石油機械制造中振動時效技術(shù)的應(yīng)用

臧瑋

（中海石油（中國）有限公司天津分公司工程建設(shè)中心，天津 300450）

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平日新月異的發(fā)展，也帶動了我國振動時效技術(shù)的進(jìn)一步提升，且在國內(nèi)外均得以越來越廣泛地應(yīng)用。振動時效技術(shù)作為石油機械設(shè)計階段的重要組成部分，科學(xué)合理地利用，能在很大程度上促進(jìn)我國石油機械行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。由此可見，在石油機械制造中，相關(guān)工作人員應(yīng)充分掌握振動時效機理，了解振動時效處理參數(shù)，并將振動時效技術(shù)落到實處。如此一來，不僅能提升石油機械制造的精準(zhǔn)性與高效性，而且也有利于為我國石油機械行業(yè)未來的持續(xù)、長遠(yuǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 振動時效機理

眾所周知，石油機械是否精準(zhǔn)在很大程度上取決于其設(shè)計是否科學(xué)、是否規(guī)范。所以，加大石油機械設(shè)計階段的把控力度尤為重要，這樣才能確保石油機械設(shè)計的精準(zhǔn)性，并且最大程度上滿足振動時效技術(shù)的生產(chǎn)需求。振動時效技術(shù)可劃分為以下幾點：（1）現(xiàn)階段，振動時效技術(shù)成型是應(yīng)用不常見的技術(shù)之一，振動時效技術(shù)成型的關(guān)鍵在于振動時效的應(yīng)用案例及其效果，在對振動時效進(jìn)行處理階段，明確工藝參數(shù)與確定振動階段的力、時間以及頻率等是其關(guān)鍵技術(shù)，同時，以工件實際形狀為基礎(chǔ)，明確支撐點、振動點、以及拾振點位置。對鉆機傳動裝置的聯(lián)動機底座進(jìn)行振動時效處理，也能獲得良好成效。從大立場的角度來講，在周期性等外在因素的影響下，可能會導(dǎo)致工件存在交變動應(yīng)力，值得注意的是，一旦出現(xiàn)交變動應(yīng)力的情況下，會與內(nèi)部存在的應(yīng)力疊加在一起，從而增加部分位置的應(yīng)力，更嚴(yán)重的還會出現(xiàn)塑性變形，參與的應(yīng)力峰值會越來越低，原有內(nèi)應(yīng)力場發(fā)生改變，需要重新分布工件應(yīng)力。從小立場的角度來講，增加振動能量，不僅能促進(jìn)構(gòu)件內(nèi)部晶體功能得以進(jìn)一步強化，而且也能加快晶格恢復(fù)速度，并且其他因素不會對其造成影響。在強化其根本的過程中，也能從根源減少構(gòu)件應(yīng)力水平，為工件抗變形能力與之穩(wěn)定性提供可靠的保障。構(gòu)件精準(zhǔn)性也能得以大幅度提升，并且實現(xiàn)合理利用，增加其模型振動時效技術(shù)周期。在此階段，通過振動時效技術(shù)的有效落實，無論是對構(gòu)件的建模，還是對構(gòu)件受力欠佳區(qū)域的分析均能奠定基礎(chǔ)，以此來充分掌握構(gòu)件在發(fā)揮作用階段的受力性能，相關(guān)工作人員可以此為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整，確保石油機械設(shè)計最大程度滿足受力、外觀等要求。（2）在對振動時效技術(shù)石油機械設(shè)計階段，做好實際應(yīng)用化的快速設(shè)計系統(tǒng)也尤為重要，通過對石油機械的科學(xué)設(shè)計，能促使后期高效、科學(xué)使用，所以，若想加強提升設(shè)計質(zhì)量，要求業(yè)內(nèi)人士基于實際情況科學(xué)合理開展設(shè)計，并對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行全面審核，如此一來，才能確保該技術(shù)在石油機械制造中彰顯其作用，為石油機械設(shè)計質(zhì)量提供可靠的保障。石油機械和振動的時效技術(shù)作為振動時效技術(shù)應(yīng)用階段的重要組成部分，若想避免后續(xù)產(chǎn)生問題，在設(shè)計工作開展階段，應(yīng)最大程度降低因為使用單一而形成的限制。（3）結(jié)合設(shè)計工作的實施情況不難發(fā)現(xiàn)，通用技術(shù)在交互重疊階段的應(yīng)用更常見，普遍來講，相關(guān)工作人員要以整體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對部分構(gòu)件進(jìn)行合理設(shè)計，并利用自身以往的工作經(jīng)驗，設(shè)計幾何圖形，值得注意的是，這種方式難以第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的不足，因此，難以確保設(shè)計質(zhì)量。若想對不足之處加以完善和解決，可結(jié)合實際情況，將石油機械設(shè)計相關(guān)技術(shù)有效融合在一起。如圖1所示。

