一种轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法技术领域
本发明涉及轨道交通设备测试领域，尤其是涉及一种应用于轨道交通设备大型金属构件的热与振动综合时效处理方法。
背景技术
随着列车运行速度和轴重的不断增加，轨道交通设备也正朝着系统化、集成化的方向发展，如：牵引变流器等核心列车设备的尺寸与质量变得越来越大，其主结构（大型金属构件）在生产制造过程中因焊接、切削等工序所产生的残余应力对其尺寸精度、负载能力等造成重大的影响，会导致构件处于不稳定状态，从而降低构件的尺寸稳定性和机械物理性能。残余应力的危害很多，其对金属构件的屈服极限、疲劳寿命、变形、金属脆性破坏等造成巨大的影响，会导致构件在制造及使用过程中产生变形和失效，同时加速了金属材料在腐蚀性环境中的腐蚀速度。
为消除金属构件的残余应力，现有技术中通常采用自然时效、热时效和振动时效。热时效就是将工件加热到弹塑行转变温度，并保持一定时间，使工件的残余应力得到松弛，然后极为缓慢地降低温度，使工件在冷却之后处于低应力状态。振动时效（Vibratory Stress Relief）处理是在激振器的周期性外力（激振力）的作用下，使被处理的工件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发生微观的塑性变形—被歪曲的晶格逐渐恢复平衡状态。位错重新滑移并钉扎，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，最终防止工件在加工和使用过程中变形和开裂，保证工件尺寸精度的稳定性。振动时效是采用振动处理的方法代替自然时效与热时效，其工作原理是通过外部激励使构件处于振动状态，经过一定时间的振动处理达到消除残余应力和稳定尺寸的目的。
目前，在对金属构件进行时效处理时，一般只会单独采用自然时效、热时效和振动时效的方法。作为一种消除大型金属构件残余应力的常用方法，振动时效具有能耗低、时间短、效果好、经济效益显著等优点，广泛应用于机械制造业中。但是，对于轨道交通设备大型金属构件来说，由于其结构尺寸大、自身质量大，通过常规的热时效或振动时效处理方法都难以使残余应力的消除效果达到最佳状态，而普通的热时效因高成本和高污染而不适应大批量的工业生产逐渐被淘汰。
现有技术中常用的大型金属构件振动时效处理方法步骤一般为：
（1）构件的支承：支承的选择，恰当地支承工件可使工件平稳和振动自如，再将激振器和传感器利用夹具紧固在工件上。
（2）构件振前扫频：使激振器电机的转速在适当的范围内均匀升速，其作用是寻找构件共振频率及相应的振幅值。
（3）确定共振频率：在上述扫频过程中，工作振幅最大处所对应的频率为理想的共振频率。
（4）共振频率振动：构件在选定的共振频率下振动一定的时间。
以上所述现有的振动时效处理方法具有以下技术缺陷：
（1）需要应用专用的振动时效激励设备，一般采用电动机作为激励装置；
（2）采用开环控制方式所确定的构件共振频率点存在较大误差；
（3）仅采用正弦扫频和共振点正弦定频振动方式对大型构件进行激励，而某些构件中的残余应力无法通过正弦振动进行消除，因而某些时候一般的振动时效处理方法并不能达到最佳的效果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法，能够解决迅速有效地消除大型金属构件残余应力的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法的技术实现方案，一种轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法，包括以下步骤：
S101：将大型金属构件安装在振动与温度综合试验台；
S102：确定振动试验控制点和响应点位置；
S103：对所述大型金属构件进行正弦扫描振动试验；
S104：确定所述大型金属构件的共振频率；
S105：对所述大型金属构件进行共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理，或共振频率点定频正弦振动与恒定温度综合时效处理；
S106：对所述大型金属构件进行宽带随机振动与温度循环综合时效处理，或宽带随机振动与恒定温度综合时效处理；
S107：重复上述步骤S102至步骤S106，以分别完成所述大型金属构件在垂向、横向和纵向的综合时效处理。
本发明还具体提供了另一种轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法的技术实现方案，一种轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法，包括以下步骤：
S101：将大型金属构件安装在振动与温度综合试验台；
S102：确定振动试验控制点和响应点位置；
S103：对所述大型金属构件进行正弦扫描振动试验；
S104：确定所述大型金属构件的共振频率；
