一、技術(shù)名稱：頻譜諧波時(shí)效技術(shù)
二、適用范圍：機(jī)械行業(yè)
三、與該節(jié)能技術(shù)相關(guān)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗現(xiàn)狀：
金屬工件在鑄造、鍛壓、焊接和切削加工及使用過(guò)程中，由于內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使工件在使用中尺寸精度得不到保證，為此通常采用熱時(shí)效和自然時(shí)效消除殘余應(yīng)力。但自然時(shí)效周期長(zhǎng)，熱時(shí)效耗能高，費(fèi)用高，污染環(huán)境。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)機(jī)械制造行業(yè)采用熱時(shí)效方法消除應(yīng)力的工藝環(huán)節(jié)，年耗能800～1000 萬(wàn)tce，費(fèi)用在100 億元以上。
四、技術(shù)內(nèi)容：
1.技術(shù)原理
通過(guò)傅立葉分析尋找低次諧波，施加合適的能量在多個(gè)諧波頻率振動(dòng)，引起高次諧波累積振動(dòng)產(chǎn)生多方向動(dòng)應(yīng)力，與多維分布的殘余應(yīng)力疊加，造成塑性變形，從而降低峰值殘余應(yīng)力，同時(shí)使殘余應(yīng)力分布均化。
2.關(guān)鍵技術(shù)
將先進(jìn)、成熟的電子測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。關(guān)鍵技術(shù)包括：加速度的測(cè)量與數(shù)據(jù)采集、FFT 頻譜分析，直流電機(jī)的PWM控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)頻等。
1）控制器驅(qū)動(dòng)激振器進(jìn)行振動(dòng)，通過(guò)加速度傳感器，在1000～5000rpm 的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采集進(jìn)行傅立葉分析的數(shù)據(jù)，獲取工件的固有頻率及其諧振頻率分布。
2）對(duì)獲取的頻率自動(dòng)進(jìn)行分類、排序和選取的判據(jù)原則是：
①多振型原則；
②最大能量吸收原則；
③頻譜分析只選取范圍在16.7～200Hz 以內(nèi)的頻率，處理的激振頻率選取范圍在16.7～167.7Hz 以內(nèi)。
3）自動(dòng)選取要處理的頻率個(gè)數(shù)為3 個(gè)或3 個(gè)以上。自動(dòng)選取要處理的頻率個(gè)數(shù)最佳為5 個(gè)。
4）以最佳疲勞載荷加載原則為判據(jù)來(lái)確定所選取頻率需要處理的時(shí)間。
5）順序處理選取的頻率時(shí)，若有共振頻率，則自動(dòng)跳開(kāi)共振頻率去處理下一個(gè)頻率。
6）專家系統(tǒng)軟件作為工藝設(shè)備核心，要求具備高可靠性、操作便捷性，因此分別選擇在成熟穩(wěn)定的MSDOS 平臺(tái)和WINDOSXP 下采用TurboC2.0 語(yǔ)言編寫(xiě)，以達(dá)到內(nèi)存節(jié)約、系統(tǒng)穩(wěn)定的需求。
3.工藝流程
在毛坯狀態(tài)下、粗加工之后、半精加之后用頻譜諧波時(shí)效的方式取代原來(lái)的熱時(shí)效，以消除材料和加工之后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高尺寸精度穩(wěn)定性，防止變形開(kāi)裂。
五、主要技術(shù)指標(biāo)：
1.功能指標(biāo)：
1）最大激振力可達(dá)80kN；
2）對(duì)工件進(jìn)行傅里葉頻譜分析，找出5 個(gè)諧振頻率，2 個(gè)備用諧振頻率；
3）循環(huán)選擇頻率，同時(shí)具備加速度延時(shí)保護(hù)功能和亞共振頻率自動(dòng)過(guò)峰功能；
4）振動(dòng)參數(shù)除激振力調(diào)節(jié)保證有兩個(gè)最大振動(dòng)加速度30～70m/s2值外，其余參數(shù)選擇由振動(dòng)設(shè)備自動(dòng)完成；
5）振動(dòng)頻率為6000rpm 以下，噪音低；
6）設(shè)備的軟件操作系統(tǒng)：Windows XP。
2.硬件技術(shù)指標(biāo)
1）高速、多通道的A/D 轉(zhuǎn)換，保證了數(shù)據(jù)的高速采集和實(shí)時(shí)處理；
2）高效、嚴(yán)格的數(shù)字信號(hào)處理，無(wú)需電機(jī)從1000 轉(zhuǎn)到10000 轉(zhuǎn)進(jìn)行全程掃描，通過(guò)頻譜分析即可得到相應(yīng)的峰值，并可自動(dòng)確定最佳的振動(dòng)頻率組；
3）采用高速微處理器作為下位機(jī)，對(duì)電機(jī)具有高精度的控制能力，電機(jī)穩(wěn)頻精度為：±1rpm;
4）采用先進(jìn)穩(wěn)波控制技術(shù)，電流輸出平穩(wěn)、無(wú)電氣噪音，溫升大幅度降低，電機(jī)持續(xù)運(yùn)行可靠性和壽命高；
