CN102260785B - 用电容器放电产生高能电脉冲的残余应力消除装置 - Google Patents

Abstract

用电容器放电产生高能电脉冲的残余应力消除装置，包括提供电源的电源输入模块，储存电能的电容器储能组，对电容器储能组进行充电的充电模块，和将电容器储能组储存的电能释放至负载的放电模块；所述的充电模块和放电模块受控于第一继电器，所述的第一继电器的线圈与一控制所述的充电模块与放电模块轮流导通、使电容器储能组先充电后放电的时序控制模块连接。本发明具有线路简单、结构紧凑、使用方便、效率高的特点。

Description

用电容器放电产生高能电脉冲的残余应力消除装置

技术领域

本发明涉及一种用电容器放电产生高能电脉冲的残余应力消除装置。

技术背景

在制造加工过程中，工件受到来自诸如焊接、铸造、热处理、切削、锻造等各种工艺因素的作用和影响，同时在装配过程中也会出现因为尺寸不协调而造成的强行装配。所有这些都会在工件内部产生不必要的残余应力，从而降低了工件的静载强度、抗疲劳强度和加速了工件的应力腐蚀过程，同时也是工件产生变形和开裂的重要影响因素。所以，如何降低或消除工件中不必要的残余应力，一直是机械制造工艺中迫切需要解决的一个关键技术问题。

常见的消除残余应力工艺有自然时效和热时效技术。自然时效依靠昼夜季节的温度变化，给工件施加反复的温度应力，长期积累使金属构件发生细微的收缩和膨胀，使金属晶格缓慢滑移，并最终达到释放残余应力的目的，但自然时效耗时长、效率低、占地面积大，并且自然时效工艺不易管理。

热时效即去应力退火法，通过将工件加热到相变温度以下，在热状态下降低工件材料的屈服极限，从而使工件材料在残余应力作用下发生屈服变形，产生应力松弛，从而降低或消除工件内部的残余应力。热时效周期较自然时效大为缩短，应用广泛，但是退火炉造价高、能耗高、占地面积大、辅助设备多、工件易氧化、劳动条件差、污染严重且不易处理大型构件或加热易受损的构件，并且热时效处理会降低材料的力学性能。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明设计了一种结构紧凑，使用方便，效率高的用电容器放电产生高能电脉冲的残余应力消除装置。

用电容器放电产生高能电脉冲的残余应力消除装置，包括提供电源的电源输入模块，储存电能的电容器储能组，对电容器储能组进行充电的充电模块，和将电容器储能组储存的电能释放至负载的放电模块；

所述的充电模块和放电模块受控于第一继电器，所述的第一继电器的线圈与一控制所述的充电模块与放电模块轮流导通、使电容器储能组先充电后放电的时序控制模块连接。

进一步，所述的电源输入模块与充电模块之间设有升压整流电路，所述的升压整流电路由与所述的电源输入模块连接的升压变压器和与所述的充电模块连接的高压硅堆桥式整流器组成。

进一步，所述的充电模块包括所述的第一继电器的一组常开触点、保护电阻、二极管、可控硅、阻容吸收电路和充电限流电阻，所述的常开触点通过保护电阻、二极管与可控硅的控制极连接，所述的阻容吸收电路与可控硅并联，所述的可控硅通过充电限流电阻与所述的电容器储能组连接；所述的阻容吸收电路由吸收电阻和吸收电容串联组成。

进一步，所述的放电模块包括所述的第一继电器的一组常闭触点，与工件接触的放电电极，和与所述的电容器储能组连接的真空接触器，以及与所述的真空接触器串联、用于调整电参数以产生脉冲电流的可调电感；调节所述的可调电感以改变所述的放电模块的电参数，并改变所述的电容器储能组放电产生高能电脉冲的形式；所述的放电电极通过夹具与工件夹紧；当常闭触点闭合时，所述的真空接触器的控制线圈得电，放电模块导通。

