1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 振动时效用激振器的结构设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 本文是对振动时效用激振器的结构设计。激振器由电机和偏心箱组成，其功能是将电能转换成振动能量，激发金属结构件的共振频率。激振力 是通过动静偏心块的调节 ,振动时效用激振器利用直流无刷电动机作为驱动部件。电动机与偏心块采用一体式结构，。本设计产品具有可靠性高、重量轻、体积小、寿命长工作转速高、能够更好地适用于各种类型的被振工件等多方面的优点。本文主要工作是设计同一轴上双激振器的结构， 通过计算测量振动时效技术中的工艺参数：
2、激振频率、激振时间、激振力、激振点等，分析研究各工艺参数的选择策略；建立产生激振力的实体模型。 关键词： 双激振器，振动时效，偏心轮 II The structure design of vibrator in VSR Abstract This paper is a VSR (vibratory stress relief) with the structural design of the exciter. Shaker boxes by the motor and the eccentric, whose function is to convert electrical energy
3、into vibration energy, stimulate the resonant frequency of the metal structure. Excitation force is through the action of an eccentric block with adjusting, vibration aging vibrator brushless dc motor using as driving components. Motor and eccentric block made by one-piece structure. The design of p
4、roducts with high reliability, light weight, small size, long life and high working speed, can better be applied to all types of work piece vibration, and many other advantages. This paper is to design the structure of the same axis two-exciter, measured by calculating the vibration aging technology
5、 process parameters: excitation frequency, excitation time, excitation power, excitation points, and so, analysis of the choice of the process parameters strategy; Establish produce excitation force entity model. Keywords: Double Vibrator， VSR(vibratory stress relief)， Eccentric wheel III 目录 摘 要 . I
6、 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 振动时效技术国内外发展现状 . 2 1.3.1 国内的研究现状 . 2 1.3.2 国外的研究现状 . 3 1.4 课题研究的主要内容 . 4 2 设计方案与总体设计 . 5 2.1 振动时效激振器结构的方案设计 . 5 2.2 方案评价 . 9 3 设 计方案具体设计 . 10 3.1 方案的介绍 . 10 3.2 零件图 . 10 3.3 激振器总体图及装配图 . 13 3.4 激振力计算及工作原理 . 14 4 结论与 展望 . 16 4.1 结论 . 16 4.2 展望 . 16 参考文献 . 17 致
7、谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 19 附录图 1 全局图 . 19 附录 2 动偏心轮结构示意图 . 19 附录 3 配件零件图 . 20 振动时效用激振器的结构设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 机械工艺中如铸造、锻造、切削、焊接、热处理、表面处理等都会在工件内产生不同程度的残余应力 . 残余应力的存在使工件处于不稳定状态 ,是工件开裂或变形的主要原因 .降低或者消除残余应力的过程称为时效处理 .热时效能耗大、成本高、劳动强度大 ,大型工件处理困难 ,工件表面氧化发黑 ,还会造成工件软化 ;自然时效耗时长、 效率低、工件堆放场地大 . 因此 ,如何更好地降低残余应力是工程界长期以
