一种多频耦合的振动时效系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及振动时效技术领域，特指一种多频禪合的振动时效系统及方法。 技术背景
[0002] 振动时效技术是机械工程领域中广泛使用的残余应力消除方法，即对工件施加机 械振动载荷，当工件内部的残余应力与附加的振动应力之和超过材料的局部屈服极限时， 材料内部将会发生局部的塑性变形，从而使得材料内部的局部残余应力得W释放。
[0003] 传统的振动时效技术首先是对工件进行扫频振动，寻找工件的固有频率，然后在 固有频率的亚共振区域选择具体的频率作为激振频率;然后在该激振频率下对工件进行定 频振动时效处理，运样的振动时效处理方式属于单频振动时效技术。然而工件经过诸如泽 火、切削、磨削、社制等方式加工处理后，在工件内部会产生不同形式的缺陷，从而在工件内 部形成的残余应力分布状态是相当复杂的。根据机械振动学的基本理论可知，工件的每阶 固有频率W及各阶谐波频率都对应着工件的一个固有振型，每一种固有振型都对应有动应 力分布较大的区域也有动应力分布较小的区域，若此时只是对工件进行单频振动时效处 理，只能对动应力分布较大区域与残余应力分布较大区域相对应部分的残余应力具有较好 的消除效果，而工件其余部分分布的较大残余应力并不能被有效的消除，若需要松弛工件 各个部分分布的较大的残余应力，最好的方式是对工件进行随机激振，因为随机信号的频 域是连续的，然而对工件进行随机激振时振动的能量会被分布到整个宽频带范围，运样关 键频率点的能量较小，不利于消除工件内部各部分的残余应力。虽然调节驱动器的输出能 量，能够提高随机激振的能量，但是运样的调节终究是有限的，导致关键频率点的能量依旧 较小，因此随机振动时效技术应用到机械工程领域中，具有一定的局限性。
【发明内容】
[0004] 为了克服单频振动时效技术和随机振动时效技术的不足，本发明提出一种多频禪 合的振动时效系统及方法。
[0005] 多频禪合的振动时效系统，包括上位机系统、信号输出卡、驱动器、激振器、加速度 传感器、电荷放大器、信号采集卡、支撑装置;激振器固定在工件表面，工件安装在具有弹性 的支撑装置上，上位机系统控制信号输出卡输出合成激振信号；信号输出卡输出的合成激 振信号经由驱动器输入激振器，进而驱动激振器产生振动;加速度传感器安装在工件上，加 速度传感器与电荷放大器的输入通道连接，电荷放大器的输出通道与信号采集卡连接，信 号采集卡与上位机系统连接。
[0006] 上位机系统包括定义合成激振信号的激振信号合成模块，获取信号采集卡采集到 的电压信号的电压信号读取模块，对电压信号进行快速傅里叶变换(FFT)的FFT模块，从快 速傅里叶变换结果中获取各个频率点电压峰值的电压识别模块，将电压峰值转换为输出振 级的振级转换模块，W及振级的临界阔值设置模块。
[0007] 进一步，加速度传感器为压电式加速度传感器。
[000引进一步，支撑装置为弹性元件。
[0009] 使用多频禪合的振动时效系统消除工件残余应力的方法包括W下步骤：
[0010] (1)将工件与激振器固定连接;采用支撑装置对工件进行支撑，W便激振器对工件 进行激振;接通信号连线，接通电源。
[0011] (2)通过X射线衍射法获取工件的残余应力分布状态，确定其峰值残余应力在工件 上的具体位置。
[0012] (3)采用有限元软件ANSYS对工件进行数值模态分析，获取工件的各阶固有频率W 及各阶谐波频率。
[0013] (4)根据工件的残余应力分布状态，优选一组频率的正弦信号用于合成激振信号。
[0014] (5)在振级临界阔值设置模块中设置与优选的一组频率对应的各个振级的临界阔 值51，1 = 1，2，-，，11;其中11为正整数，是优选的一组频率的个数。
[0015] (6)激振信号合成模块将优选的一组正弦信号合成用于振动时效的激振信号；上 位机系统将合成的数字激振信号通过信号输出卡转换为模拟激振信号;信号输出卡输出的 模拟激振信号经由驱动器输入激振器，从而驱动激振器产生振动。
[0016] (7)加速度传感器采集到的工件振动信号经由电荷放大器转换为电压信号；信号 采集卡将采集到的模拟电压信号转换为数字电压信号；电压信号读取模块获取信号采集卡 采集到的数字电压信号;FFT模块对数字电压信号进行快速傅里叶变换获取电压信号的频 谱；电压识别模块从频谱中获取优选的一组频率点上的各个电压峰值化，? = 1，2，···，η;其 中η为正整数，是优选的一组频率的个数;振级转换模块将获取的各个电压峰值转换为与优 选的一组频率对应的各个输出振级曰1，1 = 1，2，-，，11;其中11为正整数，是优选的一组频率的 个数;判断是否
I.D为允许的误差裕度，若是，则上位机系统保持优选的一组正 弦信号的电压幅值m不变，i = l，2, ···，!!;其中η为正整数，是优选的一组频率的个数，同时 上位机系统控制信号输出卡输出合成激振信号，对工件在合成激振信号下进行振动时效处 理;若否，则上位机系统自动改变优选的一组正弦信号的电压幅值m，i = l，2, ···，!!;其中η 为正整数，是优选的一组频率的个数，并程控驱动器输入激振器的输入电压化nput，化nput< Ushangxian，其中Ushangxian为激振器的上限工作电压，直至
