一種汽車蜂窩陶瓷體高溫振動環(huán)境下的位移監(jiān)測方法

姚明格，劉浩，周煥陽

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，武漢 430056； 2.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

引言

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，乘用車及商用車的保有量也急劇增加。隨著人們對環(huán)境保護的重視程度不斷提高，汽車尾氣排放問題也獲得越來越多的關(guān)注。全球范圍內(nèi)對汽車尾氣排放的技術(shù)要求越來越高，我國汽車行業(yè)相關(guān)研制機構(gòu)和企業(yè)也在不斷投入資源開展相關(guān)研究工作。汽車發(fā)動機燃燒后的廢氣中含有一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物等有害氣體，該氣體需經(jīng)過處理，達到標準要求后才能排放，這個過程通常由汽車排放后處理器來完成。汽車排放后處理器是汽車中尾氣凈化專用裝置，研發(fā)過程中需經(jīng)過試驗驗證，以發(fā)現(xiàn)其核心部件在實際使用中的一些隱患和缺陷，并進行改進優(yōu)化[1]。催化單元是汽車排放后處理器的核心部件（如圖1、圖2所示），能氧化消除尾氣中的有害成分，其功能是否正常直接影響到尾氣處理效果，因此是產(chǎn)品驗證的重點。催化單元工作時要對發(fā)動機燃燒后生成的高溫煙氣直接進行處理，工作環(huán)境溫度高達為180 ℃，部分甚至達到450 ℃。且在發(fā)動機工作與車輛顛簸的綜合作用下，催化單元所處的環(huán)境沖擊應力也相對較大。因此驗證考核試驗中，需同時模擬高溫與沖擊環(huán)境。在這種環(huán)境下，催化單元中的蜂窩陶瓷體容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)滑移實效。按照汽車行業(yè)技術(shù)文件要求，試驗過程中，需要時刻監(jiān)測催化單元的狀態(tài)，一旦發(fā)生滑移失效立即停止試驗。具體做法為監(jiān)測蜂窩陶瓷體與外殼的相對位移，當位移值超過標準值時，即判定發(fā)生滑移失效。但由于高溫和沖擊綜合環(huán)境過于惡劣，現(xiàn)有的常規(guī)位移傳感器均不能正常工作[2-4]，且由于蜂窩陶瓷體結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)和裝夾要求使得非接觸的激光位移傳感器也無法滿足測試要求。因為此項技術(shù)限制，目前國內(nèi)的汽車排放后處理器研制單位在進行此項試驗驗證時，還需借助美國試驗機構(gòu)來完成。因此設計一款能夠在高溫及高量級沖擊環(huán)境下對位移進行測量的裝置十分有必要。在此背景下，本文提出了一種基于應變計的位移測量的方法，經(jīng)濟、快捷地實現(xiàn)了汽車排放處理器蜂窩陶瓷體高溫振動環(huán)境下對相對位移的測量，并有效開展了汽車排放處理器蜂窩陶瓷體高溫振動驗證試驗。

圖1 切開外殼的催化單元

圖2 典型催化單元結(jié)構(gòu)示意圖

1 試驗系統(tǒng)設計

1.1懸臂梁的彎曲幾何特性

懸臂梁的一維模型如圖3所示。距離懸臂梁自由端x處為應變片張貼處，該處彎矩值為：

圖3 一維懸臂梁模型

式中：

x=al，a—常數(shù)，0

F—作用在懸臂梁自由端的集中力。

該處彎曲應變值為：

式中：

W—截面抗彎系數(shù)；

E—材料彈性模量；

根據(jù)懸臂梁的幾何尺寸：長度為l，寬度為b，厚度為h；得到截面抗彎系數(shù)為：

式中：

Iz—慣性矩。

根據(jù)懸臂梁自由端受集中力作用下的擾度方程得到集中力與自由端位移u的關(guān)系為：

計算得出應變片張貼處應變值與懸臂梁自由端位移值的大小對應關(guān)系為：

針對以上計算結(jié)果得出：①應變與位移的對應關(guān)系與材料屬性無關(guān)，與彈簧鋼的寬度無關(guān)。②彈簧鋼結(jié)構(gòu)確定之后，應變與位移的對應關(guān)系為線性關(guān)系。③應力位移曲線的斜率與彈簧鋼的厚度成正比，與彈簧鋼長度的平方成反比。④應變片的張貼位置離固定端越近，應變與位移的比例系數(shù)越大。

1.2系統(tǒng)整體設計

為了測量蜂窩陶瓷體與薄壁外殼的相對滑動位移，只需測量夾持工裝上部蓋板與蜂窩陶瓷體上表面之間的相對距離變化大小即可。工裝上部蓋板與蜂窩陶瓷體的安裝示意圖如圖4所示。

