一种具有能量回收功能的矫平装置及其方法

1.本发明属于焊接变形矫平技术领域，具体涉及一种具有能量回收功能的矫平装置及其方法。


背景技术：

2.目前，在船舶与海洋工程中，大型结构件主要采用熔焊工艺连接，焊接电弧对钢材的不均匀的局部加热，必然会导致大型结构件产生应力和形变。因此，在生产过程中普遍采用火焰矫正的方法消除大型结构件中的应力和应变。火焰矫正利用了金属热胀冷缩的物理特性，采用火焰局部加热金属，热膨胀部分受周围冷金属的制约，不能自由变形，而产生压塑性变形，冷却后压塑性变形残留下来，引起局部收缩，即在被加热处产生积聚力，使金属构件变形获得矫正。但是，火焰矫正是一门较难操作的工作，方法掌握、温度控制不当还会造成构件新的更大变形，对操作者的经验要求较高，并且加热过程中会产生有毒气体，对环境和操作工人的身体健康危害较大。另外水火矫正的劳动强度高、环境差，愿意从事此行业的人员越来越少。
3.电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，它利用高频电加热原理，将交流电转化为高频电流，产生高频磁场，当磁场内磁力线通过绝缘板作用在铁质容器外壳时，磁力线被切割，产生大量小涡流，使铁质容器的自身迅速发热，从而达到加热的目的。这种技术具有清洁、高效、易于操作等优点，因此在工业领域有广泛的应用前景，但市场占有率不是很高，究其原因就是因为该技术在实现的过程中，功率较大，损耗较高，不利于实现节能减排的目标。
4.中国专利(202110031588.7)公开了一种一种智能移动式电磁感应矫平设备及其方法，中国专利(201721653101.4)公开了一种感应加热校平机移动加热器，这两个中国专利都采用了电磁感应加热技术对钢板的焊接变形区域进行矫平工作，即利用高频电加热原理，将交流电转化为高频电流，产生高频磁场，从而在钢板的焊接变形区域产生涡流，实现电磁感应加热的目的；中国专利(202110386221.7)公开了一种船板焊接变形自动感应矫平集成方法，在使用电磁感应加热矫平船板的基础上，通过agv小车识别工作区域，进而规划agv小车进行电磁感应加热矫平的路线，达到自动化矫平的效果。但是，上述技术均是基于电磁感应技术为基础，实现自动化矫平，但未能克服电磁感应加热技术耗电量大、损耗较大、效率低的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有能量回收功能的矫平装置及其工作方法。本发明可在矫平焊缝的过程中将冷水机散热产生的风能转化成电能，实现为矫平装置中的移动加热小车供电的目的，从而提高矫平装置对能源的利用效率。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
7.本发明的一种具有能量回收功能的矫平装置，包括电气连接的矫平机和能量回收
装置；矫平机通过电磁感应加热原理对矫平区域进行作业，能量回收装置收集矫平机在工作过程中产生的风能并将其转化成电能，供矫平机的移动加热小车使用；
8.所述的矫平机，包括变频电源、冷水机、移动加热小车；冷水机通过第一水管组件与变频电源相连，变频电源通过第二水管组件与移动加热小车相连；变频电源装在冷水机的上方，通过第一电线组件提供冷水机所需的电源，用于将输入的电流转化成高频高压的形式，通过第二电线组件传输到移动加热小车内；变频电源内部设有嵌入式片上系统，用于控制能量回收装置、冷水机和移动加热小车；移动加热小车中安装有同轴变压器和电磁感应加热线圈，同轴变压器用于将变频电源输入的电流降低至安全电压范围内，电磁感应加热线圈通过电磁感应原理进行矫平作业；冷水机用于转移变频电源和移动加热小车中的热量；
9.所述的能量回收装置，包括安装在冷水机前侧的发电部分和安装在矫平机的移动加热小车上的电流转化部分。
10.进一步的，所述的能量回收装置的发电部分，包括发电装置外壳、叶轮、框架、增速齿轮箱、制动器、发电机；叶轮通过轴承安装在发电机外壳上；发电装置外壳安装在框架具有“十”字一侧的中心位置；发电机安装在发电装置外壳的内部，通过制动器和增速器与叶轮相连。
11.具体的，所述的能量回收装置的电流转化部分，包括整流器、蓄电池、逆变器；蓄电池安装在矫平机的移动加热小车的上面，整流器和逆变器分别安装在蓄电池的两侧。所述的整流器，采用三相y型接法：电流经a端流入，经过晶闸管vs1、电阻r和晶闸管vs2，从c端流出；从b端流入，经过晶闸管vs3、电阻r和晶闸管vs4，从c端流出；电流从c端流入，经过晶闸管vs5、电阻r和晶闸管vs6，从b端流出；采用双窄脉冲或宽脉冲触发，其移相范围为0