玄一条件得W满足为 止，则此时上位机系统控制信号输出卡对工件在合成激振信号下进行振动时效处理。
[0017] 所述信号连线包括上位机系统与信号输出卡之间的信号连线、上位机系统与信号 采集卡之间的信号连线、上位机系统与驱动器之间的信号连线、信号输出卡与驱动器之间 的信号连线、信号采集卡与电荷放大器之间的信号连线、驱动器与激振器之间的信号连线、 加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线;所述电源包括上位机系统、信号输出卡、信号 采集卡、驱动器、电荷放大器和激振器的电源。
[0018] 步骤(4)中，根据工件的残余应力分布状态，优选一组频率的正弦信号包括W下步 骤：
[0019] (4.1)采用有限元软件ANSYS确定工件的各阶固有频率W及各阶谐波频率所对应 的固有振型，确定每一种固有振型上动应力分布较大的区域。
[0020] (4.2)根据工件残余应力的分布状态，确定出峰值残余应力分布区域与动应力分 布较大区域相一致的固有振型，该固有振型对应的频率即为优选出的频率。
[0021] (4.3)根据步骤(4.1)和(4.2)的过程，能够优选出一组频率的正弦信号用于合成 多频禪合振动时效技术的激振信号。
[0022] 本发明的技术构思是：由上位机系统、信号输出卡、驱动器、激振器、加速度传感 器、电荷放大器、信号采集卡、支撑装置构成多频禪合的振动时效系统;工件与激振器相互 固定连接;采用支撑装置对工件进行支撑，W便激振器对工件进行激振;上位机系统控制信 号输出卡输出合成激振信号；驱动器放大合成激振信号后驱动激振器产生振动；上位机系 统通过计算机接口获取信号采集卡采集到的电压信号，并对电压信号进行快速傅里叶变换 获取电压信号的频谱；电压识别模块从频谱中获取优选的一组频率点上的各个电压峰值化 (i = 1，2，…，η;其中η为正整数，是优选的一组频率的个数）；振级转换模块将获取的各个电 压峰值转换为与优选的一组频率对应的各个输出振级3ια = 1，2，···，η;其中η为正整数，是 优选的一组频率的个数）；当
弦一条件得W满足时，则上位机系统控制信号输 出卡对工件在合成激振信号下进行振动时效处理。
[0023] 本发明的有益效果如下：
[0024] 1、本发明实现了对工件进行多频禪合振动时效处理，而且多频禪合振动时效处理 技术相对于单频振动时效处理技术具有更好的残余应力消除效果。
[0025] 2、多频禪合振动时效处理技术能够有效的消除工件上分布的各个峰值残余应力， 相对于单频振动时效技术能够提高振动均化残余应力的效果。
[0026] 3、多频禪合振动时效处理技术对工件进行振动时效处理的过程全部由上位机系 统自动完成，无需手动操作，减少了工作量，提高了工作的效率。
[0027] 4、本发明不是用传统的扫频方法寻找工件的共振频率，而是采用有限元软件对工 件进行数值模态分析，获取工件的各阶固有频率W及各阶谐波频率，并且可W获得各阶固 有频率W及各阶谐波频率所对应的固有振型，进而确定每一种固有振型上动应力分布较大 的区域;然后根据工件的残余应力分布状态优选出一组频率的正弦信号用于合成激振信 号，能够做到对工件进行多维振动时效处理，提高了振动消除残余应力的效果。
[0028] 5、采用扫频的方法寻找工件的固有频率，并不能获取固有频率所对应的固有振 型，同时当工件的固有频率超过激振器的工作频率范围时，通过扫频的方法就无法获取单 频振动时效的激振频率，运也是单频振动时效技术推广应用过程中遇到的最大的难题。本 发明采用有限元软件对工件进行数值模态分析，不仅可W获取工件的各阶固有频率W及各 阶谐波频率，并且可W获得各阶固有频率W及各阶谐波频率对应的固有振型，即使工件的 固有频率超过激振器的工作频率范围，也可W选取工件的低阶谐波频率来合成激振信号， W便对工件进行多频禪合振动时效处理。因此本发明提供的多频禪合振动时效处理技术能 够提高振动时效技术的应用范围。
【附图说明】
[0029] 图1多频禪合的振动时效系统示意图。
【具体实施方式】
[0030] 参照附图，进一步说明本发明：
[0031] 多频禪合的振动时效系统，包括上位机系统、信号输出卡、驱动器、激振器1、加速 度传感器2、电荷放大器、信号采集卡、支撑装置4;激振器1固定在工件3表面，工件3安装在 具有弹性的支撑装置4上，上位机系统控制信号输出卡输出合成激振信号;信号输出卡输出 的合成激振信号经由驱动器输入激振器1，进而驱动激振器1产生振动;加速度传感器2安装 在工件3上，加速度传感器2与电荷放大器的输入通道连接，电荷放大器的输出通道与信号 采集卡连接，信号采集卡与上位机系统连接。
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