振动时效在风电塔筒制造中的应用研究

振动时效在风电塔筒制造中的应用研究

赵立刚

中车兰州机车有限公司 甘肃 兰州 70031

   摘要：风电塔筒基础在环拼接过程中，法兰焊接存在残余应力，所以电力企业必须应用振动时必须思考相关技术要求，对振动时效工艺展开定性评价。在本文中，就对比分析了工件振动时效前后的曲线变化情况，深入了解振动时效在风电塔筒制造过程中的应用可行性与应用效果，希望借此契机降低风电生产成本，提高生产工作效率。

关键词：振动时效；风电塔筒；焊接参与应力；基础环；法兰焊接；应力措施

风电塔筒基础环在拼接过程中需要采用到法兰焊接技术方法，不过焊接环节中可能出现受热不均衡情况，导致塔筒基础环内部产生不均匀的塑性变形情况。在焊接完毕以后，也会存在大量焊接残余应力，其对于基础环的疲劳强度与抗拉强度影响较大。所以，在风电塔筒制造过程中需要了解振动时效问题，降低甚至消除焊接残余应力。

1.风电塔筒焊接残余应力产生的主要成因

风电塔筒基础环部分的焊接残余应力主要产生于基础环部分，其在法兰焊接过程中产生。具体产生成因就是风电塔通基础环内部受热应力不均匀，在焊接中焊接温度快速升高，体积膨胀。不过热影响区温度则相对偏低，严重阻碍了区域膨胀变化，结果产生压应力和拉应力。实际上，这一拉压应力伴随温度变化而不断变化，而在常温状态下，最后的应力叠加所产生的焊接应力也会相应增大[1]。

2.风电塔筒基础环消除焊接残余应力的核心思路

要消除风电塔筒基础环中的焊接残余应力，就必须分析其中所存在的诸多时效问题，比如热时效问题、振动时效、自然时效三大时效问题。这里主要谈振动时效，它主要通过设备施加振动方法来降低或均化构件内的残余应力，如此就能提高构件的整体使用强度，减小其变形尺寸，同时达到稳定尺寸精度的理想化效果。相比于传统热时效方法，它能够在较短时间内减小构件中的残余应力，且不会生锈或产生氧化层。如此看来，振动时效工艺还是相对最为简单便捷的，其适用价值更高，目前已经被电力企业风电厂所广泛应用。

3. 振动时效的基本工作原理与工艺内容

（一）基本工作原理

    振动时效的原型技术是锤击松弛法，在激振器的周期性外力作用影响下，工件会发生共振效应，而其中的金属原子错位、滑移情况等等也会相继发生，导致大量残余应力被释放出来。就振动时效的基本工作原理来看，它也属于一种典型的常温时效工艺，在这一工艺参与影响下，金属结构件中的焊接参与应力峰值会有所降低，满足分布均化基本要求，提高金属结构件的整体尺寸稳定性。

（二）主要工艺内容

在针对风电塔筒中基础环采用振动时效工艺过程中，需要了解到法兰振动效果，优化调整振动方式与工艺方法，结合法兰振动中基础环的振动效果、形状变化以及现场工作条件来确定其具体的弯曲振动方式。在批量生产过程中，必须相应制定振动时效工艺卡，结合试验内容确定振动时效中的各项工艺参数。

比如说，在判定振动时效工艺曲线过程中需要参考振动时效理论内容，确保时效构件在振动应力、参与应力共同作用条件下不会产生过大的局部塑性变形结果，同时确保其振动阻尼减小，通过减小残余应力的方法来保证振动加速度逐步稳定。一般来说，振动时效工艺中需要考虑的参数曲线主要为加速度—时间曲线，其中也要对振幅、转速、频率等等曲线指标加以分析，保证最终所判定的振动时效工艺曲线变化结果正确[2]。

4.风电塔筒基础环中的法兰振动时效工艺应用要点

风电厂需要参考具体的振动时效标准来对风电塔筒基础环采用法兰振动时效工艺，例如要分析其中的加速度—时间曲线指标。该曲线最初的初始状态表现并不稳定，在经过数分钟处理后才能进入稳定状态，此时代表振动时效工艺产生了应有功能效果。通常情况下，在应用振动前后两次后才能对法兰振动时效工艺曲线加以对比。基于要判定振动后的曲线变化情况，客观真实判定振动时效工艺效果情况。下文具体对振动时效工艺应用要点展开对比：

首先一点，时效振动工艺曲线的振幅、转速、频率升高时，其曲线峰值也会相应升高；

其次一点，时效振动工艺曲线的振幅、转速、频率降低时，其达到曲线峰值后带宽会相应向左移动；

最后一点，时效振动工艺曲线的政府、转速、频率降低时，其达到曲线峰值后带宽会相应变窄。

总结来讲，如果风电塔筒上部曲线为加速度—时间曲线，法兰振动时效工艺后续会进入到稳定状态中，此时代表振动工艺有效。在这里，也要细分振动工艺曲线，它其中包含了振动前曲线以及振动后曲线，两大曲线的变化形状不同，通过它们来判定数据变化情况。如果振动后曲线比振动前曲线峰值更高，则可以判定振动时效工艺效果明显，工艺水平较高。

5.风电塔筒基础环中的法兰振动时效工艺应用注意事项

在风电塔筒基础环现场施工中，法兰振动时效工艺的应用注意事项较多。首先，必须对工艺整体流程加以改进，积极采用振动时效工艺内容。可以考虑采用弹性橡胶垫将工件与地面完全隔开，确保橡胶垫能够起到支撑稳固作用，做好至少3点支撑，如此才能将振动时效仪器设备评分放在激荡器位置，同时固定在构件以上，建立与控制器之间的连接关系，确保传感器大量正常收集数据内容。

在分析振动时效工艺应用过程中，需要考量的关键参数点就包括了支撑点、振型、激振点以及抬振点等等。同时也要分析其中的加速度、时间与频率内容，结合振动加速度、共振频率、共振时间等等来分析振动时效工艺参数结果。在这里，最好参考国家相关标准规定，配合参数曲线观测法来客观评定振动时效工艺效果内容。就目前看来，风电厂中风电塔筒所采用的是液晶交流振动时效设备，它具有高速变频伺服功能，在动态跟踪残余应力变化方面表现出色，消除率整体偏高。在设计规划振动时效工艺曲线过程中就需要分析标准判定技术内容，满足振动时效效果变化情况[3]。

总结：

   目前采用振动时效工艺可以有效解决风电塔筒基础环中的法兰焊接残余应力问题，全面提高风电塔筒的整体构建稳定性，同时也解决焊接接头的疲劳强度过高问题，延长塔筒使用寿命。

参考文献：

[1] 何文华. 振动时效技术在冶金机械上的运用分析[J]. 冶金与材料,2022,42(3):133-135.

[2] 宋启传,李念强. 基于LabVIEW的振动时效控制及管理系统[J]. 工业控制计算机,2022,35(7):30-31,34.

[3] 董治收. 振动时效技术在辊压机轴承座制造中的应用[J]. 水泥技术,2022(1):53-56.