一、技術名稱：頻譜諧波時效技術
二、適用范圍：機械行業(yè)
三、與該節(jié)能技術相關生產環(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程中，由于內部產生殘余應力，使工件在使用中尺寸精度得不到保證，為此通常采用熱時效和自然時效消除殘余應力。但自然時效周期長，熱時效耗能高，費用高，污染環(huán)境。經粗略統(tǒng)計，目前全國機械制造行業(yè)采用熱時效方法消除應力的工藝環(huán)節(jié)，年耗能800～1000 萬tce，費用在100 億元以上。
四、技術內容：
1.技術原理
通過傅立葉分析尋找低次諧波，施加合適的能量在多個諧波頻率振動，引起高次諧波累積振動產生多方向動應力，與多維分布的殘余應力疊加，造成塑性變形，從而降低峰值殘余應力，同時使殘余應力分布均化。
2.關鍵技術
將先進、成熟的電子測量技術、計算機技術和自動控制技術等結合在一起，實現(xiàn)機電一體化。關鍵技術包括：加速度的測量與數(shù)據(jù)采集、FFT 頻譜分析，直流電機的PWM控制和電機轉速的穩(wěn)頻等。
1）控制器驅動激振器進行振動，通過加速度傳感器，在1000～5000rpm 的轉速范圍內采集進行傅立葉分析的數(shù)據(jù)，獲取工件的固有頻率及其諧振頻率分布。
2）對獲取的頻率自動進行分類、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 以內的頻率，處理的激振頻率選取范圍在16.7～167.7Hz 以內。
3）自動選取要處理的頻率個數(shù)為3 個或3 個以上。自動選取要處理的頻率個數(shù)最佳為5 個。
4）以最佳疲勞載荷加載原則為判據(jù)來確定所選取頻率需要處理的時間。
5）順序處理選取的頻率時，若有共振頻率，則自動跳開共振頻率去處理下一個頻率。
6）專家系統(tǒng)軟件作為工藝設備核心，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 平臺和WINDOSXP 下采用TurboC2.0 語言編寫，以達到內存節(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效的方式取代原來的熱時效，以消除材料和加工之后產生的殘余應力，提高尺寸精度穩(wěn)定性，防止變形開裂。
五、主要技術指標：
1.功能指標：
1）最大激振力可達80kN；
2）對工件進行傅里葉頻譜分析，找出5 個諧振頻率，2 個備用諧振頻率；
3）循環(huán)選擇頻率，同時具備加速度延時保護功能和亞共振頻率自動過峰功能；
4）振動參數(shù)除激振力調節(jié)保證有兩個最大振動加速度30～70m/s2值外，其余參數(shù)選擇由振動設備自動完成；
5）振動頻率為6000rpm 以下，噪音低；
6）設備的軟件操作系統(tǒng)：Windows XP。
2.硬件技術指標
1）高速、多通道的A/D 轉換，保證了數(shù)據(jù)的高速采集和實時處理；
2）高效、嚴格的數(shù)字信號處理，無需電機從1000 轉到10000 轉進行全程掃描，通過頻譜分析即可得到相應的峰值，并可自動確定最佳的振動頻率組；
3）采用高速微處理器作為下位機，對電機具有高精度的控制能力，電機穩(wěn)頻精度為：±1rpm;
4）采用先進穩(wěn)波控制技術，電流輸出平穩(wěn)、無電氣噪音，溫升大幅度降低，電機持續(xù)運行可靠性和壽命高；
5）在大偏心、轉速通過亞共振峰時，可以抗擊瞬間超過30A 的過載大電流；
6）采用電磁屏蔽結構，防止信號由于外界電磁干擾造成波動、失真的現(xiàn)象；
7）加速度值由符合國家標準的振動測量儀在30～70m/s2范圍內進行校訂，保證振動強度符合國軍標《WJ2969-2008》；雙保險：加裝電源濾波器和自主設計的吸收電路模塊，防止工作電源受干擾波動時，設備造成損傷。
六、技術應用情況：
該技術通過包頭市產品質量計量檢測所的檢驗。2005 年6 月，中國兵器工業(yè)集團公司和科技部聯(lián)合發(fā)文（兵科材函【2005】019 號）把頻譜諧波時效技術列入集團重點推廣項目。2008 年，國家發(fā)展和改革委員中小企業(yè)司、資源節(jié)約和環(huán)境保護司共同下發(fā)“關于開展頻譜諧波振動時效技術推廣活動”的文件，支持頻譜諧波時效技術的推廣應用。