S105：对所述大型金属构件进行共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理，或共振频率点定频正弦振动与恒定温度综合时效处理；
S106：对所述大型金属构件进行宽带随机振动与温度循环综合时效处理，或宽带随机振动与恒定温度综合时效处理；
S107：重复上述步骤S102至步骤S105，以分别完成所述大型金属构件在垂向、横向和纵向的综合时效处理。
优选的，所述振动与温度综合试验台包括振动试验台和温度试验箱，所述振动试验台能完成正弦扫频振动试验、定频正弦振动时效处理和宽带随机振动时效处理。所述温度试验箱能完成恒定温度时效处理和温变率为30～60℃/min的温度循环时效处理。
优选的，所述步骤S101进一步包括：
将所述大型金属构件通过夹具紧固安装在所述振动与温度综合试验台内，所述大型金属构件在夹具上的安装方式与所述大型金属构件的实际安装方式一致。所述夹具的一端通过螺栓与所述大型金属构件紧固连接，所述夹具的另一端通过螺栓与所述振动试验台紧固连接。
优选的，所述步骤S102进一步包括：
将振动试验的控制点选在所述振动试验台的台面上，将振动试验的响应点选在所述大型金属构件的最上部，并在所述控制点与所述响应点分别粘接加速度计。
优选的，在所述步骤S104中，确定所述大型金属构件的共振频率是通过在正弦扫频振动试验中，分析所述控制点和所述响应点的加速度频谱确定的。
优选的，在所述步骤S103中，所述正弦扫描振动试验的参数为：
振动频率范围：2～1600Hz；
扫描速率：1～5oct/min；
振动加速度：0.2～1g；
扫描循环次数：1个循环。
优选的，在所述步骤S105或步骤S106中，所述共振频率点定频正弦振动时效处理的参数为：
振动频率：所述大型金属构件的共振频率 ；
振动加速度：1～10g；
试验时间：15min～60min。
优选的，在所述步骤S105或步骤S106中，所述温度循环时效处理的参数为：
温度上限值：180～260℃；
温度下限值：-60～ -25℃；
温变率：30～60℃/min；
温度上限保持时间：30min～120min；
温度下限保持时间：30min～60min。
优选的，在所述步骤S105或步骤S106的共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理过程中，所述振动与温度综合试验台同时对所述大型金属构件施加振动应力和温度应力，所述共振频率点定频正弦振动时效处理和所述温度循环时效处理进行1～3个循环周期。
优选的，在所述步骤S106或步骤S105中，所述宽带随机振动时效处理的参数为：
振动频率范围：2～150Hz；
振动加速度均方根值：1～5g rms；
试验时间：30min～120min。
优选的，在所述步骤S106或步骤S105中，所述温度循环时效处理的参数为：
温度上限值：180～260℃；
温度下限值：-60～ -25℃；
温变率：30～60℃/min；
温度上限保持时间：30min～120min；
温度下限保持时间：30min～60min。
优选的，在所述步骤S106或步骤S105的宽带随机振动与温度循环综合时效处理过程中，所述振动与温度综合试验台同时对所述大型金属构件施加振动应力和温度应力，所述宽带随机振动试验和所述温度循环试验进行1～3个循环周期。
优选的，所述步骤S105和步骤S106中的恒定温度时效处理包括：
在所述共振频率点定频正弦振动时效处理或宽带随机振动时效处理过程中，同时对所述大型金属构件施加恒定150～200℃的温度应力并保持设定的时间。
优选的，所述大型金属构件按照垂向、横向、纵向的振动方向顺序完成综合时效处理。
通过实施上述本发明提供的轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法的技术方案，具有如下有益效果：
（1）本发明综合时效处理方法简单可靠、可操作性强，能够迅速有效地消除大型金属构件残余应力，残余应力消除效率高；
（2）本发明利用温度与振动综合试验台来完成大型金属构件的时效处理，因而不需要购置专用的振动或热时效设备；
（3）本发明采用振动试验台的正弦扫频试验方法，并通过分析控制点与响应点的加速度频谱图，能够迅速精确地确定大型金属构件的共振频率；
（4）本发明在共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理后，再进行宽带随机振动与温度循环综合时效处理，能够充分消除大型金属构件中的残余应力，其时效处理的效果大大优于一般热或振动时效处理方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1是本发明轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法一种具体实施方式的程序流程图；
图2是本发明轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法一种具体实施方式中正弦扫频加速度试验的频谱示意图；