8、来一直关心的问题 . 近年来 ,国内外用共振原理来消除残余应力 ,称为振动时效 (Vibration Stress Relief , VSR) . 这项技术是美国著名物理学家 J .W. Stratt 提出的 ,其基本思想是通过对应力工件施以循环载荷 ,使工件内应力释放 ,从而使工件残余应力降低 ,尺寸稳定下来而达到时效之目的 . 它具有节省能源、效率高、投资少、适应性强、使用方便、无“三废”污染等特点 ,并且是目前惟一进行二次时效的方法 ,在某些方面正迅速取代 传统的热时效和自然时效 . 本文对振动时效消除残余应力的机理、参数选择、效果评定进行讨论 . 1.2 课题的意义 金属构件经过热加工
9、或压力加工后，表面和内部都会产生残余应力。残余应力的存在使工件处于不稳定状态，是工件开裂或变形的主要原因。目前主要有 3 种时效方式来调整金属构件的残余应力，分别是自然时效 (NSR)、热时效 (眄R)和振动时效 (VSR)。自然时效是将工件处于自然状态下，使其残余应力缓慢释放。热时效是通过升高温度来降低材料的屈服极限，从而使材料发生在常温下不可能发生的塑性变形来释放残余应力。振动时效则是一 种通过工件施以循环载荷，使材料内部发生塑性变形，从而调整残余应力、稳定工件尺寸精度的时效方式。 振动时效的优点主要包括： (1)与自然时效相比，处理时间短、效率高，一般只需几十分钟即可；且占地面积少。 (
10、2)与热时效相比，能耗小，仅为热时效的 5；工件尺寸不受限制，无需为大型工件建造专用炉，大大降低了生产成本；应力消除效果好，一般可消除原应力的 20 50；工件尺寸稳定性好，能够提高材料的松弛刚度及抗疲劳强度；还可以保持工件原表面的加工质量，无热时效所产生的氧化层；无三废经过各国科研工作者最近 20 多年的研究 ，振动时效在机理、应用等方面都有了新的突破，取得了丰硕的成果，但在某些方面还缺乏共识。本文针对振动时效技术的发展历史、机理、工艺及效果评定振动时效用激振器的结构设计 2 技术等几个方面进行综述，并且指出了振动时效技术的发展趋势，从而为我们下一步如何具有针对性地研究这项技术提供了重要的线
11、索和技术路线。 1.3 振动时效技术国内外发展现状 1.3.1 国内的研究现状 振动时效技术自 1976 年从国外引进后，几乎在所有机械行业的大型铸、锻、焊、机加工件中被采用，并于 1991 年被国务院新技术办公室批准为国家重点推广项目。 1993 年被国家科委列为“国家 级科技成果重点推广计划”项目，然而，1991 年至今，此项技术显然没能在整个机械行业得到显著推广。 机床生产上的应用：高精度数控机床尺寸稳定性是重要的因素，北京航空工艺研究所每年生产的组合机床、子午线轮胎等铸造、焊接工件近 500t，热加工后进行一次时效，粗加工后进行二次时效。因此，振动时效能在生产中发挥巨大的作用。 b)火
12、电机组电机机座： 300MW 火电机组电机机座重约 28t、尺寸为 3800 mm 4200 mill，由法兰、环板、包壳和托架等组焊而成，由于刚度上的需要，材料厚度为 30 70 rain 不等，焊后 残余应力大，按原工艺要求必须进行热时效。为了解决热时效费用大，需候炉及热时效耗时长所造成的生产瓶颈现象，故考虑用振动时效来替代热时效工艺，由于机座工作在室温条件下，时效的目的是尺寸稳定，无去氢和软化材料的技术要求，因此可采用振动时效的工艺。试验结果为：消应力效果为 50 80 MPa。按原始最大残余应力为 235MPa，振后水平为 135 155MPa。 c)不锈钢焊接构件：核电不锈钢导向筒焊
13、后除应力可采用热时效和振动时效两种工艺，热时效具有峰值应力下降幅度大，工艺变形小的优点，工艺指标完全达到要求可以推广使用。 振动时效的工装简单，工艺快捷，有工艺变形小，应力均化明显的效果，工艺指标也可满足技术要求，是一种值得进一步开发，旨在局部替代热时效的节能工艺。 d)化工设备领域：振动时效消除应力法的推广和应用，将改变目前有关化工设备的设计思想。以前无法进退火炉及制造规范规定不需要进行消除应力处理的，如重要介质但常压的设备，现在只要有微小的投入即可进行消应处理了，为化工设备安全系数的提高提供了有效手段。由于尺寸精度的提高，密封性能得以改善；由于疲劳寿命的提高和抗应力腐蚀能力的增强，设备的使
14、用寿命得到延长。振动时效设备简单、操 作方便、省时、节能效果好，可适应结构复杂及尺寸庞大的工件，化工设备制造行业应积极推广应用。 e)目前我国生产振动消除残余应力装置的企业较少，大约十来家，浙江省迄今无一家生产，在课题进行中我们了解到，杭州叉车厂生产的产品用热处理振动时效用激振器的结构设计 3 的方法消除残余应力很不方便，厂家对振动处理极感兴趣，有意投入人力、财力进行这方面的探索。浙大机械厂为美国生产的不锈钢制药设备被指定使用振动时效方法消除应力。本课题组成员曾向周围企业提及振动消除残余应力的项目，在被了解的十多家企业中，仅诸暨机床厂听说过此事，并认为就这么振一下来消除应力， 不知有没有效果，