該技術目前已在航空、航天、兵器、船舶、機床、工程機械等一些重要機械制造領域應用，成為解決國防工業(yè)一些制約產品制造難題的關鍵技術。如：首都航天機械公司，成功解決了該公司設計的被稱為“中華第一圈”的高強度鋁合金圓環(huán)件（其直徑5m）機械加工過程中容易產生變形而引起工件精度的超差問題，攻克了高強度、大直徑鋁合金構件圓度精度差、尺寸不穩(wěn)定的技術難題。北京衛(wèi)星制造廠，將該技術應用于衛(wèi)星、飛船等航天器大型鑄造鎂合金、鋁合金零件，大大提高產品精度的穩(wěn)定性，延長產品的貯存周期。
七、典型用戶及投資效益：
典型用戶：北京衛(wèi)星制造廠、中國運載火箭研究院211 廠、北京航空材料研究院、中國兵器集團下屬十多個工廠、齊齊哈爾第二機床廠、寶鋼集團蘇州冶金廠、重慶齒輪箱有限責任公司、阿特拉斯工程機械有限公司、成都普瑞斯數(shù)控機床有限公司、天津一機機械有限公司、沈陽誠偉機械制造有限公司、中國人民解放軍第7410 工廠、北京航星機器制造公司、太原礦山機器集團有限公司冶金成套設備分公司、重慶通用工業(yè)（集團）有限責任公司、長安汽車（集團）有限責任公司重慶齒輪箱有限責任公司。建設規(guī)模：熱時效的工件量焊接件、鑄件共計35000t。
主要改造內容：新增頻譜諧波時效設備10 臺套，替換原有亞共振設備及退火熱時效設備。節(jié)能技改投資額400 萬元，建設期6 個月。年節(jié)電2660 萬kWh，折合9310tce，年節(jié)能經濟效益約1600 萬元，投資回收期6 個月。
八、推廣前景和節(jié)能潛力：
頻譜諧波時效技術可廣泛應用于各行業(yè)的機械制造領域，節(jié)能空間廣闊。目前，我國機械加工行業(yè)熱時效工件總量約為3.2 億t，如果采用頻譜諧波時效方式替代傳統(tǒng)熱時效方式，每年只需消耗5 萬tce，使用費用不到1 億元。預計2015 年該技術能推廣到15％，形成節(jié)能能力約130 萬tce/a。
二、適用范圍：機械行業(yè)
三、與該節(jié)能技術相關生產環(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程中，由于內部產生殘余應力，使工件在使用中尺寸精度得不到保證，為此通常采用熱時效和自然時效消除殘余應力。但自然時效周期長，熱時效耗能高，費用高，污染環(huán)境。經粗略統(tǒng)計，目前全國機械制造行業(yè)采用熱時效方法消除應力的工藝環(huán)節(jié)，年耗能800～1000 萬tce，費用在100 億元以上。
四、技術內容：
1.技術原理
通過傅立葉分析尋找低次諧波，施加合適的能量在多個諧波頻率振動，引起高次諧波累積振動產生多方向動應力，與多維分布的殘余應力疊加，造成塑性變形，從而降低峰值殘余應力，同時使殘余應力分布均化。
2.關鍵技術
將先進、成熟的電子測量技術、計算機技術和自動控制技術等結合在一起，實現(xiàn)機電一體化。關鍵技術包括：加速度的測量與數(shù)據(jù)采集、FFT 頻譜分析，直流電機的PWM控制和電機轉速的穩(wěn)頻等。
1）控制器驅動激振器進行振動，通過加速度傳感器，在1000～5000rpm 的轉速范圍內采集進行傅立葉分析的數(shù)據(jù)，獲取工件的固有頻率及其諧振頻率分布。
2）對獲取的頻率自動進行分類、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 以內的頻率，處理的激振頻率選取范圍在16.7～167.7Hz 以內。
3）自動選取要處理的頻率個數(shù)為3 個或3 個以上。自動選取要處理的頻率個數(shù)最佳為5 個。
4）以最佳疲勞載荷加載原則為判據(jù)來確定所選取頻率需要處理的時間。
5）順序處理選取的頻率時，若有共振頻率，則自動跳開共振頻率去處理下一個頻率。