进一步，所述的放电模块与一测量其释放的脉冲电流的放电电流采样测量模块连接，所述的放电电流采样测量模块包括与所述的放电模块连接的互感器，放大互感器采集的脉冲电流的放大器，和显示、存储该放大后的脉冲电流信号的数字存储示波器。

进一步，所述的时序控制模块包括PWM波发生器，与所述的PWM波发生器连接的限流电阻，和与所述的第一继电器的线圈连接的三极管；当PWM波输入为高电平时，所述的三极管导通，所述的第一继电器得电，断开所述的放电模块，导通所述的充电模块，对所述的电容器储能组进行充电；当PWM波输入为低电平时，所述的三极管截止，所述的第一继电器失电，断开所述的充电模块，导通所述的放电模块，所述的电容器储能组向工件释放高能电脉冲、以消除工件的残余应力；通过调节PWM波的周期和占空比控制所述的电容器储能组的充电时间和放电时间。

进一步，所述的电容器储能组由多个高压电容器并联组成。

进一步，所述的电容器储能组与释放电容器储能组放电后的残余电能的断电自动泄荷电路连接，所述的断电自动泄荷电路受控于第二继电器，所述的断电自动泄荷电路由所述的第二继电器的常闭触点和泄荷电阻组成。

本发明的技术构思是：通过多个高压电容器并联组成电容器储能组储存电能，由PWM波充放电时序电路控制充电模块和放电模块按照预先设定的时序动作轮流触发导通，控制高压电容器储能组先进行充电，充满电后再进行放电处理，以产生高能电脉冲对工件进行消除残余应力的处理。

本发明具有线路简单、结构紧凑、使用方便、效率高的特点。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为PWM波示意图。

图3为电容器储能组对负载放电的等效回路。

图4a放电回路的衰减的振荡脉冲电流。

图4b放电回路的单调的衰减脉冲电流。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

用电容器放电产生高能电脉冲的残余应力消除装置，包括提供电源的电源输入模块1，储存电能的电容器储能组3，对电容器储能组3进行充电的充电模块4，和将电容器储能组3储存的电能释放至负载的放电模块5；

所述的充电模块4和放电模块5受控于第一继电器KM1，所述的第一继电器KM1的线圈与一控制所述的充电模块4与放电模块5轮流导通、使电容器储能组3先充电后放电的时序控制模块6连接。

所述的电源输入模块1与充电模块4之间设有升压整流电路2，所述的升压整流电路2由与所述的电源输入模块1连接的升压变压器T1和与所述的充电模块4连接的高压硅堆DG1～6组成的三相高压桥式整流器组成。

所述的充电模块4包括所述的第一继电器KM1的一组常开触点KM1-1、保护电阻R2、二极管D1、可控硅SCR、阻容吸收电路和充电限流电阻R3，所述的常开触点KM1-1通过保护电阻R2、二极管D1与可控硅SCR的控制极连接，所述的阻容吸收电路与可控硅SCR并联，所述的可控硅通过充电限流电阻R3与所述的电容器储能组3连接；所述的阻容吸收电路由吸收电阻R1和吸收电容C1串联组成。

所述的放电模块5包括所述的第一继电器KM1的一组常闭触点KM1-2，与工件接触的放电电极J1、J2，和与所述的电容器储能组3连接的真空接触器TJC，以及与所述的真空接触器TJC串联、用于调整电参数以产生合适脉冲电流的可调电感L₀；调节所述的可调电感L₀以改变所述的放电模块5的电参数，并改变所述的电容器储能组3放电产生高能电脉冲的；所述的放电电极J1、J2通过夹具与工件夹紧；当常闭触点KM1-2闭合时，所述的真空接触器TJC的控制线圈得电，放电模块5导通。

所述的放电模块5与一测量其释放的脉冲电流的放电电流采样测量模块8连接，所述的放电电流采样测量模块8包括与所述的放电模块5连接的互感器RCO，放大互感器采集的脉冲电流的放大器AP，和显示、存储该放大后的脉冲电流信号的数字存储示波器OSC。

