电机中的典型球墨铸铁件有轮毂、机舱弯头、铸铁主轴等，单件铸件质量高达10~50t，且铸铁部件尺寸重量逐渐增加。

厚大断面球铁铸件生产加工时易产生多种缺陷，对成品的综合性能影响较大，故对原材料的品质和冶炼、铸造工艺要求较高。

身份证：23108519850824XXXX 山东安博机械科技股份有限公司摘要：近年来，我国社会不断进步，双碳”政策与平价上网使得风电行业竞争加剧，产品技术飞速迭代，海上大中型（7MW及以上）半直驱、双馈风机成为了风电行业发展主流。

风力发电机中的典型球墨铸铁件有轮毂、机舱弯头、铸铁主轴等，单件铸件质量高达10~50t，且铸铁部件尺寸重量逐渐增加。

厚大断面球铁铸件生产加工时易产生多种缺陷，对成品的综合性能影响较大，故对原材料的品质和冶炼、铸造工艺要求较高。

关键词：风电铸件；高强高韧；球墨铸铁材料；研发应用引言球墨铸铁具有耐磨、减震、对缺口不敏感及铸造性能优异的特点,且生产成本较低,生产周期较短,是风电铸件的理想材料。

当前,风电铸件的尺寸,随着风电机组不断大型化和重型化而增加,某些部位的断面厚度已超过200mm。

厚大断面铸件的凝固冷却速度缓慢,易造成球状石墨形状差、数量少,甚至产生碎块状石墨问题；基体组织也会形成严重的成分偏析,导致产生大量通过长时间热处理也难以消除的碳化物。

并且,铸件晶粒粗大,较易产生黑斑及缩松等缺陷。

1原材料选择结合厚大断面铸铁的工业生产案例及实践经验，球墨铸铁主材一般由生铁（50%~90%）、废钢（5%~30%）、回炉料（10%~30%）和硅铁（0.4%~0.6%）、石墨增碳剂组成，加上后期孕育、球化处理涉及到的孕育剂、球化剂。

图1激振器装夹示意图
时效处理过程如下：①采用三个或四个橡胶垫将磨床床身平稳的支撑起来。

②用弓形夹将激振器与工件刚性联紧固力为130~150公斤力），并调整初始偏心。

备中的各个连接线连接好，将频谱谐波模式应用到其中，设备就会自动进行频率的选择，从中选择出最佳的几种谐波时效处理方式，保证其振动加速度始终在30m/s
之间，在实际操作的过程中，可以对振动参数进行调节。

处理完毕将工件作好标记，记录各参数，并打印时效曲线（如图2）。

工件粗加工后的装夹和处理方式与以上步骤相同。

的变化量以及工件在静、动载荷作用后的尺寸精度变化与热时效或精度允差相比较，以鉴定振动时效工艺的可行性。

2.3工艺推广在工艺推广阶段，将频谱谐波振动时
图2床身谐波频率时效曲线
图3加速度-时间参数曲线测试法
时效工艺类别
亚共振时效
亚共振时效
频率范围工件频率不得超出激振器转速范围，否则无法找到共振频率。

对工件频率超出激振器转速范围的都能找到谐波频率。

处理范围小于23%的工件。

大于90%的工件。

振型
在激振器转速范围内很少，超出范围没有。

至少5种。

噪音在共振频率下振动，大部分能量被用于工件宏观振动，
振动强烈，噪音很大。

在谐振频率下振动，大部分能量被吸收，
用于克服工件内部阻力，表1。

科技成果——基于频谱分析法的振动时效系统成果简介经过热加工（如铸造、锻压、焊接）和压力加工的金属零件表面和内部会存在残余应力和变形。

残余应力的存在对构件是有害的，如降低工件强度和疲劳极限、造成脆性断裂、加快构件在腐蚀大气中的腐蚀速度等；分布不均的残余应力会对构件尺寸精度和稳定性产生极为不利的影响。

因此消除残余应力是机械制造工业技术中的一项重要课题。

当前消除构件残余应力的方法主要有自然时效、热时效、振动时效。

振动时效较自然时效和热时效具有投资少、效率高、污染少等优点，已得到越来越广泛的应用。

但是，现有大部分的振动时效系统具有扫频速率较慢、易漏频等缺点，而且振动时效机理尚未被解释清楚。

因此，开发了基于频谱分析法的振动时效系统，并在此系统的基础上，研究振动时效机理。

频谱分析法是将时域信号变换至频域加以分析的方法，其目的是把复杂的时间历程波形，经过傅里叶变换以获得信号的频率结构。

将此方法应用到振动时效中获取工件固有频率，可克服传统振动时效中的缺点。

此外，构建振动时效控制系统的构建采用VB和MATLAB混编，并结合数据采集卡、变频器和激振电机等硬件，具有开发灵活性好、自动化程度高等优点，并且缩短了产品开发周期。