6）專家系統(tǒng)軟件作為工藝設備核心，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 平臺和WINDOSXP 下采用TurboC2.0 語言編寫，以達到內存節(jié)約、系統(tǒng)穩(wěn)定的需求。
3.工藝流程
1.功能指標：
1）最大激振力可達80kN；
2）對工件進行傅里葉頻譜分析，找出5 個諧振頻率，2 個備用諧振頻率；
3）循環(huán)選擇頻率，同時具備加速度延時保護功能和亞共振頻率自動過峰功能；
4）振動參數(shù)除激振力調節(jié)保證有兩個最大振動加速度30～70m/s2值外，其余參數(shù)選擇由振動設備自動完成；
5）振動頻率為6000rpm 以下，噪音低；
6）設備的軟件操作系統(tǒng)：Windows XP。
2.硬件技術指標
1）高速、多通道的A/D 轉換，保證了數(shù)據(jù)的高速采集和實時處理；
2）高效、嚴格的數(shù)字信號處理，無需電機從1000 轉到10000 轉進行全程掃描，通過頻譜分析即可得到相應的峰值，并可自動確定最佳的振動頻率組；
3）采用高速微處理器作為下位機，對電機具有高精度的控制能力，電機穩(wěn)頻精度為：±1rpm;
4）采用先進穩(wěn)波控制技術，電流輸出平穩(wěn)、無電氣噪音，溫升大幅度降低，電機持續(xù)運行可靠性和壽命高；
5）在大偏心、轉速通過亞共振峰時，可以抗擊瞬間超過30A 的過載大電流；
6）采用電磁屏蔽結構，防止信號由于外界電磁干擾造成波動、失真的現(xiàn)象；
7）加速度值由符合國家標準的振動測量儀在30～70m/s2范圍內進行校訂，保證振動強度符合國軍標《WJ2969-2008》；雙保險：加裝電源濾波器和自主設計的吸收電路模塊，防止工作電源受干擾波動時，設備造成損傷。
六、技術應用情況：
該技術通過包頭市產品質量計量檢測所的檢驗。2005 年6 月，中國兵器工業(yè)集團公司和科技部聯(lián)合發(fā)文（兵科材函【2005】019 號）把頻譜諧波時效技術列入集團重點推廣項目。2008 年，國家發(fā)展和改革委員中小企業(yè)司、資源節(jié)約和環(huán)境保護司共同下發(fā)“關于開展頻譜諧波振動時效技術推廣活動”的文件，支持頻譜諧波時效技術的推廣應用。
該技術目前已在航空、航天、兵器、船舶、機床、工程機械等一些重要機械制造領域應用，成為解決國防工業(yè)一些制約產品制造難題的關鍵技術。如：首都航天機械公司，成功解決了該公司設計的被稱為“中華第一圈”的高強度鋁合金圓環(huán)件（其直徑5m）機械加工過程中容易產生變形而引起工件精度的超差問題，攻克了高強度、大直徑鋁合金構件圓度精度差、尺寸不穩(wěn)定的技術難題。北京衛(wèi)星制造廠，將該技術應用于衛(wèi)星、飛船等航天器大型鑄造鎂合金、鋁合金零件，大大提高產品精度的穩(wěn)定性，延長產品的貯存周期。
七、典型用戶及投資效益：
典型用戶：北京衛(wèi)星制造廠、中國運載火箭研究院211 廠、北京航空材料研究院、中國兵器集團下屬十多個工廠、齊齊哈爾第二機床廠、寶鋼集團蘇州冶金廠、重慶齒輪箱有限責任公司、阿特拉斯工程機械有限公司、成都普瑞斯數(shù)控機床有限公司、天津一機機械有限公司、沈陽誠偉機械制造有限公司、中國人民解放軍第7410 工廠、北京航星機器制造公司、太原礦山機器集團有限公司冶金成套設備分公司、重慶通用工業(yè)（集團）有限責任公司、長安汽車（集團）有限責任公司重慶齒輪箱有限責任公司。建設規(guī)模：熱時效的工件量焊接件、鑄件共計35000t。
主要改造內容：新增頻譜諧波時效設備10 臺套，替換原有亞共振設備及退火熱時效設備。節(jié)能技改投資額400 萬元，建設期6 個月。年節(jié)電2660 萬kWh，折合9310tce，年節(jié)能經濟效益約1600 萬元，投資回收期6 個月。
八、推廣前景和節(jié)能潛力：
頻譜諧波時效技術可廣泛應用于各行業(yè)的機械制造領域，節(jié)能空間廣闊。目前，我國機械加工行業(yè)熱時效工件總量約為3.2 億t，如果采用頻譜諧波時效方式替代傳統(tǒng)熱時效方式，每年只需消耗5 萬tce，使用費用不到1 億元。預計2015 年該技術能推廣到15％，形成節(jié)能能力約130 萬tce/a。