5）在大偏心、轉(zhuǎn)速通過(guò)亞共振峰時(shí)，可以抗擊瞬間超過(guò)30A 的過(guò)載大電流；
6）采用電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，防止信號(hào)由于外界電磁干擾造成波動(dòng)、失真的現(xiàn)象；
7）加速度值由符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)測(cè)量?jī)x在30～70m/s2范圍內(nèi)進(jìn)行校訂，保證振動(dòng)強(qiáng)度符合國(guó)軍標(biāo)《WJ2969-2008》；雙保險(xiǎn)：加裝電源濾波器和自主設(shè)計(jì)的吸收電路模塊，防止工作電源受干擾波動(dòng)時(shí)，設(shè)備造成損傷。
六、技術(shù)應(yīng)用情況：
該技術(shù)通過(guò)包頭市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)所的檢驗(yàn)。2005 年6 月，中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司和科技部聯(lián)合發(fā)文（兵科材函【2005】019 號(hào)）把頻譜諧波時(shí)效技術(shù)列入集團(tuán)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。2008 年，國(guó)家發(fā)展和改革委員中小企業(yè)司、資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)司共同下發(fā)“關(guān)于開(kāi)展頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效技術(shù)推廣活動(dòng)”的文件，支持頻譜諧波時(shí)效技術(shù)的推廣應(yīng)用。
該技術(shù)目前已在航空、航天、兵器、船舶、機(jī)床、工程機(jī)械等一些重要機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用，成為解決國(guó)防工業(yè)一些制約產(chǎn)品制造難題的關(guān)鍵技術(shù)。如：首都航天機(jī)械公司，成功解決了該公司設(shè)計(jì)的被稱為“中華第一圈”的高強(qiáng)度鋁合金圓環(huán)件（其直徑5m）機(jī)械加工過(guò)程中容易產(chǎn)生變形而引起工件精度的超差問(wèn)題，攻克了高強(qiáng)度、大直徑鋁合金構(gòu)件圓度精度差、尺寸不穩(wěn)定的技術(shù)難題。北京衛(wèi)星制造廠，將該技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船等航天器大型鑄造鎂合金、鋁合金零件，大大提高產(chǎn)品精度的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的貯存周期。
七、典型用戶及投資效益：
典型用戶：北京衛(wèi)星制造廠、中國(guó)運(yùn)載火箭研究院211 廠、北京航空材料研究院、中國(guó)兵器集團(tuán)下屬十多個(gè)工廠、齊齊哈爾第二機(jī)床廠、寶鋼集團(tuán)蘇州冶金廠、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司、阿特拉斯工程機(jī)械有限公司、成都普瑞斯數(shù)控機(jī)床有限公司、天津一機(jī)機(jī)械有限公司、沈陽(yáng)誠(chéng)偉機(jī)械制造有限公司、中國(guó)人民解放軍第7410 工廠、北京航星機(jī)器制造公司、太原礦山機(jī)器集團(tuán)有限公司冶金成套設(shè)備分公司、重慶通用工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、長(zhǎng)安汽車（集團(tuán)）有限責(zé)任公司重慶齒輪箱有限責(zé)任公司。建設(shè)規(guī)模：熱時(shí)效的工件量焊接件、鑄件共計(jì)35000t。
主要改造內(nèi)容：新增頻譜諧波時(shí)效設(shè)備10 臺(tái)套，替換原有亞共振設(shè)備及退火熱時(shí)效設(shè)備。節(jié)能技改投資額400 萬(wàn)元，建設(shè)期6 個(gè)月。年節(jié)電2660 萬(wàn)kWh，折合9310tce，年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益約1600 萬(wàn)元，投資回收期6 個(gè)月。
八、推廣前景和節(jié)能潛力：
頻譜諧波時(shí)效技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的機(jī)械制造領(lǐng)域，節(jié)能空間廣闊。目前，我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)熱時(shí)效工件總量約為3.2 億t，如果采用頻譜諧波時(shí)效方式替代傳統(tǒng)熱時(shí)效方式，每年只需消耗5 萬(wàn)tce，使用費(fèi)用不到1 億元。預(yù)計(jì)2015 年該技術(shù)能推廣到15％，形成節(jié)能能力約130 萬(wàn)tce/a。