经过该系统处理的试件残余应力平均下降46.62%，达到了振动时效消除残余应力标准。

技术特点基于振动学理论推导了频谱分析法判定系统固有频率的依据，证明频谱分析方法的可行性，并将此方法应用到控制系统中，提高扫频速率，减少漏频。

使用VB与MATLAB混编技术编写系统软件控制程序，通过软件控制程序调用USB数据采集卡的DLL文件，实现电压信号的输入与输出，由此采集振动信号并控制激振电机的工作等。

开发方法灵活、自动化程度高。

通过建立力学模型、分析金属位错运动等方面研究产生和改变工件残余应力的条件。

从宏观和微观机理分析振动时效机理，为振动时效参数优化提供理论基础。

主要技术指标适用工件：中型或大型铸造件、焊接件等；降低残余应力：40%左右；扫频范围：0-100Hz；扫频速率：30S；激振力范围：0-8KN，可根据实际工况设置；激振时间：20-40min，可根据实际工况设置；加速度采样速率：150kS/s。

大型风电球墨铸铁件的超声波检测技术
彭建中;刘玲霞
【期刊名称】《无损检测》
【年(卷),期】2010(032)007
【摘要】针对厚大截面球墨铸铁件的特点,采用双晶探头、单晶探头纵波和仪器自有功能绘制DGS曲线的方法,可有效地检测出大型风电机组用厚大截面球墨铸铁轮毂中的常见缺陷.通过球墨铸铁轮毂的超声波检测实践,制定出了一套球墨铸铁件内部缺陷定量和定性的判断方法,检测准确率较高.
【总页数】5页(P539-542,546)
【作者】彭建中;刘玲霞
【作者单位】中国兵器科学研究院,宁波分院,宁波,315103;中国兵器科学研究院,宁波分院,宁波,315103
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.28
【相关文献】
1.超声波检测技术在大型球墨铸铁件上的应用 [J], 王英锋
2.大型风电球墨铸铁件超声波检测技术研究 [J], 李小青;刘强虎;朱明;蒋赫
3.大型风电球墨铸铁件的生产实践 [J], 朱长春
4.大型风电球墨铸铁件的熔炼技术 [J], 唐桂清;石斌
5.大型球墨铸铁件风电调速器行星架的铸造 [J], 陈永龙
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科技成果——频谱谐波时效技术适用范围机械行业，机械制造过程中金属工件在铸造、锻压、焊接和切削加工和使用中的残余应力的降低和均化。

成果简介1、技术原理通过傅立叶分析，不需扫描，在100Hz内寻找低次谐波，施加合适的能量在多个谐波频率振动，引起高次谐波累积振动产生多方向动应力，与多维分布的残余应力叠加，造成塑性变形，从而降低峰值残余应力，同时使残余应力分布均化。

2、关键技术将电子测量技术、计算机技术、自动控制技术等结合在一起，机电一体化。

特点是各功能模块采用目前先进成熟的技术，最后组合成最先进、可靠的设备。

其中，加速度的测量与数据采集、FFT频谱分析，直流电机的PWM控制和电机转速的稳频等为关键技术。

（1）控制器驱动激振器进行振动，通过加速度传感器，在1000-5000rpm的转速范围内采集进行傅立叶分析的数据，获取工件的固有频率及其谐振频率分布。

（2）对获取的频率自动进行分类、排序和选取时判据原则是：A、多振型原则；B、最大能量吸收原则；C、频谱分析。

只选取范围在16.7-200Hz以内的频率，处理的激振频率选取范围在16.7-167.7Hz以内。

（3）自动选取要处理的频率个数为3个或3个以上，自动选取要处理的频率个数最佳为5个。

（4）以最佳疲劳载荷加载原则为判据来确定（2）中所选取频率需要处理的时间。

（5）顺序处理（2）中选取的频率时，若由共振频率，则自动跳开共振频率去处理下一个频率。

（6）本专家系统软件作为工艺设备核心，要求具备高可靠性、操作便捷性，因此分别选择在成熟稳定的MSDOS平台和Windows XP，下采用Turbo C2.0语言编写，以达到内存节约、系统稳定的需求。

3、工艺流程在毛坯状态下、粗加工之后、半精加之后用频谱谐波时效的方式取代原来的热时效，以消除材料和加工之后产生的残余应力，提高尺寸精度稳定性，防止变形开裂。

主要技术指标1、功能指标（1）最大激振力可达80kN；（2）对工件进行傅里叶频谱分析，找出5个谐振频率，2个备用谐振频率；（3）循环选择频率，同时具备加速度延时保护功能和亚共振频率自动过峰功能；（4）振动参数除激振力调节保证有两个最大振动加速度30-70m/s2值在外，其余参数选择由振动设备自动完成；（5）振动频率为6000rpm以下，噪音低；（6）设备的软件操作系统：Windows XP。

风力发电大型球墨铸铁件无损检测综述摘要：文章主要针对风力发电设备中用到的大型球墨铸铁无损检测进行分析，结合实际中大型球墨铸铁件常用的无损检测方法，分析各种检测方法的适用性，对一些检测方法进行研究，分析未来大型球墨铸铁件会用的无损检测方法。

