李紅梅

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

振動(dòng)試驗(yàn)是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)，現(xiàn)已被推廣到交通運(yùn)輸、建筑、動(dòng)力機(jī)械等各行各業(yè)中。振動(dòng)試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)中一個(gè)非常重要的環(huán)境參數(shù)，運(yùn)行中的電力機(jī)車(chē)在加速和減速等環(huán)境因素下也肯定會(huì)受到振動(dòng)的影響，安裝在機(jī)車(chē)上的設(shè)備同樣不可避免地受到振動(dòng)或沖擊等動(dòng)力學(xué)環(huán)境的作用，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備中元器件或結(jié)構(gòu)件等產(chǎn)生動(dòng)態(tài)位移，如接插件、緊固件松動(dòng)、繼電器觸點(diǎn)接觸不良、焊點(diǎn)斷開(kāi)等故障，這些故障大大降低了車(chē)載電子設(shè)備的可靠性，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，車(chē)載電子產(chǎn)品因振動(dòng)沖擊導(dǎo)致的失效率占到1/3[1]。因此對(duì)機(jī)車(chē)用車(chē)載電源進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)十分必要。一方面可有效地檢測(cè)到生產(chǎn)工藝中出現(xiàn)的劣質(zhì)元器件并加以剔除，排除固定件松動(dòng)、焊點(diǎn)有瑕疵、電子插件接觸不良等早期故障；另一方面可模擬試驗(yàn)檢測(cè)產(chǎn)品對(duì)振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)力，預(yù)估生命周期內(nèi)產(chǎn)品遭受振動(dòng)環(huán)境后，其性能指標(biāo)能不能滿足要求。

1 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

1.1 分類(lèi)

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)從激振方式上主要分為機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、電液式振動(dòng)臺(tái)和電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)。

機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，靠電機(jī)帶動(dòng)的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其主要優(yōu)缺點(diǎn)是：載荷和推力大，工作可靠，價(jià)格低廉，維護(hù)方便，頻率范圍窄（5～80 Hz），加速度波形失真大，應(yīng)用在儀器儀表和家用電器及零部件的正弦振動(dòng)試驗(yàn)。

電液式振動(dòng)臺(tái)是把液壓能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，主要工作原理是使用電液伺服閥作為電控信號(hào)，通過(guò)油壓使傳動(dòng)裝置產(chǎn)生振動(dòng)。特點(diǎn)是：低頻（1～200 Hz），推力可達(dá)數(shù)百千牛、負(fù)載能力強(qiáng)達(dá)數(shù)噸，設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴，適用于汽車(chē)、船舶及運(yùn)載工具等行業(yè)的產(chǎn)品試驗(yàn)。

電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)是把電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。特點(diǎn)是：頻率范圍寬（2～10 000 Hz），激振力大，可達(dá)200 kN，加速度波形好，控制方便且可以多臺(tái)并激，價(jià)格較貴。目前電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用范圍最為廣泛，適用于各類(lèi)電子元器件的振動(dòng)試驗(yàn)和中小型整機(jī)試驗(yàn)。

1.2 電動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)原理

電動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)而成的[2]，即通電導(dǎo)體在強(qiáng)大磁場(chǎng)中受到電磁力的作用而運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由振動(dòng)臺(tái)體、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、直流勵(lì)磁電源、冷卻系統(tǒng)等部分組成。本試驗(yàn)用到的電動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)方框圖

2 振動(dòng)試驗(yàn)方法

2.1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)

正弦振動(dòng)試驗(yàn)是經(jīng)常采用的試驗(yàn)方法，常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)及振蕩產(chǎn)生的振動(dòng)都是正弦振動(dòng)。模擬此類(lèi)振動(dòng)環(huán)境可采用正弦振動(dòng)，正弦振動(dòng)主要控制的是頻率和幅值兩個(gè)參數(shù)。根據(jù)頻率變化與否分為定頻和掃頻振動(dòng)試驗(yàn)。