°
至120
°
，最大导通角为120
°
。
12.具体的，所述的逆变器，在纯电阻负载下，二极管d1、d2、d3、d4、d5和d6不导通；当开关t1、t5、t6导通时，r1和r3并联，电流从正极流出，同时流经电阻r1和r3，再流经电阻r2和开关t6，最后流入负极；当开关t1、t2、t6导通时，r2和r3并联，电流从正极流出，流经电阻r1后，一路经过电阻r2和开关t6后，流入负极，另一路经过电阻r3和开关t2后，流入负极；当开关t1、t2、t3导通时，r1和r2并联，电流从正极流出，同时流经电阻r1和r2，再流经电阻r2和开关t2，最后流入负极；当开关t2、t3、t4导通时，r1和r3并联，电流从正极流出，流经电阻r2后，一路经过电阻r3和开关t2后，流入负极，另一路经过电阻r1和开关t4后，流入负极；当开关t3、t4、t5导通时，r2和r3并联，电流从正极流出，同时流经电阻r和r3，再流经电阻r1和开关t4，最后流入负极；当开关t4、t5、t6导通时，r1和r2并联，电流从正极流出，流经电阻r3后，一路经过电阻r1和开关t4后，流入负极，另一路经过电阻r2和开关 t6后，流入负极。
13.具体的，所述的变频电源单独封装，设置在冷水机的外侧上方。
14.进一步的，所述的变频电源内部的嵌入式系统，按以下方式控制能量回收装置的蓄电池的充电过程和放电过程：当能量回收装置的蓄电池电量充足时，直接供矫平机的移动加热小车使用；当电量不充足时，矫平机变频电源内部的嵌入式系统直接为矫平机的移动加热小车供电。
15.本发明的一种具有能量回收功能的矫平方法，包括以下步骤：
16.步骤一、接上电源，启动矫平机，旋转变频电源的旋钮，变频电源开启；
17.步骤二、按下变频电源上的按钮，启动冷水机；
18.步骤三、将矫平机推到需要工作的区域，启动加热功能，高频交流电流通过传输线路传输到变频电源中，电流经变频转化后，传输至移动加热小车，移动加热小车通过电磁感应加热原理进行矫平作业；
19.步骤四、冷水机开始工作，在蒸发器内通过水循环将矫平机的变频电源和移动加热小车散发出的温度传递到制冷剂中，制冷剂在冷凝器内释放热量后，回到蒸发器内，完成制冷剂循环和整个散热过程；
20.步骤五、能量回收装置开始采集冷水机的在散热过程中产生的风能，通过发电机转化成三相交流电，通过整流器转成直流电，存储在蓄电池中；
21.步骤六、当焊缝矫平后，移动加热小车移动到下一个区域进行矫平工作；当蓄电池电量较少时，嵌入式片上系统直接通过变频电源供电，让移动加热小车正常工作；当蓄电池电量充足时，嵌入式片上系统控制能量回收装置，为移动加热小车提供电源；
22.步骤七、当整个区域的矫平工作结束时，旋转变频电源上的旋钮，断开电源，关闭整个装置，并且将冷水机内的水排出。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
24.1.本发明的一种具有能量回收功能的矫平装置，可以收集和存储矫平机在进行矫平作业时产生的风能，并将其转化成电能供移动加热小车使用，减少矫平装置在工作过程中的能量损失，提高能量的利用率。
25.2.本发明采用能量回收装置，可以将回收的能量转化成电能存储在蓄电池内，供移动加热小车使用；当蓄电池电量不足时，变频电源可以直接为其供电，保证移动加热小车正常运行，从而增加矫平装置的安全性和可靠性。
26.3.本发明采用的能量回收装置，结构简单，在提高能量利用率的同时，方便检查与维修。
27.4.本发明将变频电源置于冷水机的上面，可以防止冷水机内部的温度对变频电源产生影响，同时也可避免冷水机因漏水对变频电源造成的安全隐患。
28.5.本发明的能量回收装置，采用圆筒状的框架，可减少风能的扩散方向，增强风能的利用效率。
附图说明
29.图1为本发明的一种实施例的矫平装置的结构前侧示意图。
30.图2为本发明的一种实施例的矫平装置的结构后侧示意图。
31.图3为本发明的一种实施例的冷水机的结构示意图。
32.图4(a)、(b)、(c)为本发明的一种实施例的能量回收装置的结构示意图。
33.图5为本发明的一种实施例的整流器的原理图。