二、適用范圍：機(jī)械行業(yè)
三、與該節(jié)能技術(shù)相關(guān)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗現(xiàn)狀：
金屬工件在鑄造、鍛壓、焊接和切削加工及使用過(guò)程中，由于內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使工件在使用中尺寸精度得不到保證，為此通常采用熱時(shí)效和自然時(shí)效消除殘余應(yīng)力。但自然時(shí)效周期長(zhǎng)，熱時(shí)效耗能高，費(fèi)用高，污染環(huán)境。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)機(jī)械制造行業(yè)采用熱時(shí)效方法消除應(yīng)力的工藝環(huán)節(jié)，年耗能800～1000 萬(wàn)tce，費(fèi)用在100 億元以上。
四、技術(shù)內(nèi)容：
1.技術(shù)原理
通過(guò)傅立葉分析尋找低次諧波，施加合適的能量在多個(gè)諧波頻率振動(dòng)，引起高次諧波累積振動(dòng)產(chǎn)生多方向動(dòng)應(yīng)力，與多維分布的殘余應(yīng)力疊加，造成塑性變形，從而降低峰值殘余應(yīng)力，同時(shí)使殘余應(yīng)力分布均化。
2.關(guān)鍵技術(shù)
將先進(jìn)、成熟的電子測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。關(guān)鍵技術(shù)包括：加速度的測(cè)量與數(shù)據(jù)采集、FFT 頻譜分析，直流電機(jī)的PWM控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)頻等。
1）控制器驅(qū)動(dòng)激振器進(jìn)行振動(dòng)，通過(guò)加速度傳感器，在1000～5000rpm 的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采集進(jìn)行傅立葉分析的數(shù)據(jù)，獲取工件的固有頻率及其諧振頻率分布。
2）對(duì)獲取的頻率自動(dòng)進(jìn)行分類、排序和選取的判據(jù)原則是：
①多振型原則；
②最大能量吸收原則；
③頻譜分析只選取范圍在16.7～200Hz 以內(nèi)的頻率，處理的激振頻率選取范圍在16.7～167.7Hz 以內(nèi)。
3）自動(dòng)選取要處理的頻率個(gè)數(shù)為3 個(gè)或3 個(gè)以上。自動(dòng)選取要處理的頻率個(gè)數(shù)最佳為5 個(gè)。
4）以最佳疲勞載荷加載原則為判據(jù)來(lái)確定所選取頻率需要處理的時(shí)間。
5）順序處理選取的頻率時(shí)，若有共振頻率，則自動(dòng)跳開(kāi)共振頻率去處理下一個(gè)頻率。
6）專家系統(tǒng)軟件作為工藝設(shè)備核心，要求具備高可靠性、操作便捷性，因此分別選擇在成熟穩(wěn)定的MSDOS 平臺(tái)和WINDOSXP 下采用TurboC2.0 語(yǔ)言編寫(xiě)，以達(dá)到內(nèi)存節(jié)約、系統(tǒng)穩(wěn)定的需求。
3.工藝流程
1.功能指標(biāo)：
1）最大激振力可達(dá)80kN；
2）對(duì)工件進(jìn)行傅里葉頻譜分析，找出5 個(gè)諧振頻率，2 個(gè)備用諧振頻率；
3）循環(huán)選擇頻率，同時(shí)具備加速度延時(shí)保護(hù)功能和亞共振頻率自動(dòng)過(guò)峰功能；
4）振動(dòng)參數(shù)除激振力調(diào)節(jié)保證有兩個(gè)最大振動(dòng)加速度30～70m/s2值外，其余參數(shù)選擇由振動(dòng)設(shè)備自動(dòng)完成；
5）振動(dòng)頻率為6000rpm 以下，噪音低；
6）設(shè)備的軟件操作系統(tǒng)：Windows XP。
2.硬件技術(shù)指標(biāo)
1）高速、多通道的A/D 轉(zhuǎn)換，保證了數(shù)據(jù)的高速采集和實(shí)時(shí)處理；
2）高效、嚴(yán)格的數(shù)字信號(hào)處理，無(wú)需電機(jī)從1000 轉(zhuǎn)到10000 轉(zhuǎn)進(jìn)行全程掃描，通過(guò)頻譜分析即可得到相應(yīng)的峰值，并可自動(dòng)確定最佳的振動(dòng)頻率組；
3）采用高速微處理器作為下位機(jī)，對(duì)電機(jī)具有高精度的控制能力，電機(jī)穩(wěn)頻精度為：±1rpm;
4）采用先進(jìn)穩(wěn)波控制技術(shù)，電流輸出平穩(wěn)、無(wú)電氣噪音，溫升大幅度降低，電機(jī)持續(xù)運(yùn)行可靠性和壽命高；
5）在大偏心、轉(zhuǎn)速通過(guò)亞共振峰時(shí)，可以抗擊瞬間超過(guò)30A 的過(guò)載大電流；