定頻試驗(yàn)是指頻率始終保持不變的振動(dòng)試驗(yàn)，一般模擬轉(zhuǎn)速固定的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)或結(jié)構(gòu)固有頻率點(diǎn)的振動(dòng)。主要用于考核試件的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

掃頻試驗(yàn)是指頻率按一定規(guī)律變化，以一定的掃描速率按規(guī)定的量值進(jìn)行掃頻，達(dá)到規(guī)定的掃描次數(shù)為止。按頻率變化的規(guī)律可分為對(duì)數(shù)掃描和線性掃描。線性掃描是指單位時(shí)間掃過(guò)多少赫茲，一般用于查找試件的共振頻率。對(duì)數(shù)掃描是指相同時(shí)間掃過(guò)的倍頻程數(shù)相同，低頻階段掃得慢高頻段掃得較快[7]。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

許多真實(shí)環(huán)境的振動(dòng)都是隨機(jī)的，例如，車(chē)輛在不平路面上行駛；高層建筑在風(fēng)或地震作用下發(fā)生的振動(dòng)；飛機(jī)在飛行時(shí)的振動(dòng)；船舶在波浪中的振動(dòng)。隨機(jī)振動(dòng)描述的就是一種振動(dòng)波形雜亂、對(duì)未來(lái)任何一個(gè)給定時(shí)刻，其瞬時(shí)值不能預(yù)先確定，其波形隨時(shí)間的變化顯示不出一定規(guī)律的振動(dòng)，無(wú)法用確定性函數(shù)解釋其規(guī)律。隨機(jī)振動(dòng)的單次試驗(yàn)結(jié)果有不確定性、不可預(yù)估性和不重復(fù)性，但從統(tǒng)計(jì)角度出發(fā)隨機(jī)振動(dòng)過(guò)去的歷程就能推測(cè)各個(gè)加速度值出現(xiàn)的相對(duì)概率，所以經(jīng)常用平均值、均方根、幅值概率密度等表示。其中均方根加速度表示振動(dòng)強(qiáng)度，用加速度譜密度ASD曲線表示其頻率特性。

用隨機(jī)振動(dòng)更能準(zhǔn)確進(jìn)行模擬，更真實(shí)地反映車(chē)載部件的實(shí)際運(yùn)行情況，因此，對(duì)于電力機(jī)車(chē)來(lái)說(shuō)，常用隨機(jī)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行車(chē)載電源模塊的功能試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)檢測(cè)。

3 產(chǎn)品夾具設(shè)計(jì)

對(duì)于零部件或整機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，需借助夾具才能使產(chǎn)品和振動(dòng)臺(tái)面相連接，理想的夾具能模擬設(shè)備實(shí)際的安裝狀態(tài)，一方面方便地把試件固定到試驗(yàn)臺(tái)上，另一方面把激勵(lì)從振動(dòng)臺(tái)不失真地傳遞給試件。因此夾具設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到振動(dòng)試驗(yàn)的可信度，如果夾具的固有頻率在工作頻率范圍內(nèi)，還會(huì)引起共振，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)理想的夾具是振動(dòng)試驗(yàn)順利完成的關(guān)鍵。在實(shí)際的產(chǎn)品夾具設(shè)計(jì)中需要考慮剛度、質(zhì)量和重心位置等幾個(gè)重要因素[3]。

3.1 選材和質(zhì)量

夾具材料一般選取質(zhì)量輕、剛度大、阻尼性好的材料，最常用的是鋁、鎂及其合金，表1列出了鋁鎂鋼3種材料的物理特性[4]，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)候需要綜合考慮需要和成本，合理選擇?？紤]到電源模塊試件不大，采用鋼成本更低。

表1 常用夾具材料的物理特性

夾具重量應(yīng)盡量輕，因?yàn)楦鶕?jù)公式：

只有剛度提高，質(zhì)量減小，夾具的固有頻率才能高。

實(shí)際夾具的最大質(zhì)量可以從公式（3）推算出：

式中：F為額定推力；a為振動(dòng)加速度；m1、m2、m3、m4分別為振動(dòng)臺(tái)、擴(kuò)展臺(tái)面、產(chǎn)品和夾具的質(zhì)量。

