阅读说明：本技术 一种扶梯驱动主轴热扭振复合时效方法及装置 (Thermal torsional vibration composite aging method and device for escalator driving main shaft ) 是由 姜银方 孙有为 刘新 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种扶梯驱动主轴热扭振复合时效方法及装置。该方法结合了传统的热时效与振动时效工艺,通过对扶梯驱动主轴焊接接头残余应力所在的焊缝及焊趾区附近进行局部加热,会使该处的屈服强度降低,高应力区更容易发生屈服；高温状态下,材料位错运动的热激活能降低,更容易发生滑移。同时,本发明使用扭转振动替代传统的弯曲振动,使动应力能够更加均匀有效地施加在环形焊接接头上。在这几种因素的共同作用下,可以提高振动时效的消除残余应力效果,从而使材料内部的内应力得以松弛和均化,提高疲劳性能。(The invention provides a thermal torsional vibration compound aging method and device for a driving main shaft of an escalator. The method combines the traditional thermal aging and vibration aging processes, and the weld joint and the weld toe area where the residual stress of the escalator drive spindle welding joint is located are locally heated, so that the yield strength of the weld joint and the weld toe area is reduced, and the high-stress area is easier to yield; under the high temperature state, the thermal activation energy of the dislocation motion of the material is reduced, and the slippage is easier to occur. Meanwhile, the torsional vibration is used for replacing the traditional bending vibration, so that the dynamic stress can be more uniformly and effectively applied to the annular welding joint. Under the combined action of the factors, the residual stress eliminating effect of the vibration aging can be improved, so that the internal stress in the material is relaxed and homogenized, and the fatigue performance is improved.)

一种扶梯驱动主轴热扭振复合时效方法及装置

技术领域

本发明属于焊接工艺后处理技术领域，一种利用热和扭转振动的复合效应消除残余应力的方法，用于焊接接头残余应力的减小与均化。本发明特别涉及一种扶梯驱动主轴热扭振复合时效方法及装置。

背景技术

自动扶梯是车站、商场、地铁等公共场所中必不可少的交通工具，它不仅极大地缓解繁忙的交通压力，而且能为社会带来极大的便捷。但随着自动扶梯数量日益增多，近年各地自动扶梯危险事故呈上升趋势。据统计，30％的扶梯安全事故是由于扶梯驱动系统中零件或部件的磨损，变形，失效甚至断裂导致。

扶梯驱动主轴是自动扶梯驱动系统的核心部件，它主要将来自曳引机的动力传递至两端梯级链轮，梯级链轮再带动梯级沿导轨运动，运输乘客。扶梯驱动主轴由主轴和两个链轮通过焊接工艺装配在一起。扶梯工作时，由于焊接处应力集中和存在残余应力的现象，扶梯在不同工况情况下及启停中，主轴与链轮焊接接头承受循环扭力载荷，长时间运行后造成疲劳失效，导致一边链轮与主轴脱落，失去动力，造成扶梯逆行甚至梯级塌陷。行业内普遍采用热时效和弯曲振动时效进行焊后残余应力的减小和均化处理。

热时效是指通过对工件进行加热、保温以及冷却处理，使材料在温度场的作用下将残余应力释放、降低和均化。然而这种工艺存在周期长、成本高、污染大和温度控制不当易产生二次应力的问题。

振动时效通常是指通过振动工件产生动应力，当其与残余应力叠加超过材料屈服极限时，材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化。然而常用的振动时效方式是弯曲振动时效，即在工件上施加直线方向的简谐运动，适用于一些板型焊接件。扶梯驱动主轴的焊接接头为环形焊接接头，如果使用这种振动方式，激振动应力不能够有效且均匀地施加在焊接接头一周上，导致振动处理的效果不佳。同时，驱动主轴环形焊接接头焊接高度较大，单纯地振动时效对于其焊后残余应力的去除效果并不好。

目前采用的扭振激振器有机械式曲柄连杆激振器、电磁激振器、气动激振器、液压激振器，然而这些激振器结构复杂，可靠性不高，价格昂贵，维修成本高，实施困难，难以普及使用。

专利CN109127344A公开了一种扭振激励装置，利用线性激振器产生线振动，并利用周转轮系将线振动转化为扭转振动，最终通过联轴器件输出扭振，实现模拟扭转振动的效果，但是这种方法通过周转齿轮系传递高频扭转振动，齿轮系长时间承受较高的循环载荷，容易出现疲劳失效，可靠性不高。同时，由于激振器需要随着行星轮旋转，激振器接线时需要用到集电环，导致设备的成本高，结构复杂，维修困难。