通过研究和分析风力发电大型球墨铸铁件无损检测方法和特点，更好的推动风力发电大型球墨铸铁件无损检测方法的发展与进步。

关键词：风力发电；球墨铸铁；无损检测1.风力发电大型球墨铸铁件无损检测特点1.1结构复杂由于风力发电零部件结构复杂，整个铸造过程难度大，需要时间长。

最终的成品结构都比较复杂，壁厚大小不一，最终成品壁厚变化较大，对检测会造成一定难度。

比如风力发电轮毂、底座和轴等产品，轮毂在主轴法兰面壁厚较大一般150~300mm，而靠近桨叶孔圆面的铸件壁厚一般50mm左右，从主轴法兰面往桨叶孔圆面渐变的区域壁厚变化较大且一般为圆弧面，这样的结构检测起来比较困难。

还有类似底座产品，在内腔各个面交界处，由于设计一般追求轻量化，造成空间狭小，结构复杂，检测起来较为困难。

1.2产品外观状态差铸造产品相对于锻件和焊缝来说，外观较为粗糙。

铸造产品在开箱后表面会有一层氧化皮，处理起来较为困难，且表面经常出现粘砂，在上行面出现浮渣的情况比较多。

在进行外观检测和磁粉检测的过程中由于外观较差，对比性不好，相对来说缺陷的检出率会低。

虽然产品有经过打磨和抛丸处理，但是由于大型球墨铸铁件结构比较复杂，最终球墨铸铁件成品的外观状况相对要差一些。

1.3材料透声性差大型球墨铸铁件的超声检测可探性较差，由于大型球墨铸铁件整个铸造过程凝固形成时间长，各个不同部位凝固时间不一。

最终成品晶粒粗大，且不同部位晶粒大小会有差别。

所以对的超声波检测造成一定难度。

1.4微小损伤的检测风力发电设备需长周期运行，其构件的疲劳特性属于高周疲劳甚至超高周疲劳，运行自然环境恶劣，零件安装在几十米甚至百米的高空，在-20~-40℃低温环境下必须保证20年不更换，可靠性要求极高。

大型风电球墨铸铁件超声波检测技术研究摘要：本文针对大型风电球墨铸铁件超声波检测技术进行研究，明确球墨铸铁件缺陷问题的原因，对相关探伤方法的选择进行分析，了解探伤当中较为突出的问题，同时，对不同缺陷性质及A型脉冲反射技术的异同点进行叙述，确定波形特点及缺陷性质，结合欧洲标准EN 12680-3：2012，、逐层解剖检测及射线检测结果来评定大型球墨铸铁件缺陷超声波检测准确性。

关键词：大型；风电；球墨铸铁件；超声波检测技术当前阶段，我国在球墨铸铁件方面的超声波无损探伤仅有行业标准，而且这些标准大多是以小铸件为对象的，而国外EN-12680-3标准，能够对大小铸件的验收标准进行明确的区分。

但不管是国内标准还是国外标准，在超声波波形图和缺陷之间并没有建立对应关系，因此，还需要相关检测人员通过反复的实践对其中的规律进行探索。

一、气孔对于球墨铸铁件而言，气孔是一项较为常见的缺陷问题，这种问题主要是因为熔炼炉料存在锈蚀、潮湿问题，没有对冷铁当当中的冷凝水进行彻底的烘干，铁液表面存在氧化问题，铸型排气不良，加上生产过程中空气湿度较大，进而引发气孔缺陷问题。

气孔缺陷主要有两种形式，一种为单气孔，另一种为气孔群。

在使用超声波对其中缺陷进行检测的过程中，如果气孔表面光滑程度较高，其产生的声阻抗和铸件自身的声阻抗会存在较大的差异，在缺陷表面的声波基本处在全反射状态，界面具有较高的能量反射，且缺陷部分的检测波形呈尖锐陡直状态。

单个气孔会呈现较高和较为尖锐的反射波，在移动探头时，这种波形会快速消失，而且在不同方向进行探测时，其缺陷回波的变化并不明显，缺陷投影为线性延伸状。

气孔群在反射波方面会在一次底波之前出现一个较高的缺陷波，而且在其前后还会出现多个小缺陷波，在这种情况下，可能会有底波存在，也可能会出现底波降低的情况，面对这种情况，必须要明确缺陷波的最前波，以此来确定气孔最大深度。

二、冷隔通常冷隔缺陷问题主要是在铸件浇筑期间，由于多股铁液未能完全熔合，或者是浇筑操作中断，从而在铸件某一高度产生融合不彻底的缝隙，这种缝隙主要表现为不穿透性和穿透性两种，一般会在距离浇道较远的铸件薄壁、外冷铁激冷部分以及宽大表面处产生。

频谱谐波时效技术在机床行业应用研讨会圆满召开
佚名
【期刊名称】《数控机床市场》
【年(卷),期】2011(000)005
【摘要】由北京翔博科技有限责任公司主办，中国机械工程学会消除应力技术专业委员会指导的频谱谐波时效技术在机床行业应用研讨会于2011年4月12日在北京中国国际展览中心圆满召开。

【总页数】2页(P15-16)
【正文语种】中文
【中图分类】TG502.31
【相关文献】
1.频谱谐波时效技术在成套机床部件上的应用
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