圖1 振動時效處理設(shè)備安裝示意圖

2 振動時效處理參數(shù)

2.1 激振力

針對激振力來講，其在工件上能形成附加動應(yīng)力場，激振力與熱時效加熱溫度有很多類似的地方。結(jié)合以往工作情況不難發(fā)現(xiàn)，動應(yīng)力殘留量和激振力有著密不可分的聯(lián)系，簡而言之，動應(yīng)力大小和參與應(yīng)力降低量成正比。由此可見，激振力也可看作振動時效處理參數(shù)的呈現(xiàn)方式，在激振力欠佳的情況下，殘留應(yīng)力水平也難以實現(xiàn)提升。如果在激振力充足的情況下，則可能會導(dǎo)致長時間運行的工件產(chǎn)生問題。為了避免問題的發(fā)生，要求相關(guān)人員結(jié)合實際情況，對激振力加大控制力度，并將其控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)。普遍來講，動應(yīng)力情況應(yīng)在工件承受疲勞荷載的一半。

2.2 激振頻率

針對振動時效的處理來講，應(yīng)盡最大程度利用最小的激振力去獲取最大動應(yīng)力。具體來講，由于共振本身帶有一定的作用，在亞共振區(qū)域周邊安設(shè)激振，不僅能為產(chǎn)生振動提供有利條件，而且也能從根源避免因為轉(zhuǎn)速變化而形成問題，如振動不穩(wěn)。如圖2所示。

圖2 激振頻率

2.3 激振時間

利用振動時效能對殘余應(yīng)力做出有效把控，最大程度減少不必要應(yīng)力的同時，也能降低或避免對設(shè)備帶來的不利影響。具體來講，主要是將構(gòu)件的低應(yīng)力情況替代高殘余應(yīng)力情況，從本質(zhì)上來看，此種工作模式是動態(tài)的過程。值得注意的是，若想確保此工作流程更加順利、高效地完成，難免需要投入大量的時間。在此背景下，該工作在實施的初始階段，應(yīng)加強提升動應(yīng)力，加大振動時間的把控力度，這樣才能確保殘余應(yīng)力始終維持在一定的范圍。若想從根源強化激振效果，對激振力、激振頻率以及時間等方面的控制也不容忽視，確保三者的平衡性。與此同時，結(jié)合實際情況，增加構(gòu)建支撐方法，科學(xué)合理地借助拾振器或激振器，促進(jìn)處理效果得以進(jìn)一步提升。

3 焊接構(gòu)件振動時效技術(shù)特點

現(xiàn)階段，重型焊接構(gòu)件（圖3）作為應(yīng)用更普遍的石油機械之一，與中小型構(gòu)件相對而言，重型焊接構(gòu)件顧名思義，其重量大、占地面積大，且結(jié)構(gòu)要更煩瑣。重型焊接構(gòu)件在生產(chǎn)階段，不可避免地會形成殘余內(nèi)力，再加上這些內(nèi)力形式多樣化，且分布情況雜亂無章，會在很大程度上對設(shè)備后期使用效果帶來負(fù)面影響。為了規(guī)避影響，應(yīng)結(jié)合實際情況，采用切實可行的方式對設(shè)備進(jìn)行處理，以此進(jìn)一步強化設(shè)備處理成效。

圖3 重型焊接構(gòu)件

在借助大功率的激振電機實施振動處理階段，由于激振電機運行階段的功率和被振工件處于正比關(guān)系，如果頻率和阻尼等條件未產(chǎn)生變化的情況下，構(gòu)件重量和激振功率也處于正比關(guān)系，在此背景下，若想從根源上減少構(gòu)件內(nèi)殘留應(yīng)力，應(yīng)盡可能選擇大功率激振電機，如此一來，這也與構(gòu)件對動應(yīng)力的要求相符。