专利CN206583600U公开了一种凸轮冲击式交变力矩加载装置，利用两个凸轮产生的偏心力加载在悬臂上产生的力矩，使得转轴受到扭转激励。然而这个装置使用了两个单独控制的电机来带动凸轮旋转，且没有伺服和反馈装置控制两个电机的运动，如果两个凸轮相位差出现误差，不是180°，会导致产生的扭转激振力减小，甚至无法产生扭转振动。

专利CN104032125A公开了一种交变扭矩激发横扭耦合共振振动时效方法，扭振电机输出的交变扭矩作为外部激励力矩带动高刚度转轴旋转,交变扭矩将激发同频率的横向振动,同时激起数值为电机旋转频率与交变扭矩频率之和或差的另一方向横向振动,当交变扭矩频率等于高刚度转轴某阶扭转固有频率时将激发扭转共振,此时横向振动与扭转振动加强,高刚度转轴发生横扭耦合共振,产生相应的动应力消除高刚度转轴的残余应力。然而，这种方法采用的扭振电机价格高昂，且产生的扭转激振力有限，大小难以控制，扶梯驱动主轴的焊接接头焊高较高，这种方法产生的动应力对其残余应力的去除效果有限。同时，装置产生的横向振动可能会影响链轮和主轴的垂直度，影响其端面跳动误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种扶梯驱动主轴热扭振复合时效方法及装置。该方法结合了传统的热时效与振动时效工艺，通过对峰值残余应力所在的焊缝区附近进行局部加热，会使该处的屈服强度降低，高应力区更容易发生屈服；高温状态下，材料位错运动的热激活能降低，更容易发生滑移。同时，本发明使用扭转振动替代传统的弯曲振动，使动应力能够更加均匀有效地施加在环形焊接接头上。在这几种因素的共同作用下，可以提高振动时效的消除残余应力效果，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化，提高疲劳性能。

本发明的技术方案是：为了实现上述目的，本发明的方法即在扶梯驱动主轴环形焊接接头处同时引入热和扭转振动，使动应力能够更加均匀有效地施加在环形焊接接头上，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化，提高疲劳性能。

一种扶梯驱动主轴热扭振复合时效装置，包括扭振组件、加热组件和支撑组件；

所述扭振组件包括振子本体、电机带轮、电机、振子带轮、带轮轴、第一轴承、偏心块、第一定位销和应变片；所述电机安装在机架上，电机带轮和振子带轮通过皮带传动，两个所述偏心块通过螺栓安装在带轮轴上，且相位差180°安装，第一定位销通过焊接固定在振子本体上，所述第一定位销用来连接固定安装在驱动主轴一端上的链轮；应变片安装在驱动主轴焊接接头处，并与动态应变仪连接；

所述加热组件包括加热陶瓷片和夹具；所述夹具用以固定加热陶瓷片，加热陶瓷片与外部温控系统连接；

所述支撑组件包括固定机架、第二轴承、第三轴承、可移动机架、第二定位销、滑槽、锥形定位柱和缓冲限位开关；所述振子本体通过第二轴承、第三轴承装配在固定机架上，可移动机架安装在滑槽内，可实现横向的移动和固定，第二定位销通过焊接固定在可移动机架上，第二定位销用在连接固定在驱动主轴另一端上的链轮；所述缓冲限位开关安装在固定机架上，用来限制振子本体的转动角度。

进一步的，所述偏心块为圆盘，带轮轴不过圆盘中心。

进一步的，所述夹具为两个半圆拼接而成，通过螺栓连接。

进一步的，所述振子本体为圆环形凸起，且圆环形凸起的凸起结构两侧均设置有所述限位开关。

进一步的，电机带轮和振子带轮通过皮带传动，传动比为1:1。

进一步的，所述链轮焊接在驱动轴的两端。

进一步的，振子本体扭转幅度超过±5°时，缓冲限位开关会切断电源，用作空载保护。

一种扶梯驱动主轴热扭振复合时效方法，包括如下步骤：

S1.将扶梯驱动主轴通过其一端的链轮上的孔和振子本体的第一定位销安装；

S2.调节移动机架，使其上第二定位销能够与驱动主轴另一端的链轮上的孔配合，并且保证锥形定位柱能与驱动主轴紧密接触，然后锁死移动机架，将应变片安装在驱动主轴靠近扭振装置一端的焊接接头处；