34.图6为本发明的一种实施例的逆变器的原理图。
35.图7为本发明的一种具有能量回收功能的矫平装置的工作流程图。
36.其中，矫平机10，变频电源11，冷水机12，移动加热小车13，发电装置外壳21，叶轮 22，框架23，轴承24，增速齿轮箱25，制动器26，发电机27，整流器28，蓄电池29，逆变器210，第一电线组件31，第一水管组件32，第二电线组件33，第二水管组件34。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
38.如图1所示，本发明的一种具有能量回收功能的矫平装置，包括矫平机10和能量回收装置。矫平机10通过电磁感应加热原理对待矫平区域进行作业，能量回收装置收集矫平机10 在工作过程中产生的风能，将其转化成电能后，供矫平机10的移动加热小车13使用；矫平机10与能量回收装置采用电气连接，能量回收装置包括安装在冷水机12前侧的发电部分和安装在矫平机10的移动加热小车13上的电流转化部分，用于收集冷水机12产生的风能，并将其转化成电能；如图7所示，本发明的一种具有能量回收功能的矫平装置的系统工作结构框图。矫平机变频电源11内部的嵌入式系统既可以控制矫平机10进行矫平工作，又可以控制能量回收装置的蓄电池29的充电过程和放电过程，当能量回收装置的蓄电池29电量充足时，可以直接供矫平机10的移动加热小车13使用，当电量不充足时，矫平机变频电源11内部的嵌入式系统可直接为矫平机10的移动加热小车13供电；蓄电池29的充电过程是指能量回收装置通过发电机27将回收的能量转化电能，通过整流器28将电流存储在蓄电池29的过程，蓄电池29的放电过程指的是蓄电池29通过逆变器210为移动加热小车13供电的过程。其工作原理为：矫平机10通过电磁感应原理进行矫平作业，其中，冷水机12为变频电源11 和移动加热小车13降温；能量回收装置回收矫平机10的冷水机12降温时产生的风能，并将其转化成电能供矫平机10的移动加热小车13使用，从而提高能量的利用效率。
39.如图2所示，所述的矫平机10，包括变频电源11、冷水机12、移动加热小车13、第一电线组件31、第一水管组件32、第二电线组件33、第二水管组件34；冷水机12通过第一水管组件31与变频电源11相连，变频电源11通过第二水管组件34与移动加热小车13相连，形成回路，为变频电源11和移动加热小车13降温；变频电源11装在冷水机12的上方，(变频电源11单独封装，放置在冷水机12的外侧上方)，通过第一电线组件31提供冷水机12所需的电源，主要用于将输入的电流转化成高频高压的形式，通过第二电线组件33传输到移动加热小车13内。变频电源11内部设有嵌入式片上系统，用于控制能量回收装置、冷水机12 和移动加热小车13。移动加热小车13中安装有同轴变压器和电磁感应加热线圈，同轴变压器用于将变频电源11传输过来的电流降低至安全电压范围内，电磁感应加热线圈通过电磁感应原理进行矫平作业。其工作原理为：三相电流通过变频电源11后，转变成高频、高压的形式，再将高频高压的电流传输至移动加热小车13内的同轴变压器和电磁感应加热线圈，同轴变压器将高频高压的电流转化成高频低压的电流，电流经过电磁感应加热线圈会产生强大的感应电流即涡流，从而实现矫平作业；冷水机12用于转移变频电源11和移动加热小车13中的热量。
40.如图3所示，冷水机12，包括三个相互联系的系统：制冷剂循环系统、水循环系统、电器自控系统组成；制冷剂循环系统是指：蒸发器中的液态制冷剂吸收水中的热量并开始蒸发，最终液态制冷剂完全蒸发变为气态，后被压缩机吸入至冷凝器,气态制冷剂通过冷凝器释放热量，凝结成液体，再通过膨胀阀节流后变成低温低压制冷剂进入蒸发器，完成制冷剂循环过程；水循环系统是指水泵将水从水箱抽出泵到需要冷却的设备(移动加热小车13等)，水将热量带走后温度升高，在蒸发器中将热量传递给制冷剂后，再回到箱中，完成水循环；电器自控系统主要包括电源部分和自动控制部分，电源部分是指为冷水机内的各个零部件供应电源，自动控制部分是指温控器、压力保护等相互结合，使冷水机在使用中更加安
全。