在開展激振作業(yè)階段，應(yīng)利用多頻、多點激振相融合的方式開展。追溯其根源，主要是因為重型焊接構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)煩瑣，再加上焊接量大等因素的影響，使得焊接殘留應(yīng)力分布雜亂無章。這種情況下，利用多頻激振與多點激振相融合的方式開展具體工作，能在構(gòu)件上實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、剪切以及復(fù)合振動等功能，從而促進(jìn)構(gòu)件殘留應(yīng)力均勻性水平得以大幅度提升。

如果在大構(gòu)件，且構(gòu)件由多部分組成、焊接的情況下，可遵循先實施分段振動、后實施整體振動原則的處理法，以此來促進(jìn)振動效果得以進(jìn)一步提升。另外，這種原則的處理方式能在強化構(gòu)件應(yīng)力水平的同時，也能最大程度降低或避免設(shè)備在組裝階段出現(xiàn)變形，為構(gòu)件振動均勻性提供可靠的保障。

4 石油機械制造中振動時效技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)階段，若想確保石油機械質(zhì)量與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定相符，可在石油機械產(chǎn)品設(shè)計同步工程中科學(xué)合理地利用振動時效技術(shù)。值得注意的是，設(shè)計人員應(yīng)參與整個過程中，這樣才能從根源上提升設(shè)計工作的有效性。眾所周知，石油機械在使用階段，不可避免地會存在各種荷載現(xiàn)象，這種情況下，要設(shè)計人員應(yīng)基于有限元理論，深入分析受力程度。

若想確保振動時效技術(shù)的快速設(shè)計在振動時效技術(shù)中得以最大化應(yīng)用成效，應(yīng)從以下幾點入手：（1）相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)充分掌握構(gòu)件設(shè)計目標(biāo)；（2）利用自身以往設(shè)計經(jīng)驗，精準(zhǔn)建立該構(gòu)件的應(yīng)用；（3）在對該構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計階段，基于各區(qū)域使用功能，科學(xué)合理地調(diào)整實際模型，如此一來，不僅能進(jìn)一步強化該構(gòu)件設(shè)計的智能性與先進(jìn)性，還能促使該項技術(shù)得以進(jìn)一步發(fā)展。

5 石油機械制造中振動時效應(yīng)用實例

從振動時效處理重點技術(shù)的本質(zhì)來看，其是基于工藝參數(shù)明確的激振力、激振時間以及頻率的。在選擇工件處理支撐點區(qū)域階段，應(yīng)參考工件下的實際幾何形狀。下文將對我國某地區(qū)油田鉆機傳動裝置振動時效處理情況進(jìn)行分析。

5.1 點位選擇

眾所周知，振動時效激振力來源于激振器，當(dāng)工件處于共振情況下，振動波形普遍會呈正弦波形態(tài)，通過分析正弦波，能明確各區(qū)域?qū)嶋H振動情況。針對波峰、波谷區(qū)域位置的判斷來講，可借助振動時效激振器去實現(xiàn)。值得注意的是，由于此模式能利用小激振力獲得大振幅，因此，可在波峰區(qū)域周邊安裝激振器，受到波峰區(qū)域大振動的影響，如果將激振器完全安裝在波峰區(qū)域，隨著波峰振動幅度的不斷變化，激振器底座會逐漸出現(xiàn)一系列問題，如變形、彎曲等。另外，也不可將其安裝至波谷區(qū)域，因為波谷產(chǎn)生振動的可能性較小。除此之外，針對激振器的安裝來講，若想確保激振器良好的進(jìn)行振動，應(yīng)對局部剛度問題加大重視力度，并且盡可能選擇剛度大，且較高位置。

5.2 激振力調(diào)整

針對激振力的調(diào)整來講，可通過激振力大小變化，控制激振器偏心距離實現(xiàn)。利用轉(zhuǎn)變激振器偏心檔，對激振力進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，在對其進(jìn)行審核，經(jīng)實踐表明，激振器偏心檔為二檔的應(yīng)用成效更為突出。與此同時，通過對振動曲線的分析，明確振動時效，也能充分掌握處理前與處理后振動時效所發(fā)生的變化。

6 結(jié)語

綜上所述，振動時效技術(shù)在石油機械制造中應(yīng)用非常普遍，并且在實際應(yīng)用階段，也會獲得一定的經(jīng)濟效益，因此，對石油機械制造中振動時效技術(shù)進(jìn)行深入研究具有一定的現(xiàn)實意義。