S3.初步选用偏心块，安装在带轮轴的两端，开启扫频功能，扫频区间为40-60Hz，获取驱动主轴的扭转固有频率f₀，并记录下共振时应变片的应力值σ₀；

S4.根据获得的共振频率f₀及应变片应力值σ₀，计算所需的偏心距选择质量矩≤mr₀的最大偏心块，并使用螺栓安装在带轮轴上，此时装置提供的最大交变扭矩幅值为3.2×π²f₀ ²rm₀；

S5.取下应变片，使用夹具将加热陶瓷片固定在扶梯驱动主轴靠近扭振组件的一对焊接接头上，使其不会滑落；

S6.设置加热装置温度，并开启，使其对焊接接头进行加热，加热完毕到达设置温度后，继续进行一段时间保温处理；

S7.保持加热装置开启，设置电机转速为60f₀，并开启电机，使装置对驱动主轴一端的焊接接头进行热扭振复合时效处理，处理时间为5～10分钟；

S8.处理完毕后，将驱动主轴换一个方向安装，使其另一对焊接接头靠近扭振组件，重复上述S5-S7步骤，参数设置不变，对另一对焊接接接头进行热扭振复合时效处理。

进一步的，所述步骤S6中，加热温度为150℃～200℃，达到设置温度后保温的时间为5～8min。

上述方案中，所述步骤S4中，偏心块的质量矩为0.02-0.1kgm，带轮轴的长度总长为1000mm，其上100，900mm处有螺纹孔，用于和偏心块装配，当电机转速为2400rpm(40Hz)时，装置可提供1010Nm～5050Nm的激振扭矩，在电机转速为3600rpm(60Hz)时，装置可提供2270Nm～11370Nm的激振扭矩，当装置空载时，不可启动装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在扶梯驱动主轴环形焊接接头处同时引入热和扭转振动。高温状态下，材料位错运动的热激活能降低，更容易发生滑移。同时，本发明使用扭转振动替代传统的弯曲振动，使动应力能够更加均匀有效地施加在环形焊接接头上。在这几种因素的共同作用下，可以提高振动时效的消除残余应力效果，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化，可以消除50％以上的焊接接头区域残余应力，提高疲劳性能。

附图说明

图1为扶梯驱动主轴热扭振复合时效装置结构俯视示意图；

图2为扶梯驱动主轴热扭振复合时效装置结构主视示意图；

图3为扶梯驱动主轴热扭振复合时效装置结构左视示意图；

图4为扶梯驱动主轴热扭振复合时效装置加热陶瓷片及夹具示意图；

图5为扶梯驱动主轴热扭振复合时效装置的传动图；

图6为对实施例所描述的驱动主轴进行热扭振复合时效处理时，焊接接头部位前0.6s的旋转振动幅曲线；

附图标记如下：

1-振子本体；2-电机带轮；3-电机；4-固定机架；5-第二轴承；6-振子带轮；7-带轮轴；8-第一轴承；9-偏心块；10-第三轴承；11-第一定位销；12-驱动主轴；13-第二定位销；14-锥形定位柱；15-可移动机架；16-滑槽；17-陶瓷片；18-夹具；19-焊接接头；20-应变片；21-缓冲限位开关；22-链轮。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的

本发明结合了传统的热时效与振动时效工艺，通过对峰值残余应力所在的焊缝区附近进行局部加热，会使该处的屈服强度降低，高应力区更容易发生屈服；高温状态下，材料位错运动的热激活能降低，更容易发生滑移。同时，本发明使用扭转振动替代传统的弯曲振动，使动应力能够更加均匀有效地施加在环形焊接接头上。在这几种因素的共同作用下，可以提高振动时效的消除残余应力效果，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化，提高疲劳性能。

一种扶梯驱动主轴热扭振复合时效装置，包括扭振组件，加热组件及支撑组件。

所述扭振组件包括振子本体1，电机带轮2，电机3，振子带轮6，带轮轴7，第一轴承8，偏心块9，定位销11，应变片20，电机3安装在机架上，本装置负载时，振子扭转振动振幅较小，因此电机带轮2和振子带轮6通过皮带传动，传动比为1:1，两个偏心块9通过螺栓安装在带轮轴7上，且相位差180°安装，定位销11通过焊接固定在振子本体1上，应变片20安装在驱动主轴12焊接接头附近，并与动态应变仪连接；