所述的时序控制模块6包括PWM波发生器，与所述的PWM波发生器连接的限流电阻R5，和与所述的第一继电器KM1的线圈连接的三极管Q1；当PWM波输入为高电平时，所述的三极管Q1导通，所述的第一继电器KM1得电，断开所述的放电模块5，导通所述的充电模块4，对所述的电容器储能组3进行充电；当PWM波输入为低电平时，三极管Q1截止，所述的第一继电器KM1失电，断开所述的充电模块4，导通所述的放电模块5，所述的电容器储能组3对所述的工件释放高能电脉冲、以消除工件的残余应力；通过调节PWM波的周期和占空比控制所述的电容器储能组3的充电时间和放电时间。

所述的电容器储能组3由多个高压电容器CHM并联组成。

所述的电容器储能组3与释放电容器储能组3放电后的残余电能的断电自动泄荷电路7连接，所述的断电自动泄荷电路7受控于第二继电器KM2，所述的断电自动泄荷电路7由所述的第二继电器KM2的常闭触点KM2-1和泄荷电阻R4组成。

本发明的技术构思是：通过多个高压电容器CHM并联组成电容器储能组储存电能，由PWM波充放电时序电路控制充电模块4和放电模块5按照预先设定的时序动作轮流触发导通，控制高压电容器储能组3先进行充电，充满电后再进行放电处理，以产生高能电脉冲对工件进行消除残余应力的处理。

在图1中，电源输入模块1的输入端连接三相四线电源，经过保险丝由空气开关QG引入给升压整流电路2，三相四线电源的其中一相给开关电源KP供电，以产生直流电。升压整流电路2先通过三相升压变压器T1提高充电交流电源电压，再经过六个高压硅堆DG1～DG6组成的桥式整流电路进行整流，以输出高压脉动直流电。电容器储能组3由多个高压电容器CHM并联组成，用于储存电能进行放电处理。充电模块4在第一继电器KM1的一组常开触点KM1-1得电闭合后，经过保护电阻R2和二极管D1触发导通可控硅SCR，将整流后的高压脉动直流电对电容器储能组3进行恒压充电。放电模块5中，第一继电器KM1的另一组常闭触点KM1-2在失电后闭合使真空接触器TJC的线圈得电，从而触发导通真空接触器TJC，经过两个铜电极J1和J2将高能电脉冲快速释放给负载，放电模块5中的可调电感L₀用于调整放电回路的电参数，以产生脉冲电流。时序控制模块6中当PWM波输入为高电平时三极管Q1导通，使继电器KM1得电，在PWM波输入为低电平时三极管Q1截止，使继电器KM1失电，从而控制充电模块4和放电模块5按照一定的时序轮流触发导通，以控制电容器储能组3先进行充电，充满电后再进行放电处理。自动泄荷回路7受第二继电器KM2控制，当空气开关QG闭合后，第二继电器KM2得电将常闭触点KM2-1断开，从而使自动泄荷回路7不起作用，当空气开关QG断开后，第二继电器KM2失电将常闭触点KM2-1闭合，这样就能将电容器储能组3中还未释放或残留的电能通过强制与外接电阻R4接通以将其释放，防止误触电。放电电流采样测量模块8通过在放电模块中接互感器RCO，对放电模块5的脉冲电流进行采样测量，经信号放大器AP放大处理后，通过示波器OSC显示采集。

在图2中，控制充放电时序的PWM波在t₁时间内为高电平，充电模块4触发导通，使得电容器储能组3进行充电；PWM波在t₂时间内为低电平，放电模块5导通，电容器储能组3对负载进行放电；PWM波的周期T＝t₁+t₂，占空比

通过调节周期T和占空比q就可以控制电容器储能组3的充电时间t₁和放电时间t₂。

在图3中，C为放电回路的等效总电容，R是放电回路的等效总电阻，L为放电回路的等效总电感，电容器储能组3充满电后的电压值假设为U₀，充满电后通过放电开关K对负载进行放电；根据基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律和各电路元件的伏安特性，可列出放电回路方程 $\mathrm{LC}\frac{d^{2}i}{{\mathrm{dt}}^2}+\mathrm{RC}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+i=0.$