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的額定最大推力和加速度可推導(dǎo)出夾具的最大質(zhì)量，在有效的范圍內(nèi)盡可能輕。

3.2 結(jié)構(gòu)和工藝

夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮多方面的因素，包括與臺(tái)面多個(gè)狀態(tài)的連接、安裝和吊裝方便等，最重要的一點(diǎn)是要考慮設(shè)計(jì)后夾具和試件的重心，該重心應(yīng)該和振動(dòng)臺(tái)激振力的方向保持一致，才能避免振動(dòng)臺(tái)受力不均或共振等問(wèn)題。因此盡量設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)、低重心的夾具，優(yōu)先采用對(duì)稱(chēng)的封閉結(jié)構(gòu)，如立方體、長(zhǎng)方體、半球形或錐形。

夾具的加工工藝主要有整體加工、焊接、鑄造、螺栓連接、粘接等。以車(chē)載電源為試件，其夾具采用長(zhǎng)方體框架結(jié)構(gòu)，可將電源完整地裝進(jìn)框架結(jié)構(gòu)中，作為整體進(jìn)行振動(dòng)分析，和臺(tái)面的連接采用螺栓緊固方式?？紤]到電源質(zhì)量相對(duì)輕，采用成本較低的鋼材焊接而成。

4 車(chē)載電源模塊振動(dòng)試驗(yàn)

車(chē)載電源模塊一方面可以向機(jī)車(chē)蓄電池充電，另一方面也給機(jī)車(chē)控制回路供電，因此其能否正常工作對(duì)機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行起關(guān)鍵作用。振動(dòng)試驗(yàn)是對(duì)電源模塊可靠性進(jìn)行考核的重要試驗(yàn)項(xiàng)目之一。本文對(duì)4個(gè)抽屜式電源模塊進(jìn)行試驗(yàn)分析，其中2個(gè)后面機(jī)箱采用半封閉式，另外2個(gè)采用全封閉式機(jī)箱。通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)分析，一方面考核在給定的振動(dòng)曲線的工況下電源模塊能否正常供電，另一方面查看機(jī)箱結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不同對(duì)振動(dòng)響應(yīng)特性的影響。

4.1 試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)和頻率范圍

根據(jù)GB/T21563-2008《軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，車(chē)載設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)主要包括功能性試驗(yàn)和模擬壽命試驗(yàn)[5]。其中功能性試驗(yàn)是指在車(chē)載零部件處于工作狀態(tài)下施加最小試驗(yàn)量級(jí)，用來(lái)驗(yàn)證其在振動(dòng)環(huán)境下正常工作的能力。試驗(yàn)時(shí)間規(guī)定每個(gè)方向都不小于10 min。模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)是以增強(qiáng)的試驗(yàn)量級(jí)來(lái)證實(shí)車(chē)載零部件機(jī)械結(jié)構(gòu)的完好性。按給定的ASD頻譜曲線進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間每個(gè)方向都是5 h。

圖2 加速度譜密度曲線標(biāo)準(zhǔn)圖譜

圖2所示為車(chē)載零部件振動(dòng)試驗(yàn)的加速度譜密度曲線圖，這是標(biāo)準(zhǔn)圖譜，根據(jù)試件質(zhì)量的變化，起止頻率取值也會(huì)隨之變化。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T21563-2008，當(dāng)試件材質(zhì)量小于500 kg時(shí)，f1=5，f2=150，因此實(shí)際試驗(yàn)中，f1與標(biāo)準(zhǔn)圖譜中第二段起止頻率相同，寬帶頻譜也為第二段，表2所示為3個(gè)不同振動(dòng)方向的ASD值。

(m·s-2)2·Hz-1

表2 振動(dòng)試驗(yàn)的ASD量級(jí)