所述加热组件包括加热陶瓷片17，夹具18，夹具18用以固定加热陶瓷片17，陶瓷片17与外部温控系统连接，夹具18为两个半圆拼接而成，通过螺栓连接，拆卸方便；

所述支撑组件包括固定机架4，第二轴承5，第三轴承10，可移动机架15，定位销13、滑槽16、锥形定位柱14，缓冲限位开关21，固定机架4和振子本体1通过第二轴承3，第三轴承10装配，可移动机架15安装在滑槽16内，可实现横向的移动和固定，定位销13通过焊接固定在可移动机架15上，缓冲限位开关21安装在固定机架4上，用于限制振子本体的振幅，当振子扭转幅度超过±5°时，装置会切断电源，用作空载保护，缓冲限位开关选用阻尼较大的型号；

上述扭振组件，加热组件及支撑组件通过控制系统相互连接，带有扫频功能；

上述方案中，偏心块9旋转时产生的离心力作用在带轮轴7上形成扭矩，扭矩通过振子本体1传递到驱动主轴12上，对驱动主轴12产生扭转交变激振力，同时在加热陶瓷片17的热作用下，材料的屈服强度降低，更容易产生塑性变形，同时材料位错运动的热激活能降低，更容易发生滑移，使动应力能够更加均匀有效地施加在驱动主轴12环形焊接接头上，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化，提高疲劳性能，由于靠近扭振组件一端的焊接接头处扭振幅大于另一端焊接接头，因此本装置需分两次对两端的焊接接头分别处理。

本发明提供一种扶梯驱动主轴热扭振复合时效方法具体实施过程如下:

S1.将扶梯驱动主轴12通过其链轮上的孔和固定机架上4的定位销11安装；

S2.调节移动机架15，使其上定位销13能够与驱动主轴12链轮上的孔配合，并且保证锥形定位柱能够与扶梯驱动主轴12紧密接触，然后锁死移动机架15，将应变片20安装在驱动主轴12靠近扭振装置一端的焊接接头附近；

S3.初步选用质量矩为0.02kgm的偏心块9，安装在带轮轴上，开启扫频功能，扫频区间为40-60Hz，获取驱动主轴12的扭转固有频率f₀，并记录下共振时应变片的应力值σ₀；

S4.根据获得的共振频率f₀及应变片应力值σ₀，计算所需的偏心距选择质量矩≤mr₀的最大偏心块9，并使用螺栓安装在带轮轴7上，此时装置提供的最大交变扭矩幅值为3.2×π²f₀ ²rm₀；

S5.取下应变片，使用加热夹具18将加热陶瓷片17固定在扶梯驱动主轴12靠近扭振组件的一对焊接接头上，使其不会滑落；

S6.设置加热装置温度为150℃～200℃，并开启，使其对焊接接头进行加热，加热完毕到达设置温度后，继续进行5min～8min保温处理；

S7.保持加热装置开启，设置电机2转速为60f₀，并开启电机，使装置对驱动主轴12一端的焊接接头进行热扭振复合时效处理，处理时间为5-10分钟；

S8.处理完毕后，将驱动主轴12换一个方向安装，使其另一对焊接接头靠近扭振组件，重复上述S5-S7步骤，参数设置不变，对另一对焊接接接头进行热扭振复合时效处理。

3.根据权利要求2所述的扶梯驱动主轴热扭振复合时效方法，其特征在于，所述步骤S4中，偏心块9的质量矩为0.02-0.1kgm，带轮轴7的长度总长为1000mm，其上100，900mm处有螺纹孔，用于和偏心块9装配，当电机2转速为2400rpm(40Hz)时，装置可提供1010Nm～5050Nm的激振扭矩，在电机2转速为3600rpm(60Hz)时，装置可提供2270Nm～11370Nm的激振扭矩，当装置空载时，不可启动装置。

固定机架4和振子本体1通过第二轴承3，第三轴承10装配，可移动机架15安装在滑槽16内，可实现横向的移动和固定，第二定位销13通过焊接固定在可移动机架15上，缓冲限位开关21安装在固定机架4上，用于限制振子本体的振幅，当振子扭转幅度超过±5°时，装置会切断电源，用作空载保护，缓冲限位开关21应选用阻尼较大的型号；