位移測量裝置主體為L型懸臂彈簧片，如圖4所示。該懸臂彈簧片材質(zhì)為彈簧鋼，厚度約為1 mm，尺寸約為100 mm×10 mm（長×寬），經(jīng)加工成型后進行熱處理，增強其力學性能和抗疲勞性能。懸臂彈簧片可以測量固定點1和固定點2在彎曲方向的距離，因此只需將懸臂薄片固定點1通過螺釘固定在催化單元外殼上，固定點2通過螺釘連接在絕緣塊上，絕緣塊通過高溫膠粘接在被測量的蜂窩陶瓷體上就可以測量出工裝上部蓋板與蜂窩陶瓷體上表面之間的距離變化。懸臂彈簧片的設計模型如圖5所示。

圖4 工裝安裝示意圖

懸臂彈簧片上粘貼高溫應變計可在250 ℃的高溫條件范圍內(nèi)正常工作，應變計通過高溫屏蔽線連接至輔助數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其上下表面共計粘貼4只高溫應變計，如圖5所示。通過全橋測法對彈簧片的彎曲變形進行測量，橋路配置形式如圖6所示。該測法有4個應變計元素，2個位于彈簧片頂部的彎曲應變方向，2個位于底部的彎曲應變方向，對彎曲變形的靈敏度很高，同時可以有效補償溫度和導線電阻對測量產(chǎn)生的影響。

圖5 懸臂彈簧片設計模型圖

圖6 全橋彎曲測量配置圖

根據(jù)懸臂梁幾何特性可知，在彈性范圍內(nèi)，L型懸臂彈簧片的端點位移與應變片粘貼位置的應變存在線性對應關(guān)系。通過測量得到的應變值大小對彈簧片的彎曲變形進行表征，進而可以得到兩個端點之間的距離變化量。

試驗系統(tǒng)各功能部件的組合與控制如圖7所示；包括懸臂彈簧片、高溫應變計、數(shù)據(jù)采集儀、高溫環(huán)境試驗箱、高量級振動臺等，通過彈簧片的結(jié)構(gòu)特性可以克服高溫和高量級振動環(huán)境對位移測量的影響，實現(xiàn)工裝上蓋板與蜂窩陶瓷體上表面相對位移的實時監(jiān)測。

圖7 試驗系統(tǒng)原理圖

1.3 試驗驗證

為了進一步對試驗技術(shù)和方法進行驗證，我們搭建了一套試驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)中使用電動振動臺實現(xiàn)振動應力的施加，電動振動臺技術(shù)參數(shù)：推力65 kN，最大振動加速度981 m/s2，最大位移76 mm。采用綜合環(huán)境試驗箱實現(xiàn)高溫應力的施加，試驗箱技術(shù)參數(shù)：溫度范圍（-70~180）℃，溫度波動度≤2 ℃。試驗系統(tǒng)的安裝狀態(tài)如圖8所示。試驗溫度條件為180 ℃，振動條件為采集的實際工況數(shù)據(jù)，并進行了加速放大，隨機譜瞬時峰值高達90 g。測量目標為試驗件外殼與內(nèi)部蜂窩結(jié)構(gòu)之間的相對位移，位移測量裝置安裝狀態(tài)如圖9所示。

圖8 試驗系統(tǒng)的安裝狀態(tài)

圖9 位移測量裝置

試驗前對位移測量裝置進行有效標定，測量關(guān)鍵位移值對應的監(jiān)測應變值，并繪制位移應變曲線，如圖10和圖11所示。由圖11曲線可知，位移與應變呈線性關(guān)系，與理論計算結(jié)果一致。

圖10 標定過程

圖11 應變-位移曲線

通過連續(xù)16 h的驗證試驗，得出測量目標的實時監(jiān)測曲線，如圖12所示。測量得到兩點之間的最大相對位移為0.13 mm。

圖12 位移監(jiān)測曲線

2 結(jié)束語

本文利用懸臂彈簧鋼片的優(yōu)良特性，提出了一種相對位移測量方法，并以此為基礎設計了一種既簡單又實用的高溫位移測量裝置，經(jīng)濟快捷地實現(xiàn)了高溫振動環(huán)境下對汽車排放后處理器蜂窩陶瓷體相對位移的實時監(jiān)測。運用該技術(shù)，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了對汽車排放后處理器催化單元的綜合環(huán)境驗證，并多次成功監(jiān)測到蜂窩陶瓷體的失效，累計試驗時長達200 h以上。試驗證明該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高溫振動環(huán)境下相對位移的實時監(jiān)控，可靠且有效，具有一定的研究與實用意義，后續(xù)亦可推廣到其他行業(yè)惡劣條件下的位移監(jiān)測。