令阻尼系数

无阻尼振荡角频率

放电回路方程为

当0＜ζ＜1时，放电回路的瞬态响应是衰减的振荡过程，会产生图4a所示的衰减的振荡脉冲电流；当ζ≥1时，放电回路的瞬态响应是单调的衰减过程，会产生图4b所示的单调的衰减脉冲电流。通过调节所述的可调电感L₀来改变放电回路的阻尼系数ζ和无阻尼振荡角频率ω_n以使放电回路产生不同形式的脉冲电流，从而满足用所述的电容器储能组3放电产生高能电脉冲的需要。用电容器放电产生高能电脉冲的残余应力消除装置正是通过电容器储能组3放电产生脉冲电流来消除工件的残余应力。

本发明具有线路简单、结构紧凑、使用方便、效率高的特点。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.用电容器放电产生高能电脉冲的残余应力消除装置，其特征在于：包括提供电源的电源输入模块，储存电能的电容器储能组，对电容器储能组进行充电的充电模块，和将电容器储能组储存的电能释放至负载的放电模块；

所述的充电模块和放电模块受控于第一继电器，所述的第一继电器的线圈与一控制所述的充电模块与放电模块轮流导通、使电容器储能组先充电后放电的时序控制模块连接；

所述的放电模块包括所述的第一继电器的一组常闭触点，与工件接触的放电电极，和与所述的电容器储能组连接的真空接触器，以及与所述的真空接触器串联、用于调整电参数以产生脉冲电流的可调电感；调节所述的可调电感以改变所述的放电模块的电参数，并改变所述的电容器储能组放电产生高能电脉冲的形式；所述的放电电极通过夹具与工件夹紧；当常闭触点闭合时，所述的真空接触器的控制线圈得电，放电模块导通；

所述的放电模块的方程为                                                ，其中C为放电模块的等效总电容，R为放电模块的等效总电阻，L为放电模块的等效总电感；所述的放电模块的阻尼系数

设置为

，将无阻尼振荡角频率设置为

，放电模块的方程转换为

；当

时，放电模块产生衰减的振荡脉冲电流；当

时，放电模块产生单调的衰减脉冲电流；

所述的电源输入模块与充电模块之间设有升压整流电路，所述的升压整流电路由与所述的电源输入模块连接的升压变压器和与所述的充电模块连接的高压硅堆桥式整流器组成；

所述的充电模块包括所述的第一继电器的一组常开触点、保护电阻、二极管、可控硅、阻容吸收电路和充电限流电阻，所述的常开触点通过保护电阻、二极管与可控硅的控制极连接，所述的阻容吸收电路与可控硅并联，所述的可控硅通过充电限流电阻与所述的电容器储能组连接；所述的阻容吸收电路由吸收电阻和吸收电容串联组成；

所述的放电模块与一测量其释放的脉冲电流的放电电流采样测量模块连接，所述的放电电流采样测量模块包括与所述的放电模块连接的互感器，放大互感器采集的脉冲电流的放大器，和显示、存储该放大后的脉冲电流信号的数字存储示波器；

所述的时序控制模块包括PWM波发生器，与所述的PWM波发生器连接的限流电阻，和与所述的第一继电器的线圈连接的三极管；当PWM波输入为高电平时，所述的三极管导通，所述的第一继电器得电，断开所述的放电模块，导通所述的充电模块，对所述的电容器储能组进行充电；当PWM波输入为低电平时，所述的三极管截止，所述的第一继电器失电，断开所述的充电模块，导通所述的放电模块，所述的电容器储能组向工件释放高能电脉冲、以消除工件的残余应力；通过调节PWM波的周期和占空比控制所述的电容器储能组的充电时间和放电时间；

所述的电容器储能组由多个高压电容器并联组成；

所述的电容器储能组与释放电容器储能组放电后的残余电能的断电自动泄荷电路连接，所述的断电自动泄荷电路受控于第二继电器，所述的断电自动泄荷电路由所述的第二继电器的常闭触点和泄荷电阻组成。

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