上述扭振组件，加热组件及支撑组件通过控制系统相互连接，带有扫频功能；

上述方案中，偏心块9旋转时产生的离心力作用在带轮轴7上形成扭矩，扭矩通过振子本体1传递到驱动主轴12上，对驱动主轴12产生扭转交变激振力，同时在加热陶瓷片17的热作用下，材料的屈服强度降低，更容易产生塑性变形，同时材料位错运动的热激活能降低，更容易发生滑移，使动应力能够更加均匀有效地施加在驱动主轴12环形焊接接头上，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化，提高疲劳性能，由于靠近扭振组件一端的焊接接头处扭振幅大于另一端焊接接头，因此本装置需分两次对两端的焊接接头分别处理。

本方法结合了传统的热时效与振动时效工艺，通过对峰值残余应力所在的焊缝区附近进行局部加热，会使该处的屈服强度降低，高应力区更容易发生屈服，高温状态下，材料位错运动的热激活能降低，更容易发生滑移，同时，本发明使用扭转振动替代传统的弯曲振动，使动应力能够更加均匀有效地施加在环形焊接接头上，在这几种因素的共同作用下，可以提高振动时效的消除残余应力效果，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化，提高疲劳性能，具体包括以下步骤：

S1.将扶梯驱动主轴12通过其链轮上的孔和固定机架上4的第一定位销11安装；

S2.调节移动机架15，使其上第二定位销13能够与驱动主轴12链轮上的孔配合，并且保证锥形定位柱能够与扶梯驱动主轴12紧密接触，然后锁死移动机架15，将应变片20安装在驱动主轴12靠近扭振装置一端的焊接接头附近；

S3.初步选用质量矩为0.02kgm的偏心块9，安装在带轮轴上，开启扫频功能，扫频区间为40-60Hz，获取驱动主轴12的扭转固有频率f₀，并记录下共振时应变片的应力值σ₀；

S4.根据获得的共振频率f₀及应变片应力值σ₀，计算所需的偏心距选择质量矩≤mr₀的最大偏心块9，并使用螺栓安装在带轮轴7上，此时装置提供的最大交变扭矩幅值为3.2×π²f₀ ²rm₀；

S5.取下应变片，使用加热夹具18将加热陶瓷片17固定在扶梯驱动主轴12靠近扭振组件的一对焊接接头上，使其不会滑落；

S6.设置加热装置温度，并开启，使其对焊接接头进行加热，加热完毕到达设置温度后，继续进行一段时间保温处理；

S7.保持加热装置开启，设置电机2转速为60f₀，并开启电机，使装置对驱动主轴12一端的焊接接头进行热扭振复合时效处理，处理时间为5-10分钟；

S8.处理完毕后，将驱动主轴12换一个方向安装，使其另一对焊接接头靠近扭振组件，重复上述S5-S7步骤，参数设置不变，对另一对焊接接接头进行热扭振复合时效处理。

其中，所述步骤S6中，加热温度优选值为150℃～200℃，达到设置温度后保温的时间优选值为5～8min。

实施例：

对直径为长1000mm，焊接高度为a6的扶梯驱动主轴进行热扭振复合时效处理。使用悬臂吊将扶梯驱动主轴12通过其链轮上的孔和固定机架上4的定位销11安装。调节移动机架15，使其上定位销13能够与驱动主轴12链轮上的孔配合，并且保证锥形定位柱能够与扶梯驱动主轴12紧密接触，然后锁死移动机架15，并将应变20片安装在驱动主轴12靠近扭振装置一端的焊接接头附近；初步选用质量矩为0.02kgm的偏心块9，安装在带轮轴上，开启扫频功能，获取驱动主轴12的扭转固有频率为f₀＝52.5Hz，并记录下共振时应变片的应力值σ₀＝78MPa；计算所需的偏心距选择质量矩为0.03kgm的偏心块，并使用螺栓安装在带轮轴上，此时装置提供的最大交变扭矩幅值为2610Nm；取下应变片，使用加热夹具18将加热陶瓷片17固定在扶梯驱动主轴12靠近扭振组件的一对焊接接头上，使其不会滑落；设置加热装置温度为150℃，并开启，使其对焊接接头进行加热，加热完毕到达设置温度后，继续进行5min保温处理；保持加热装置开启，设置电机2转速为n＝52.5×60＝3150r/m，并开启电机，使装置对驱动主轴12一端的焊接接头进行热扭振复合时效处理，处理时间为8钟；处理完毕后，将驱动主轴12换一个方向安装，使其另一对焊接接头靠近扭振组件，重复上述步骤，参数设置不变，对另一对焊接接接头进行热扭振复合时效处理。焊接接头部位前0.6s的旋转振动幅曲线如图3所示，其旋转振幅角度峰值约为1.2°，旋转位移峰值约为1.63mm。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。