图3是本发明轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法一种具体实施方式中共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理剖面的示意图；
图4是本发明轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法一种具体实施方式中宽带随机振动时效处理剖面的示意图；
图5是本发明图轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法一种具体实施方式中宽带随机振动试验与温度循环综合时效处理剖面的示意图；
图6是用于实现本发明方法的轨道交通设备大型金属构件综合时效处理系统结构组成示意图；
图中，1-大型金属构件，2-夹具，3-振动试验台，4-温度试验箱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1至附图6所示，给出了本发明轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如附图1所示，一种轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法的具体实施例，包括以下步骤：
S101：将大型金属构件1安装在振动与温度综合试验台；
S102：确定振动试验控制点和响应点位置；
S103：对大型金属构件1进行正弦扫描振动试验；
S104：确定大型金属构件1的共振频率；
S105：对大型金属构件1进行共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理；
S106：对大型金属构件1进行宽带随机振动与温度循环综合时效处理；
S107：重复上述步骤S102至步骤S106，以分别完成大型金属构件1在垂向、横向和纵向的综合时效处理。
振动与温度综合试验台包括振动试验台3和温度试验箱4，振动试验台3能完成正弦扫频振动试验、定频正弦振动时效处理和宽带随机振动时效处理。温度试验箱4能完成恒定温度时效处理和温变率为30～60℃/min的温度循环时效处理。
步骤S101进一步包括：
将大型金属构件1通过夹具2紧固安装在振动与温度综合试验台内，大型金属构件1在夹具2上的安装方式与大型金属构件1的实际安装方式一致，如附图6所示。夹具2的一端通过螺栓与大型金属构件1紧固连接，夹具2的另一端通过螺栓与振动试验台3紧固连接。
步骤S102进一步包括：
将振动试验的控制点选定在振动试验台3的台面上，将振动试验的响应点选定在大型金属构件1的最上部，并在控制点与响应点分别粘接加速度计，此时用于进行大型金属构件1在垂向的综合时效处理。当进行大型金属构件1在横向和纵向的综合时效处理时，振动试验的控制点仍然选定在振动试验台的台面上，而振动试验的响应点选定在大型金属构件1上与振动方向垂直的面。
步骤S104进一步包括：通过步骤S103中的正弦扫描振动试验，根据振动试验频谱，可以确定大型金属构件1的共振频率。在步骤S104中，确定大型金属构件1的共振频率是通过在正弦扫频振动试验中，分析控制点和响应点的加速度频谱确定的。如附图2所示，响应点加速度计频谱中共振峰所对应的频率可视为大型金属构件1的共振频率，附图2中的共振频率=50Hz。图中，如B所示为响应点的加速度频谱，如A所示为正弦扫频加速度频谱图的共振峰。
在步骤S103中，通过振动试验台3进行正弦扫描振动试验，正弦扫描振动试验的参数为：
振动频率范围：2～1600Hz；
扫描速率：1～5oct/min；
振动加速度：0.2～1g（g为重力加速度单位）；
扫描循环次数：1个循环（1个往返）。
在步骤S105中，通过温度与振动综合试验台中的振动试验台3实现共振频率点定频正弦振动时效处理，共振频率点定频正弦振动时效处理的参数为：
振动频率：大型金属构件1的共振频率，如附图2中为50Hz；
振动加速度：1～10g；
试验时间：15min～60min。
在步骤S105中，通过温度与振动综合试验台中的温度试验箱4实现温度循环时效处理，温度循环时效处理的参数为：
温度上限值：180～260℃；
温度下限值：-60～ -25℃；
温变率：30～60℃/min；
温度上限保持时间：30min～120min；
温度下限保持时间：30min～60min。
在步骤S105的共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理过程中，振动与温度综合试验台同时对大型金属构件1施加振动应力和温度应力，共振频率点定频正弦振动时效处理和温度循环时效处理进行1～3个循环周期。
步骤S105中共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理的试验剖面如附图3所示。
在步骤S106中，通过温度与振动综合试验台中的振动试验台3实现宽带随机振动时效处理，宽带随机振动时效处理的参数为：