4.2 試驗(yàn)與結(jié)論

將車(chē)載電源安裝到設(shè)計(jì)好的夾具中，按照實(shí)際工作的方向和安裝方式通過(guò)夾具固定到振動(dòng)工作臺(tái)面上，注意電源模塊和夾具的重心和臺(tái)面重心重合。將控制傳感器安裝在靠近螺栓緊固的位置[6]，將響應(yīng)傳感器布置到需要測(cè)量的快插接頭位置以便檢測(cè)該點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)特性，這里采用單點(diǎn)控制，4點(diǎn)監(jiān)控的布置方式。

按照給定的試驗(yàn)嚴(yán)酷對(duì)試驗(yàn)的控制通道數(shù)、控制方式、通道靈敏度、起止頻率、寬帶譜數(shù)、振動(dòng)時(shí)間及中斷上下限等參數(shù)一一進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)預(yù)處理試驗(yàn)后開(kāi)始正式試驗(yàn)。

輸入通道參數(shù)的設(shè)置如表3所示：輸入通道3作為控制點(diǎn)，其他通道為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中輸入1和2為半封閉機(jī)箱的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)，輸入4和5為全封閉機(jī)箱的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不同的加速度傳感器的靈敏度不一樣，這里逐一進(jìn)行設(shè)置。

表3 輸入通道參數(shù)的設(shè)置

以垂向的壽命試驗(yàn)為例對(duì)目標(biāo)譜進(jìn)行設(shè)置，目標(biāo)譜參數(shù)的設(shè)置如表4所示，這里為了防止樣品的振動(dòng)響應(yīng)過(guò)于激烈對(duì)振動(dòng)臺(tái)造成影響，設(shè)置了試驗(yàn)中斷曲線，當(dāng)振動(dòng)響應(yīng)超出設(shè)置后，試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)中斷。

表4 目標(biāo)譜參數(shù)設(shè)置

功能試驗(yàn)過(guò)程中需要通過(guò)外接電源通電，觀察電源指示燈一直亮，說(shuō)明處于正常工作狀態(tài)。壽命試驗(yàn)不需通電進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后接通電源測(cè)量主要電氣性能參數(shù)是否符合要求。

以垂向壽命試驗(yàn)為例得到的振動(dòng)控制曲線和監(jiān)控曲線的自功率譜密度圖如圖3所示。

圖3 垂向壽命振動(dòng)試驗(yàn)圖

由圖可見(jiàn)，振動(dòng)的控制效果較好，振動(dòng)控制信號(hào)始終在目標(biāo)譜附近小幅度振動(dòng)。4個(gè)響應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在某振動(dòng)頻率上出現(xiàn)較大波峰，其他頻段也會(huì)隨監(jiān)測(cè)位置的不同有較大變化。同時(shí)發(fā)現(xiàn)輸入1和2的波峰比輸入4和5的波峰小，在該方向上，半封閉的機(jī)箱比全封閉機(jī)箱的振動(dòng)特性要好。試驗(yàn)完成后，通過(guò)檢測(cè)電源模塊的主要技術(shù)參數(shù)（控制電壓、輸出電壓、輸入電壓、單機(jī)輸出額定電流值、工作效率等），均符合標(biāo)準(zhǔn)要求規(guī)定，可見(jiàn)該車(chē)載電源模塊能夠滿足產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)機(jī)箱在不同試驗(yàn)量級(jí)條件下的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)后測(cè)量控制電壓、輸出電壓、輸入電壓、單機(jī)輸出額定電流值、工作效率等重要技術(shù)參數(shù)值，驗(yàn)證了產(chǎn)品的可靠性，該產(chǎn)品能較好地滿足功能性試驗(yàn)和長(zhǎng)壽命試驗(yàn)的要求，排除了生產(chǎn)過(guò)程中各種可能存在的缺陷問(wèn)題，產(chǎn)品能滿足模擬的實(shí)際振動(dòng)工況環(huán)境。另一方面通過(guò)對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的電源模塊的試驗(yàn)分析，經(jīng)比較兩種結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性可以得出半封閉機(jī)箱的效果更好，這對(duì)改進(jìn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。可見(jiàn)，振動(dòng)試驗(yàn)分析對(duì)驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的試驗(yàn)方法和手段。