15、会不会振坏。可见，振动消除残余应力方法在浙江还较陌生。 f)国外技术工艺的要求使我国在出口产品上应用了振动时效工艺。佳木斯电机厂生产的出口电机由于国外厂家的要求，在电机壳上使用振动时效工艺，达到了设计要求。大连橡胶厂为美国生产的设备也要求用振动处理来消除应力。这些都促进了国内振动时效技术的应用。 g)多年来，关于振动时效对焊接构件疲劳寿命的影响是国内外专家极为关心和争论的焦点问题。我国一些单位做了许多研究，得出的结论认为，振动时效对金属材料的力学性能有较大影响，合理的振动时效工艺可以提高焊接 构件的疲劳寿命。如表是某铁路客车厂生产的焊接构架侧梁疲劳寿命的对比试验数据，其中一根未做任何处理；一根
16、做正常热时效处理；另一根做振动时效处理。 1.3.2 国外的研究现状 据统计，目前世界上正在使用的 VSR 系统约有一万台以上。美国在 1983年采用振动时效工艺的已有 700 多个公司，苏联和东欧一些国家也大量使用，都取得了明显的经济效益。许多国家都已将振动时效定为某些机械构件必须采用的标准工艺。在英国几乎没有一家公司不使用该项技术的。振动时效在国外的应用范围比较广，被处理的构件的类型也比较多。例如： a)英国一机 床公司生产大型精密机床，起床身与立柱要求精度为 0 01mm 2m。过去采用热时效其精度保持性较差，后来改用振动时效，满足了精度要求，因此现在已将振动时效定为该项产品的标准工艺。
17、 b)英国生产的铝合金铸造精密泵体，其尺寸为 275 300 150mm，也是用振动时效来保证其精度的。 c)美国 PXI 程公司，用振动时效来消除 8 吨重的焊接结构齿轮的内应力，用以减少焊接裂纹。 d)美国 Pont Land 电子专业公司，公司规定对锻件进行三次振动处理：毛坯、了锻件的稳定性。用该项技术处理 4 吨重的锻件毛坯。该公粗加工后、精加工后。三次处理后即保证 e)美国华盛顿钢铁公司，对该公司生产的 47 吨重的剪床座进行振动处理。剪床座是用 152mm 至 203mm 厚的钢板焊成，加强筋厚为 38mm 至 76mm。这样大而重的构件只用 40 分钟的振动处理就代替了过去的热时
18、效处理。 f)美国西北工艺公司对 1800 吨重的海洋铁塔及 1280 吨重的钻井平台也采振动时效用激振器的结构设计 4 用过振动时效处理。 g)英国对陆上井口平台是由管径为 200mm 的钢管焊成 6mX6m 2m 管型构架。 h)英国喷气发动机火焰筒衬里，由于焊后热膨胀而发生裂纹，报废率占 30以上，后来采用振动时效工艺，报废率 几乎为零。 i)英国生产的所有专用机床床身都是用振动时效代替热时效。有三十多家机床厂和十多个锻压设备厂都是将振动时效作为标准的生产工艺。 美、英等国在其他工业部门也大量采用振动时效，如造纸机械厂、船舶轴承厂、激光焊机厂、齿轮箱制造厂、纺织机械厂、轧钢设备厂、印刷机
19、械厂、泵制造厂、采油设备厂、发电厂、锅炉厂等都应用振动时效来消除构件的应力。 1.4 课题研究的主要内容 研究内容： 首先，了解振动时效技术工艺参数（激振频率、激振时间、激振力、激振点等）的具体内容，分析研究振动时效技术各工艺参数的选择策略，基本掌握 ；其次，建立产生激振力的实体模型 ,分析模型结构对激振力的影响，设计激振器重点掌握。 主要任务：了解振动时效技术中的工艺参数：激振频率、激振时间、激振力、激振点等，分析研究各工艺参数的选择策略；建立产生激振力的实体模型，分析模型结构对激振力的影响设计激振器。 目标：分析振动时效技术各工艺参数：激振频率、激振时间、激振力、激振点等的具体内容及选择策
20、略。 研究难点：对于振动时效实际应用方面有所欠缺。 振动时效用激振器的结构设计 5 2 设计方案与总体设计 2.1 振动时效激振器结构的方案设计 1.总体设计的内容 激振器的总体设计主要是对偏心轮的结 构设计，其中以固定轮轴及偏心距的调节作为关键。本设计机构简单，但实际操作需考察其电机的和轮轴的承受能力。设计方案有 3 种，通过对偏心轮的调节来产生激振力，从而使整个机器振动。 1.1 设计方案 1 采用电动机、底座、动偏心轮、静偏心轮、单向轴承 图 2.1 激振器结构示意图 图 2.2 激振器结构示意图 振动时效用激振器的结构设计 6 图 2.3 激振器结构示意图 1-轴 2-静偏心轮 3-动
21、偏心轮 4-底座 5-端盖 6-单向轴承 7-调节螺钉 图 2.4 单向轴承的 结构示意图 单向轴承单向轴承包括外环、内环、滚柱和挡圈。外环内表面具有沿周向等距分布，横截面呈近似流线形的纵向长槽。纵向长槽间制有狭槽。外环内表面的每个纵向长 槽中设置一个滚柱。外环内表面的每个狭槽中装有一个弹簧。内环位于外环中，内环的外表面与外环纵向长槽中的滚柱相配合。滚柱和弹簧的两端设有挡圈。 滚柱的两端各有一个凸起。弹簧为片弹簧，弹簧两端各有一个凸耳。挡圈的一侧制有两个环形槽，滚柱两端的凸起和片弹簧两端的凸耳分别装于两个环形槽中，当内环相对外环，或外环相对内环作旋转运动时，如果带动滚柱进入流线型槽较狭的一侧，则滚柱将限制内环与外环的相对运动，产生制动作用 ;
