車載電源模塊的振動試驗分析

李紅梅

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

振動試驗是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來，現(xiàn)已被推廣到交通運輸、建筑、動力機械等各行各業(yè)中。振動試驗是環(huán)境試驗中一個非常重要的環(huán)境參數(shù)，運行中的電力機車在加速和減速等環(huán)境因素下也肯定會受到振動的影響，安裝在機車上的設(shè)備同樣不可避免地受到振動或沖擊等動力學環(huán)境的作用，振動會導(dǎo)致電子設(shè)備中元器件或結(jié)構(gòu)件等產(chǎn)生動態(tài)位移，如接插件、緊固件松動、繼電器觸點接觸不良、焊點斷開等故障，這些故障大大降低了車載電子設(shè)備的可靠性，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，車載電子產(chǎn)品因振動沖擊導(dǎo)致的失效率占到1/3[1]。因此對機車用車載電源進行振動試驗十分必要。一方面可有效地檢測到生產(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、焊點有瑕疵、電子插件接觸不良等早期故障；另一方面可模擬試驗檢測產(chǎn)品對振動環(huán)境的適應(yīng)力，預(yù)估生命周期內(nèi)產(chǎn)品遭受振動環(huán)境后，其性能指標能不能滿足要求。

1 振動試驗臺

1.1 分類

在實際的工程應(yīng)用中，振動試驗臺從激振方式上主要分為機械式振動臺、電液式振動臺和電動式振動臺。

機械式振動臺是機械能轉(zhuǎn)化成動能，靠電機帶動的振動來實現(xiàn)的。其主要優(yōu)缺點是：載荷和推力大，工作可靠，價格低廉，維護方便，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試驗。

電液式振動臺是把液壓能轉(zhuǎn)換成動能，主要工作原理是使用電液伺服閥作為電控信號，通過油壓使傳動裝置產(chǎn)生振動。特點是：低頻（1～200 Hz），推力可達數(shù)百千牛、負載能力強達數(shù)噸，設(shè)備復(fù)雜，價格昂貴，適用于汽車、船舶及運載工具等行業(yè)的產(chǎn)品試驗。

電動式振動臺是把電能轉(zhuǎn)換成動能。特點是：頻率范圍寬（2～10 000 Hz），激振力大，可達200 kN，加速度波形好，控制方便且可以多臺并激，價格較貴。目前電動振動試驗臺應(yīng)用范圍最為廣泛，適用于各類電子元器件的振動試驗和中小型整機試驗。

1.2 電動試驗系統(tǒng)原理

電動試驗系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計而成的[2]，即通電導(dǎo)體在強大磁場中受到電磁力的作用而運動。電動試驗系統(tǒng)主要由振動臺體、信號發(fā)生器、功率放大器、直流勵磁電源、冷卻系統(tǒng)等部分組成。本試驗用到的電動試驗臺的系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 試驗臺系統(tǒng)方框圖

2 振動試驗方法

2.1 正弦振動試驗

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

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

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

2.2 隨機振動試驗

許多真實環(huán)境的振動都是隨機的，例如，車輛在不平路面上行駛；高層建筑在風或地震作用下發(fā)生的振動；飛機在飛行時的振動；船舶在波浪中的振動。隨機振動描述的就是一種振動波形雜亂、對未來任何一個給定時刻，其瞬時值不能預(yù)先確定，其波形隨時間的變化顯示不出一定規(guī)律的振動，無法用確定性函數(shù)解釋其規(guī)律。隨機振動的單次試驗結(jié)果有不確定性、不可預(yù)估性和不重復(fù)性，但從統(tǒng)計角度出發(fā)隨機振動過去的歷程就能推測各個加速度值出現(xiàn)的相對概率，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強度，用加速度譜密度ASD曲線表示其頻率特性。

用隨機振動更能準確進行模擬，更真實地反映車載部件的實際運行情況，因此，對于電力機車來說，常用隨機試驗來進行車載電源模塊的功能試驗和壽命試驗檢測。

3 產(chǎn)品夾具設(shè)計

對于零部件或整機產(chǎn)品進行振動試驗時，需借助夾具才能使產(chǎn)品和振動臺面相連接，理想的夾具能模擬設(shè)備實際的安裝狀態(tài)，一方面方便地把試件固定到試驗臺上，另一方面把激勵從振動臺不失真地傳遞給試件。因此夾具設(shè)計的好壞直接關(guān)系到振動試驗的可信度，如果夾具的固有頻率在工作頻率范圍內(nèi)，還會引起共振，導(dǎo)致無法進行試驗。因此，設(shè)計一個理想的夾具是振動試驗順利完成的關(guān)鍵。在實際的產(chǎn)品夾具設(shè)計中需要考慮剛度、質(zhì)量和重心位置等幾個重要因素[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]，實際設(shè)計時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，因為根據(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為振動加速度；m1、m2、m3、m4分別為振動臺、擴展臺面、產(chǎn)品和夾具的質(zhì)量。