6）采用電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，防止信號(hào)由于外界電磁干擾造成波動(dòng)、失真的現(xiàn)象；
7）加速度值由符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)測(cè)量?jī)x在30～70m/s2范圍內(nèi)進(jìn)行校訂，保證振動(dòng)強(qiáng)度符合國(guó)軍標(biāo)《WJ2969-2008》；雙保險(xiǎn)：加裝電源濾波器和自主設(shè)計(jì)的吸收電路模塊，防止工作電源受干擾波動(dòng)時(shí)，設(shè)備造成損傷。
六、技術(shù)應(yīng)用情況：
該技術(shù)通過(guò)包頭市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)所的檢驗(yàn)。2005 年6 月，中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司和科技部聯(lián)合發(fā)文（兵科材函【2005】019 號(hào)）把頻譜諧波時(shí)效技術(shù)列入集團(tuán)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。2008 年，國(guó)家發(fā)展和改革委員中小企業(yè)司、資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)司共同下發(fā)“關(guān)于開(kāi)展頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效技術(shù)推廣活動(dòng)”的文件，支持頻譜諧波時(shí)效技術(shù)的推廣應(yīng)用。
該技術(shù)目前已在航空、航天、兵器、船舶、機(jī)床、工程機(jī)械等一些重要機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用，成為解決國(guó)防工業(yè)一些制約產(chǎn)品制造難題的關(guān)鍵技術(shù)。如：首都航天機(jī)械公司，成功解決了該公司設(shè)計(jì)的被稱為“中華第一圈”的高強(qiáng)度鋁合金圓環(huán)件（其直徑5m）機(jī)械加工過(guò)程中容易產(chǎn)生變形而引起工件精度的超差問(wèn)題，攻克了高強(qiáng)度、大直徑鋁合金構(gòu)件圓度精度差、尺寸不穩(wěn)定的技術(shù)難題。北京衛(wèi)星制造廠，將該技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船等航天器大型鑄造鎂合金、鋁合金零件，大大提高產(chǎn)品精度的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的貯存周期。
七、典型用戶及投資效益：
典型用戶：北京衛(wèi)星制造廠、中國(guó)運(yùn)載火箭研究院211 廠、北京航空材料研究院、中國(guó)兵器集團(tuán)下屬十多個(gè)工廠、齊齊哈爾第二機(jī)床廠、寶鋼集團(tuán)蘇州冶金廠、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司、阿特拉斯工程機(jī)械有限公司、成都普瑞斯數(shù)控機(jī)床有限公司、天津一機(jī)機(jī)械有限公司、沈陽(yáng)誠(chéng)偉機(jī)械制造有限公司、中國(guó)人民解放軍第7410 工廠、北京航星機(jī)器制造公司、太原礦山機(jī)器集團(tuán)有限公司冶金成套設(shè)備分公司、重慶通用工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、長(zhǎng)安汽車（集團(tuán)）有限責(zé)任公司重慶齒輪箱有限責(zé)任公司。建設(shè)規(guī)模：熱時(shí)效的工件量焊接件、鑄件共計(jì)35000t。
主要改造內(nèi)容：新增頻譜諧波時(shí)效設(shè)備10 臺(tái)套，替換原有亞共振設(shè)備及退火熱時(shí)效設(shè)備。節(jié)能技改投資額400 萬(wàn)元，建設(shè)期6 個(gè)月。年節(jié)電2660 萬(wàn)kWh，折合9310tce，年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益約1600 萬(wàn)元，投資回收期6 個(gè)月。
八、推廣前景和節(jié)能潛力：
頻譜諧波時(shí)效技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的機(jī)械制造領(lǐng)域，節(jié)能空間廣闊。目前，我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)熱時(shí)效工件總量約為3.2 億t，如果采用頻譜諧波時(shí)效方式替代傳統(tǒng)熱時(shí)效方式，每年只需消耗5 萬(wàn)tce，使用費(fèi)用不到1 億元。預(yù)計(jì)2015 年該技術(shù)能推廣到15％，形成節(jié)能能力約130 萬(wàn)tce/a。