41.如图4(a)、(b)、(c)所示，本发明的一种能量回收装置，包括安装在安装冷水机12的前侧的发电部分和安装在矫平机10的移动加热小车13上的电流转化部分，发电部分如图4(a)、 (b)所示，包括发电装置外壳21、叶轮22、框架23、轴承24、增速齿轮箱25、制动器26、发电机27，电流转化部分如图4(c)所示，包括整流器28、蓄电池29、逆变器210。叶轮22通过轴承24安装在发电机外壳21上，用于收集风能；发电装置外壳21安装在框架23具有“十”字一侧的中心位置。发电机27通过制动器26和增速器25与叶轮22相连，用于将叶轮22收集到的能量转化成电能，增速齿轮箱25可以提高风能的利用效果，制动器26用于紧急制动，保护发电机27，增速齿轮箱25，制动器26，发电机27安装在发电装置外壳21的内部。蓄电池29安装在矫平机10的移动加热小车13的上面，用于存储电能；整流器28和逆变器210 分别安装在蓄电池29的两侧，用于转化电流的频率、相位等物理量。
42.如图5所示，本发明的一种整流器28的电路原理图，使用三相电的y型接法。电流经a 端流入，经过晶闸管vs1、电阻r和晶闸管vs2，从c端流出；电流从b端流入，经过晶闸管vs3、电阻r和晶闸管vs4，从c端流出；电流从c端流入，经过晶闸管vs5、电阻r和晶闸管 vs6，从b端流出。有利于减小变压器磁通、电动势中的谐波。此外，整流电路必须用双窄脉冲或宽脉冲触发，其移相范围为0
°
至120
°
，最大导通角为120
°
43.如图6所示，本发明的一种逆变器210的电路原理图；在纯电阻负载下，二极管d1、d2、 d3、d4、d5和d6不导通；当开关t1、t5、t6导通时，r1和r3并联，电流从正极流出，同时流经电阻r1和r3，再流经电阻r2和开关t6，最后流入负极；当开关t1、t2、t6导通时，r2和r3并联，电流从正极流出，流经电阻r1后，一路经过电阻r2和开关t6后，流入负极，另一路经过电阻r3和开关t2后，流入负极；当开关t1、t2、t3导通时，r1和r2并联，电流从正极流出，同时流经电阻r1和r2，再流经电阻r2和开关t2，最后流入负极；当开关t2、t3、t4导通时， r1和r3并联，电流从正极流出，流经电阻r2后，一路经过电阻r3和开关t2后，流入负极，另一路经过电阻r1和开关t4后，流入负极；当开关t3、t4、t5导通时，r2和r3并联，电流从正极流出，同时流经电阻r和r3，再流经电阻r1和开关t4，最后流入负极；当开关t4、t5、t6导通时，r1和r2并联，电流从正极流出，流经电阻r3后，一路经过电阻r1和开关t4后，流入负极，另一路经过电阻r2和开关t6后，流入负极。其工作方式为180度导电方式：每个桥臂导电角度为120度；同一个半桥上下两个桥臂交通导电，各相导电角度依次相差120度；在任意瞬间有3个桥臂同时导通，每次变换都在相同相上下两个桥臂之间进行。因此，按照顺序控制开关原件就可以得到输出幅值为输入电压的一半，三相输出的波形相同，只输相位依次差120度，这样就可以得到三相的交流电源。
44.上述的一种具有能量回收功能的矫平装置的使用方法，包括以下步骤：
45.步骤一：接上电源，启动矫平机10，旋转变频电源11的旋钮，变频电源11开启；
46.步骤二：按下变频电源上11的按钮，启动冷水机12；
47.步骤三：将矫平机10推到需要工作的区域，启动加热功能，高频交流电流通过传输线路传输到变频电源中，电流经变频转化后，传输至移动加热小车13，移动加热小车13通过电磁感应加热原理进行矫平作业；
48.步骤四：冷水机12开始工作，在蒸发器内通过水循环将矫平机10的变频电源11和移动加热小车13散发出的温度传递到制冷剂中，制冷剂在冷凝器内释放热量后，回到蒸发器内，完成制冷剂循环和整个散热过程；
49.步骤五：能量回收装置开始采集冷水机12的在散热过程中产生的风能，通过发电机27 转化成三相交流电，通过整流器28转成直流电，存储在蓄电池29中。
50.步骤六：当焊缝矫平后，移动加热小车13移动到下一个区域进行矫平工作；此时，当蓄电池29电量较少时，嵌入式片上系统直接通过变频电源11供电，让移动加热小车13正常工作；当蓄电池29电量充足时，嵌入式片上系统控制能量回收装置，为移动加热小车13提供电源。
51.步骤七：当整个区域的矫平工作结束时，旋转变频电源11上的旋钮，断开电源，关闭整个装置，并且将冷水机12内的水排出即可。
52.此外，当风速过大导致发电机27的转速过快，或者能量回收装置出现故障的时候，制动器26的嵌入式系统会让制动器26紧急制动，避免对零部件造成损坏而造成更大的损失。