根據(jù)試驗臺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)計需要綜合考慮多方面的因素，包括與臺面多個狀態(tài)的連接、安裝和吊裝方便等，最重要的一點是要考慮設(shè)計后夾具和試件的重心，該重心應(yīng)該和振動臺激振力的方向保持一致，才能避免振動臺受力不均或共振等問題。因此盡量設(shè)計成對稱、低重心的夾具，優(yōu)先采用對稱的封閉結(jié)構(gòu)，如立方體、長方體、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。以車載電源為試件，其夾具采用長方體框架結(jié)構(gòu)，可將電源完整地裝進框架結(jié)構(gòu)中，作為整體進行振動分析，和臺面的連接采用螺栓緊固方式?？紤]到電源質(zhì)量相對輕，采用成本較低的鋼材焊接而成。

4 車載電源模塊振動試驗

車載電源模塊一方面可以向機車蓄電池充電，另一方面也給機車控制回路供電，因此其能否正常工作對機車的正常運行起關(guān)鍵作用。振動試驗是對電源模塊可靠性進行考核的重要試驗項目之一。本文對4個抽屜式電源模塊進行試驗分析，其中2個后面機箱采用半封閉式，另外2個采用全封閉式機箱。通過振動試驗分析，一方面考核在給定的振動曲線的工況下電源模塊能否正常供電，另一方面查看機箱結(jié)構(gòu)和監(jiān)測點的不同對振動響應(yīng)特性的影響。

4.1 試驗嚴酷等級和頻率范圍

根據(jù)GB/T21563-2008《軌道交通機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗標準》，車載設(shè)備的振動試驗主要包括功能性試驗和模擬壽命試驗[5]。其中功能性試驗是指在車載零部件處于工作狀態(tài)下施加最小試驗量級，用來驗證其在振動環(huán)境下正常工作的能力。試驗時間規(guī)定每個方向都不小于10 min。模擬長壽命試驗是以增強的試驗量級來證實車載零部件機械結(jié)構(gòu)的完好性。按給定的ASD頻譜曲線進行隨機振動試驗，規(guī)定試驗時間每個方向都是5 h。

圖2 加速度譜密度曲線標準圖譜

圖2所示為車載零部件振動試驗的加速度譜密度曲線圖，這是標準圖譜，根據(jù)試件質(zhì)量的變化，起止頻率取值也會隨之變化。

根據(jù)標準GB/T21563-2008，當試件材質(zhì)量小于500 kg時，f1=5，f2=150，因此實際試驗中，f1與標準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個不同振動方向的ASD值。

(m·s-2)2·Hz-1

表2 振動試驗的ASD量級

4.2 試驗與結(jié)論

將車載電源安裝到設(shè)計好的夾具中，按照實際工作的方向和安裝方式通過夾具固定到振動工作臺面上，注意電源模塊和夾具的重心和臺面重心重合。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量的快插接頭位置以便檢測該點的振動響應(yīng)特性，這里采用單點控制，4點監(jiān)控的布置方式。

按照給定的試驗嚴酷對試驗的控制通道數(shù)、控制方式、通道靈敏度、起止頻率、寬帶譜數(shù)、振動時間及中斷上下限等參數(shù)一一進行設(shè)置。通過預(yù)處理試驗后開始正式試驗。

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，其他通道為監(jiān)測點，其中輸入1和2為半封閉機箱的不同監(jiān)測點，輸入4和5為全封閉機箱的監(jiān)測點，不同的加速度傳感器的靈敏度不一樣，這里逐一進行設(shè)置。

表3 輸入通道參數(shù)的設(shè)置

以垂向的壽命試驗為例對目標譜進行設(shè)置，目標譜參數(shù)的設(shè)置如表4所示，這里為了防止樣品的振動響應(yīng)過于激烈對振動臺造成影響，設(shè)置了試驗中斷曲線，當振動響應(yīng)超出設(shè)置后，試驗臺自動中斷。

表4 目標譜參數(shù)設(shè)置

功能試驗過程中需要通過外接電源通電，觀察電源指示燈一直亮，說明處于正常工作狀態(tài)。壽命試驗不需通電進行試驗，試驗完成后接通電源測量主要電氣性能參數(shù)是否符合要求。

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

圖3 垂向壽命振動試驗圖

由圖可見，振動的控制效果較好，振動控制信號始終在目標譜附近小幅度振動。4個響應(yīng)監(jiān)測點在某振動頻率上出現(xiàn)較大波峰，其他頻段也會隨監(jiān)測位置的不同有較大變化。同時發(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，半封閉的機箱比全封閉機箱的振動特性要好。試驗完成后，通過檢測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、單機輸出額定電流值、工作效率等），均符合標準要求規(guī)定，可見該車載電源模塊能夠滿足產(chǎn)品的可靠性設(shè)計。

5 結(jié)束語

本文通過對機箱在不同試驗量級條件下的隨機振動試驗進行分析，試驗后測量控制電壓、輸出電壓、輸入電壓、單機輸出額定電流值、工作效率等重要技術(shù)參數(shù)值，驗證了產(chǎn)品的可靠性，該產(chǎn)品能較好地滿足功能性試驗和長壽命試驗的要求，排除了生產(chǎn)過程中各種可能存在的缺陷問題，產(chǎn)品能滿足模擬的實際振動工況環(huán)境。另一方面通過對兩種不同結(jié)構(gòu)形式的電源模塊的試驗分析，經(jīng)比較兩種結(jié)構(gòu)的振動特性可以得出半封閉機箱的效果更好，這對改進產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的參考意義?？梢?，振動試驗分析對驗證產(chǎn)品可靠性和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的試驗方法和手段。