宽带随机振动PSD（Power Spectral Density，功率谱密度）谱如附图4所示，在附图4中，振动频率范围为：2～150Hz；
振动加速度均方根值：1～5g rms；
试验时间：30min～120min。
在步骤S106中，通过温度与振动综合试验台中的温度试验箱4实现温度循环时效处理，温度循环时效处理的参数为：
温度上限值：180～260℃；
温度下限值：-60～ -25℃；
温变率：30～60℃/min；
温度上限保持时间：30min～120min；
温度下限保持时间：30min～60min。
在步骤S106的宽带随机振动与温度循环综合时效处理过程中，振动与温度综合试验台同时对大型金属构件1施加振动应力和温度应力，宽带随机振动时效处理和温度循环时效处理进行1～3个循环周期。
步骤S106中宽带随机振动试验与温度循环综合时效处理的试验剖面如附图5所示。
在步骤S107中，按照步骤S105和步骤S106中的试验要求，完成大型金属构件1在垂向、横向和纵向三个振动方向的综合时效处理。
实施例1描述的轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法针对现有时效处理方法的不足，充分考虑到轨道交通设备用大型金属构件的特点，利用大型温度与振动综合试验台（这样不需要购置专用的振动和热时效设备，且能实现振动与温度的综合时效），通过正弦扫频试验、共振频率点正弦定频与温度循环综合时效处理、宽带随机振动与温度循环综合时效处理，可迅速消除大型金属构件的残余应力。实施例1描述的上述综合时效处理方法具有简单可靠、费用低廉、可操作性强、残余应力消除效率高等优点。
实施例2：
另一种轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法的具体实施例，包括以下步骤：
S101：将大型金属构件1安装在振动与温度综合试验台；
S102：确定振动试验控制点和响应点位置；
S103：对大型金属构件1进行正弦扫描振动试验；
S104：确定大型金属构件1的共振频率；
S105：对大型金属构件1进行宽带随机振动与温度循环综合时效处理；
S106：对大型金属构件1进行共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理；
S107：重复上述步骤S102至步骤S106，以分别完成大型金属构件1在垂向、横向和纵向的综合时效处理。
实施例2在上述实施例1的基础上，将共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理、宽带随机振动与温度循环综合时效处理的步骤互换，也能够达到相应的时效效果。
实施例3：
实施例3在上述实施例1和实施例2的基础上，将共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理，以及宽带随机振动与温度循环综合时效处理中的温度循环时效处理替换为恒定温度时效处理。恒定温度时效处理的方案采用如：在共振频率点定频正弦振动时效处理或宽带随机振动时效处理过程中，同时对大型金属构件1施加恒定150～200℃的温度（热应力）并保持设定的时间（通常为60～120min），这样也可以达到热与振动综合时效的效果。
实施例4：
实施例4在上述实施例1、2和3的基础上，按照垂向→横向→纵向的振动方向顺序完成大型金属构件1的综合时效处理，此顺序为本发明优选的振动方向顺序。当然，也可以改变大型金属构件1振动方向的顺序来达到类似的效果，如垂向→纵向→横向等。
通过实施本发明具体实施例描述的轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法的技术方案，能够产生如下技术效果：
（1）本发明具体实施例描述的轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法简单可靠、可操作性强，能够迅速有效地消除大型金属构件残余应力，残余应力消除效率高；
（2）本发明具体实施例描述的轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法利用温度与振动综合试验台来完成大型金属构件的时效处理，因而不需要购置专用的振动或热时效设备；
（3）本发明具体实施例描述的轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法采用振动试验台的正弦扫频试验方法，并通过分析控制点与响应点的加速度频谱图，能够迅速精确地确定大型金属构件的共振频率；
（4）本发明具体实施例描述的轨道交通设备大型金属构件综合时效处理方法在共振频率点定频正弦振动与温度循环综合时效处理后，再进行宽带随机振动与温度循环综合时效处理，能够充分消除大型金属构件中的残余应力，其时效处理的效果大大优于一般热或振动时效处理方法。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。