干式變壓器連線桿運輸振動疲勞失效試驗等效方法

干式變壓器連線桿是用于連接變壓器各相線圈（繞組）間的導體（如圖1），一般為純銅桿，由于其只是兩端固定，中間無任何支撐，因此在公路運輸是會受到汽車振動激勵而產(chǎn)生自振或共振，若運輸距離較長或路況較差時，可能會出現(xiàn)振動疲勞斷裂（如圖2）。

目前對連線桿運輸振動疲勞失效的分析方法有兩種，一種是建立連線桿三維模型，并通過有限元仿真分析計算其運輸振動疲勞壽命。另一種是通過振動試驗模擬連線桿的疲勞壽命。由于三維模型與實際成品存在加工偏差，以及在熱加工中連線桿晶格發(fā)生變化。所以三維模型仿真分析的準確性不如模擬振動試驗。

而在進行模擬公路運輸振動試驗時，振動多少小時等于多少公里呢？

要充分解決以上問題，我們首先需要定義振動試驗類型和運輸類型和情況。

振動試驗類型，在包裝運輸領域有三種通用振動試驗類型。第一種叫定位移測試，與ASTM D999標準的方法A1或A2一致。第二種叫正弦振動測試，與ASTM D999標準的方法B和C一致。但是前面兩種振動類型都屬于有規(guī)律振動，而實際運輸振動是無規(guī)律的，因此這兩種試驗類型與實際運輸是不相符的。

第三種叫隨機振動測試，與ASTM D4728一致。這種試驗振動臺是以持續(xù)改變頻率和振幅進行振動，與實際車輛公路運輸相似。因此這種類型試驗能最接近模擬實際運輸情況。隨機振動可用功率密度譜PSD（一種在一定頻率域內(nèi)的平均加速度強度的圖形）所表示。不同的運輸工具和運輸情況有不同的PSD和振幅。

運輸類型和運輸情況，有4基本運輸類型：公路，鐵路，空運和海運。每一種運輸類型都有若干變量－車輛類型及其子類型，裝在的數(shù)量和配置，交通條件（高速、軌道、湍流、海洋狀態(tài)）等。結果是一個幾乎無限數(shù)量可能的組合，想要用單一或簡單的測試可以模擬所有這些不同組合是不現(xiàn)實的。比如一輛平板拖車在粗糙的路面行駛可能產(chǎn)生非常高的振動水平，但這僅是在整個運輸周期中的幾公里。所以要實現(xiàn)振動測試與運輸距離的等效，就必須確定先這些變量組合。

圖1

圖2

一旦我們能夠充分指定要進行測試和模擬運輸振動的類型，然后我們就可以開始解決這一問題的等價性。隨機振動是為了模擬環(huán)境，這是唯一在運輸包裝領域內(nèi)模擬實際運輸通用的振動測試類型。假設PSD曲線輪廓和強度是合理且準確地反映實際運輸振動情況，那么一小時測試將等效于一小時的運輸情況。但這不是時間與里程的關系，是時間與時間的關系。但由于運輸時間是實際的運動持續(xù)時間，則可以建立時間與距離的關系。例如，一輛車持續(xù)以60英里/小時行駛所測得的PSD曲線和強度，將該PSD用于進行振動試驗，那么試驗1小時相當于60英里。但是這種測試方法并不理想，因為通常疲勞失效都是在幾千甚至上萬英里后發(fā)生的，而這樣就需要耗費幾天甚至幾周的時間進行模擬，從

而增加了試驗成本和能耗。為此我們可以采取保持PSD曲線輪廓提高其強度的方法來加速振動試驗。

在1971年的《沖擊和振動》中， 休斯飛機公司的Curtis， Tinling， and Abstein提出了振動試驗的時間壓縮的方法的假設。而1993年，丹尼斯楊（后任ISTA技術總監(jiān)），在他的論文中引用“集中模擬”，他提出了一個公式計算的加速度增加而相應的減少測試時間。該公式如下：

式中： IT = 加速后均方根加速度

綜上所述，我們在實驗室進行連線桿的模擬運輸振動疲勞試驗，首先要確定運輸情況下的PSD曲線，接著根據(jù)以上工時壓縮試驗時間，即可在短時間內(nèi)等效模擬長距離運輸振動情況。下面我們就根據(jù)以上方法對我司一款需要在美國公路運輸8000km的產(chǎn)品進行模擬試驗分析。

根據(jù)ASTM4728－1995選擇最接近的運輸工況加速度PSD曲線，F(xiàn)IG.X1.2 中的B曲線（見圖三）。該PSD曲線為鋼板彈簧卡車以55mph（88.5km/h）的速度在美國高速公路行駛。則8000km需要行駛90.4小時。

PSD曲線功率譜密度如表1所示，均方根加速度為0.14grms。

圖3

圖4

表1

將均方根加速度提高到1.8grms，則提高后的PSD曲線功率譜密度如表2。

表2

根據(jù)以上公式計算試驗時間：

TT=T0*I02/IT2=90.4*0.142/1.82=0.54小時=33分鐘。

則每分鐘相當于以88.5km/h行駛242km。

將加速后的PSD功率譜密度輸入振動試驗臺進行振動模擬試驗。試驗見圖四。

最終試驗結果見表3。

表3

從以上振動臺模擬振動測試結果看，連線桿失效發(fā)生于六千多公里處，而此次公路總運輸里程為8000km，不能滿足運輸要求，因此在發(fā)貨時需要將連線桿從變壓器上拆除下來單獨包裝發(fā)貨。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.021